Nghiên cứu mạng VANET và ứng dụng trong ITS

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT 2G The Second Generation Mạng di động thế hệ 2 3G The Third Generation Mạng di động thế hệ 3 4G The Fourth Generation Mạng di động thế hệ 4 8-PSK 8 - Phase Shi

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT iv

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI vii

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .ix

MỞ ĐẦU x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET 1

1.1 Quan niệm mới phát triển các mạng thông tin 1

1.2 Tự cấu hình mạng trong quan niệm mạng IoT 5

1.3 Mạng VANET 7

1.4 Mạng USN 9

CHƯƠNG 2 MẠNG VANET TRONG HỆ THỐNG ITS 12

2.1 Khái niệm về hệ thống ITS 12

2.2 Kiến trúc chức năng, trạm và các phân hệ trong hệ thống ITS 14

2.3 Các công nghệ không dây sử dụng trong mạng VANET 19

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA VANET TRONG ITS 31

3.1 Các phương án tổ chức VANET trong ITS 31

3.2 Ứng dụng của VANET trong ITS 33

KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mạng Viễn thông - Công nghệ thông tin giai đoạn 2000-2020 2

Hình 1.2 Các ví dụ sử dụng mạng USN 2

Hình 1.3 Cấu trúc mô hình mạng SUN 3

Hình 1.4 Cấu trúc IoT 3

Hình 1.5 Kiến trúc WoT 4

Hình 1.6 Cấu trúc M2M 5

Hình 1.7 Kiến trúc mạng tùy biến 6

Hình 1.8 Kiến trúc mạng VANET 8

Hình 1.9 Ví dụ kết nối mạng cảm biến đến mạng công cộng 10

Hình 1.10 Kiến trúc cụm USN 11

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống giao thông thông minh 13

Hình 2.2 Kiến trúc chức năng ITS 14

Hình 2.3 Kiến trúc chức năng trạm ITS 15

Hình 2.4 Kiến trúc ITS của phân hệ phương tiện (xe) 17

Hình 2.5 Kiến trúc phân hệ bên đường 18

Hình 2.6 Các công nghệ không dây sử dụng trong mạng VANET 19

Hình 3.1 Phương án phát theo hướng địa lý 32

Hình 3.2 Phương án phát quảng bá 32

Hình 3.3 Kiến trúc hệ thống thông minh cảnh báo tai nạn giao thông đường bộ 36

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các tham số kỹ thuật cơ bản của hệ thống thông tin di động 2G GSM,

GPRS, EDGE, EDGE Evolution 20

Bảng 2.2 Các tham số kỹ thuật cơ bản của hệ thống thông tin di động 3G WCDMA/HSPA/HSPA+ 22

Bảng 2.3 Các tham số kỹ thuật cơ bản của hệ thống thông tin di động 4G LTE 23

Bảng 2.4 Các thông số cơ bản lớp vật lý của hệ thống WiMAX 24

Bảng 2.5 Các thông số các chuẩn lớp liên kết dữ liệu mạng nội bộ không dây họ 802.11 25

Bảng 2.6 Các tham số kỹ thuật cơ bản của Bluetooth và Bluetooth v2 27

Bảng 2.7 Bảng thống kê các hệ thống không dây sử dụng trong mạng VANET 28

Bảng 3.1 Chọn nhóm các ứng dụng VANET 33

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

2G The Second Generation Mạng di động thế hệ 2

3G The Third Generation Mạng di động thế hệ 3

4G The Fourth Generation Mạng di động thế hệ 4

8-PSK 8 - Phase Shift Keying Khóa dịch pha 8 trạng thái

AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha 2 trạng thái

DPSK Different Phase Shift Keying Khóa dịch pha các trạng thái khác

nhau DSRC Dedicatesd Short Range

Communications

Truyền thông chuyên dụng tầm gần

DSSS Direct Sequence Spread spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

ECU Electronic Control Unit Khối điều khiển điện tử

EDGE Enhanced Data rates for GPRS

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FHSS Frequency Hoping Spread

Spectrum

Trải phổ nhảy tần

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Khóa dịch pha cực tiểu Gauss GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

HANET Home Adhoc Networks Mạng tùy biến trong nhà

HARQ Hybrid Automatic Repeat request Yêu cầu phát lại tự động

HSDPA Hight Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

HSPA Hight Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IoT Internet of Thing Internet cho vạn vật

IPTV Internet Protocol Television Truyền hình IP

IPv4 Internet Protocol version 4 Giao thức liên mạng phiên bản 4

IPv6 Internet Protocol version 6 Giao thức liên mạng phiên bản 6 IPv6-

Architecture Evolution

Tiến hóa dài hạn/tiến hóa kiến trúc dịch vụ

M2M Machine - to - Machine Máy - máy

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MANET Mobile Adhoc Network Mạng Adhoc di động

MBAN Medicine Body Area Network Mạng trong cơ thể người dành cho

y tế MOC Machine Oriented

Communnication

Kết nối hướng thiết bị

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Khóa dịch pha vuông góc bù

PSTN Public Switching Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

R2V Roadside to Vehicular Trạm ven đường - Phương tiện RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng bằng sóng vô tuyến SUN Smart Ubiquitous Network Mạng diện rộng thông minh

TCP/IP Transmission Control

Protocol/Internet Protocol

Giao thức điều khiển lưu lượng/giao thức liên mạng TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

USN Ubiquitous Sensor Network Mạng cảm biến diện rộng

V2I Vehicular to Infrastructure Phương tiện - Hạ tầng

V2R Vehicular to Roadside Phương tiện - Trạm ven đường V2V Vehicular to Vehicular Phương tiện - Phương tiện

VANET Vehicular Adhoc Network Mạng tùy biến dành cho phương

tiện giao thông VMS Variable Message Signs Biển báo biển số xe

VoIP Voice over Internet Protocol Thoại qua IP

WAVE Wireless Access in Vahicular

Environments

Truy nhập không dây trong môi trường phương tiện giao thông WiFi Wireless Fidelity Mạng không dây sử dụng sóng vô

tuyến WiMax Worldwide Interoperability for

Microware Access

Mạng truy cập không dây thành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: “Nghiên cứu mạng VANET và các ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh ITS”

- Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quý Tuấn Anh

Cao Văn Đức Triệu Trung Hiếu Bùi Thị Trang Chu Thị Yến

- Lớp: Kỹ thuật Viễn thông K52 Khoa: Điện - Điện tử

- Người hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Minh

4 Kết quả nghiên cứu:

 Các phương án tổ chức mạng VANET trong hệ thống ITS

 Ứng dụng của mạng VANET trong hệ thống ITS

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

 Tăng độ an toàn và hiệu quả các quá trình vận tải;

 Cải thiện lưu lượng thông qua và tối ưu hóa mạng các tuyến đường;

 Giảm hậu quả và rủi ro xuất hiện trong các tình huống bất thường;

 Cung cấp các thông tin cho các người tham gia giao thông và cho các trung tâm quản lý giao thông về tình trạng trên các tuyến đường

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp

chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN

Họ và tên: Chu Thị Yến

Sinh ngày: 04 tháng 10 năm 1993

Nơi sinh: Quảng Minh - Việt Yên - Bắc Giang

Lớp: Kỹ thuật Viễn thông Khóa: 52

Khoa: Điện - Điện tử

Địa chỉ liên hệ: Quảng Minh - Việt Yên - Bắc Giang

Điện thoại: 01696.769.662 Email: yenk52bg@gmail.com

II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP

* Năm thứ 1:

Ngành học: Kỹ thuật Viễn thông Khoa: Điện - Điện tử

Kết quả xếp loại học tập: Điểm TBC tích lũy : 3.23/4

* Năm thứ 2:

Ngành học: Kỹ thuật Viễn thông Khoa: Điện - Điện tử

Kết quả xếp loại học tập: Điểm TBC tích lũy : 3.66/4

* Năm thứ 3:

Ngành học: Kỹ thuật Viễn thông Khoa: Điện - Điện tử

Kết quả xếp loại học tập: Điểm TBC tích lũy : 3.69/4

* Năm thứ 4:

Ngành học: Kỹ thuật Viễn thông Khoa: Điện - Điện tử

Kết quả xếp loại học tập: Điểm TBC tích lũy : 3.95/4

MỞ ĐẦU

Ngày nay, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới Những chiếc điện thoại đi động tiên tiến ra đời tương thích với các thế hệ di động tiên tiến Mô hình mạng MANET (Mobile Adhoc Network) đã được triển khai và ứng dụng phổ biến tại thị trường Việt Nam từ nhiều năm nay Nó giúp cho các thiết bị di động có thể kết nối với nhau mọi lúc mọi nơi dựa trên công nghệ truy cập của mạng Ad Hoc mà không cần thiết phải triển khai cơ sở hạ tầng phức tạp Tuy nhiên, không dừng ở đó, thế giới đang tiến tới một công nghệ mới hơn, đó chính

là mạng di động tùy biến VANET (Vehicular Ad hoc Network) Với mạng di động tùy biến VANET, nhiều nước đã đưa vào hệ thống giao thông thông minh Mỗi chiếc xe chuyển động trên đường được coi như một node mạng, chúng trao đổi thông tin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc nói chung và của mạng VANET nói riêng Việc triển khai mạng VANET trong hệ thống giao thông là rất thực tế và hữu dụng Nhờ công nghệ này, tình trạng tắc đường, tai nạn giao thông sẽ được kiểm soát Việc thu phí đường cũng trở nên nhanh gọn và dễ kiểm soát hơn mà không cần tốn nhân lực

Từ đó nhóm em chọn đề tài “Nghiên cứu mạng VANET và các ứng dụng trong hệ

thống giao thông thông minh ITS” để có cái nhìn tổng quan về mạng VANET và các

ứng dụng của nó trong lĩnh vực giao thông đường bộ

 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

 Nghiên cứu mạng VANET và các công nghệ không dây được sử dụng

 Nghiên cứu hệ thống ITS về kiến trúc chức năng, trạm và các phân hệ

 Các phương án tổ chức của mạng VANET trong hệ thống ITS

 Các nhóm ứng dụng được đưa ra theo ITU-T và ETSI

 Ứng dụng của VANET trong hệ thống thông minh cảnh báo tai nạn giao thông

 Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích kết hợp nghiên cứu lý thuyết cơ sở và dựa vào các bài báo, báo cáo chuyên môn, sách tham khảo mới đăng tải trên các tạp chí, hội thảo quốc tế để giải quyết các vấn đề đưa ra trong báo cáo

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu mạng VANET và các ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh ITS với ứng dụng cụ thể trong hệ thống cảnh báo tai nạn giao thông

 Kết cấu của báo cáo: Báo cáo gồm 3 chương:

 Chương 1: Tổng quan về mạng VANET

 Chương 2: Mạng VANET trong hệ thống ITS

 Chương 3: Ứng dụng của VANET trong ITS

Do còn hạn chế về kiến thức và chưa có kinh nghiệm thực tế nên bài nghiên cứu không tránh khỏi những sai sót, chúng em rất mong được các Thầy cô chỉnh sửa và góp ý để bài nghiên cứu được hoàn chỉnh hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn sự

hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Cảnh Minh và các Thầy cô trong bộ môn đã giúp

nhóm em thực hiện nghiên cứu này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET

Chương 1 gồm các nội dung: Quan niệm mới phát triển các mạng thông tin; Tự cấu hình mạng trong quan niệm mạng IoT; Mạng VANET; Mạng USN Trước tiên là giới thiệu về xu hướng phát triển của mạng viễn thông trong giai đoạn 2010-2020, sau

đó đưa ra khái niệm mạng tự cấu hình Ad Hoc và những nét khái quát về mạng tùy biến trong xe hơi VANET và mạng cảm biến diện rộng USN

1.1 Quan niệm mới phát triển các mạng thông tin

Khái niệm mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Networks) được đưa vào sử

dụng và công nhận từ rất lâu Thuật ngữ này càng được sử dụng rộng rãi chính là do

nó không chỉ ra cụ thể chỉ chính một công nghệ mạng này hoặc công nghệ mạng khác Cho đến đầu năm 2013, đã có hơn 100 khuyến nghị của ITU cho NGN giai đoạn 1 (NGN Release 1) dựa trên công nghệ chuyển mạch mềm Tiếp theo ITU đã bắt đầu các công việc cho NGN giai đoạn 2 (NGN Release 2) dựa trên quan niệm phân hệ đa phương tiện IMS Với NGN vào những năm khác nhau người ta đưa vào các công nghệ mới, điển hình như:

 Mạng thoại - IP Н.323, và mạng được cải biến của chúng xây dựng trên cơ sở

giao thức SIP;

 Mạng thế hệ 3G của thông tin di động với công nghệ UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System) và các kiến trúc mạng với chuyển mạch mềm

Softswitch và các cổng đa phương tiện;

 Mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access);

và chính trong những năm gần đây nhất:

 Phân hệ đa phương tiện IMS (IP Multimedia Subsystem);

 Kiến trúc mạng mới LTE/SAE (Long Term Evolution/Service Architecture Evolution)

Mạng viễn thông - công nghệ thông tin cho hai mươi năm đầu thế kỷ 21 có thể đưa ra trên hình 1.1

Trong thời kỳ phát triển mạnh quan niệm NGN trong những năm 2000, các cấu

trúc mạng của các mạng cảm biến không dây diện rộng USN (Ubiquitous Sensor

Networks) đã được đưa vào NGN như một thành phần Tuy nhiên sự phát triển nhanh

chóng của công nghệ mới này, sự xuất hiện quan niệm IoT (Internet of Things) và

WoT (Web of Things) đã đưa đến việc xem xét lại triển vọng phát triển của các mạng

cảm biến, còn theo các dự đoán mới đây số các thiết bị không dây sẽ là 7 nghìn tỷ trên

7 tỷ người tính đến năm 2017-2020

Hình 1.1 Mạng Viễn thông - Công nghệ thông tin giai đoạn 2000-2020

Hình 1.2 đưa ra ví dụ sử dụng các nút cảm biến, kể cả các bộ nhận dạng tần số vô tuyến RFID, trong số đó có các ứng dụng mới nhất của USN như giám sát tăng trưởng của động vật và thực vật

USN

Mạng tự động hóa trong tòa nhà

Mạng tự động hóa trong sản xuất Mạng logistic

Mạng cho các phương tiện giao thông

Mạng thu thập

dữ liệu trong môi trường

Mạng trong

cơ thể người Giám sát sự tăng

trưởng động vật

Giám sát sự tăng trưởng thực vật

Mạng cho lĩnh vực nông nghiệp

Bộ phận chuẩn hóa tổ chức viễn thông quốc tế ITU vào đầu năm 2011 đã xem xét khả năng thay thế quan niệm NGN bằng quan niệm mạng thông minh rộng khắp

SUN (Smart Ubiquitous Networks), bao gồm quan niệm NGN như một thành phần

Cấu trúc mô hình SUN được miêu tả ở hình 1.3

Hình 1.3 Cấu trúc mô hình mạng SUN

Trong thành phần của mô hình SUN gồm có IoT, mạng NGN mà được mô hình hóa đến lớp hỗ trợ kết nối hướng thiết bị МОС (Machine Oriented Communications),

các mạng nano, các mạng VANET (mạng của các phương tiện giao thông ) và các

mạng thiết bị - thiết bị М2М (Machine-to-Machine)

Ở hình 1.4 miêu tả cấu trúc mạng IoT gồm các kiến trúc mạng USN được xây

dựng trên cơ sở giao thức IPv6 - 6LoWPAN (Low energy IPv6 based Wireless

Personal Area Networks protocol - IPv6 năng lượng thấp dựa trên giao thức mạng cá nhân không dây) Giao thức IPv6 - 6LoWPAN đảm bảo khả năng gắn địa chỉ IP cho

các nút cảm biến hoặc các nhóm cảm biến và RFID

Things Blocker đóng vai trò then chốt trong sử dụng web Web of Things Blocker cho phép sử dụng web để bắt đầu kết nối đến các vật dụng này cũng như cho các vật dụng khác mà chúng cần các cổng GW tương ứng, ví dụ đối với các vật dụng hoạt động theo giao thức Zigbee hoặc Bluetooth Trong hình 1.5, các ứng dụng của WoT được chia thành giám sát, điều khiển, dịch vụ, hỗn hợp…

CÁC ỨNG DỤNG

Hình 1.5 Kiến trúc WoT

Hình 1.6 đưa ra cấu trúc mạng M2M Rõ ràng, khác biệt cơ bản của M2M với IoT là ở chỗ M2M hỗ trợ tất cả các khả năng tương tác giữa các thiết bị mà địa chỉ IP không phải là điều kiện để thiết lập kết nối Cũng cần nhấn mạnh rằng, trong ITU-T có các khuyến nghị, xem M2M như hệ thống con của IoT

Hình 1.6 Cấu trúc M2M

Các nút cảm biến và RFID hoạt động theo giao thức IEEE 802.15.4, Bluetooth và các thiết bị UWB, được xem như các thiết bị không hỗ trợ địa chỉ IP Khi có các cổng tương ứng, các thiết bị có thể kết nối đến các mạng IoT

Ứng dụng rộng rãi giao thức IPv6 với số lượng địa chỉ không hạn chế cùng với

sử dụng giao thức 6LoWPAN giúp giải quyết vấn đề địa chỉ hóa cho các thiết bị không dây Chuẩn hóa trong lĩnh vực các mạng y tế cũng hướng đến các nguyên tắc sử dụng mạng IoT

1.2 Tự cấu hình mạng trong quan niệm mạng IoT

Dự đoán sự phát triển của các công nghệ không dây cho thấy, số các nút cảm biến đa dạng đến năm 2017 đạt con số là 7 nghìn tỷ Ngày hôm nay các mạng hiện có được xây dựng để phục vụ hàng tỷ người nhưng không chỉ hàng nghìn tỷ thiết bị Qua một số năm trên thế giới các nghiên cứu đã hướng đến xây dựng các mạng theo các nguyên tắc khác so với mạng hiện tại Nói về các mạng tự tổ chức (tùy biến), mà chúng, khác với các mạng thông tin truyền thống, không có kiến trúc hạ tầng cụ thể ở trong khoảng chu kỳ thời gian nào đó

Mạng tùy biến được gọi là mạng, mà trong đó số các nút là đại lượng ngẫu nhiên theo thời gian và có độ dài thay đổi từ 0 đến giá trị Nmax nào đó Các mối liên hệ qua lại giữa các nút ở mạng này cũng mang tính ngẫu nhiên theo thời gian và được tạo thành mạng để đạt được mục đích nào đó hoặc để truyền thông tin vào mạng công cộng hoặc vào mạng khác

Kiến trúc mạng tùy biến được đưa ra trên hình 1.7

Hình 1.7 Kiến trúc mạng tùy biến

Mạng tùy biến cũng như tất cả các mạng thông tin, gồm các mạng truy nhập và mạng chuyển tiếp

Mạng truy nhập được gọi là mạng Ad Нос (mạng đích), còn mạng chuyển tiếp -

là mạng mesh (mạng mắt lưới, tế bào) Như thấy trên hình 1.7, các nút của mạng Ad

Нос không có các chức năng định tuyến và có thể kết nối qua lại chỉ với các nút gần nhất Vì thế các nút Ad Нос thường gọi là các nút con Tiếp đó, ở sự tự cấu hình mạng, hoàn toàn không có nghĩa là nút con bị trói buộc đến nút mẹ có thể gần nhất bất kỳ, mà

ở các điều kiện xác định tự nó có thể chuyển hóa tạm thời hoặc luôn luôn chuyển hóa thành nút mẹ, ví dụ trong các mạng không dây cùng loại

Xuất phát từ mạng tùy biến Ad Hoc người ta đưa ra khái niệm về mạng tùy biến

di động MANET (Mobile Ad-hoc Network) là hệ thống mạng tự cấu hình của các định tuyến di động sử dụng các kết nối không dây Mạng MANET là một mạng trong đó các nút mạng có thể di chuyển tự do và không lệ thuộc vào bất kỳ nút mạng hay thiết

bị mạng nào Môi trường mạng này có thể thiết lập dễ dàng ở bất kỳ nơi nào và không tốn nhiều chi phí Trong môi trường mạng này, hai nút mạng có thể liên lạc trực tiếp với nhau nếu chúng nằm trong vùng phủ sóng của nhau Ngược lại, nếu hai nút mạng

xa nhau muốn trao đổi dữ liệu với nhau thì chúng cần sự hỗ trợ của các nút mạng lân cận để chuyển tiếp thông tin Một mạng MANET có thể hoạt động độc lập, cũng có thể kết nối vào một mạng lớn hơn như là Internet

Nút mẹ

Nút con

Ad Hoc Mesh

Các cổng

MẠNG CHUNG

Các nút mesh có gắn các chức năng định tuyến và có thể hỗ trợ thiết lập kết nối không chỉ đến nút gần nhất, mà đến nhiều nút khác Chế độ như vậy của mạng được gọi là multi-hop (kết nối nhiều bước) khác biệt với kết nối các nút con của mạng Ad Нос được tổ chức thiết lập kết nối một bước (one-hop)

Các nút Mesh thường được gọi đầy đủ là các nút mẹ, điều này nhấn mạnh chức năng chuyển tiếp của mạng Rõ ràng, các nút của mạng tự tùy biến có thể kết hợp các chức năng mẹ và con ví dụ giống các tổng đài thoại tự động kết hợp đường dài và khu vực

Trên cơ sở quan niệm IоТ là các mạng tùy biến, trong số các ứng dụng của mạng tùy biến có thể chia thành các mạng có hiện nay như:

 Mạng cảm biến không dây diện rộng USN;

 Mạng của các phương tiện giao thông VANET (Vehicular Ad Hoc Networks);

 Mạng tùy biến trong nhà HANET (Home Ad Hoc Networks);

 Mạng MBAN (Medicine Body Area Network)

1.3 Mạng VANET

Nghiên cứu mạng Ad Hoc dành cho các phương tiện giao thông VANET (Vehicular Adhoc Network) là một trong các hướng có nhiều triển vọng nhất trong phát triển các hệ thống truy nhập không dây

Mạng VANET thuộc nhóm mạng Ad Hoc di động MANET Nó có một loạt các đặc thù (xét cả về quan điểm sử dụng cũng như quan điểm các giao thức được sử dụng) Tuy nhiên cần phải nhận thấy mặc dù gọi là VANET, nhưng ở mạng này xem xét không chỉ chế độ hoạt động Ad hoc mà còn cả chế độ phối hợp khi mà các phần tử mạng VANET có thể kết nổi với các nút kiến trúc hạ tầng của mạng Ngoài ra, việc sử dụng rộng rãi các cảm biến để thu nhận thông tin khác nhau trong các mạng giao thông đường bộ cũng được xem xét đến

Mạng VANET là một trong các thành phần nền tảng của hệ thống giao thông thông minh ITS Trong thành phần ITS cùng với VANET còn gồm:

 Hệ thống định vị vệ tinh (GLONASS/GPS/GALILEO);

 Mạng thông tin di dộng với các chuẩn khác nhau;

 Cơ sở hạ tầng ven đường;

 Các hệ thống tương tác và thanh toán trên cơ sở giao thức DSRC;

 Các hệ thống gọi khẩn cấp trong trường hợp tình huống hư hỏng - tai nạn e-call

và ERA-GLONASS

Trên hình 1.8 là sơ đồ kiến trúc mạng VANET

Hình 1.8 Kiến trúc mạng VANET

Mạng công cộng NGN

IEEE 802.15.1 Bluetooth GeoNetworking

IEEE 802.11p IEEE 802.11 Wifi 2G/3G/4G

Vùng phủ ITS Trạm ITS

GLONASS/GPS/GALINEO

Trạm trung tâm ITS

Việc chuẩn hóa ITS, bao gồm cả VANET, hiện nay được thực hiện bởi tất cả các

tổ chức chuẩn hóa hàng đầu:

 ITU-T đưa ra khuyến nghị Y2281 “Cấu trúc dịch vụ và ứng dụng sử dụng tài nguyên NGN cho mạng lưới các phương tiện giao thông”

 ETSI đưa ra các chuẩn sêri 102 636 cho kiến trúc và các giao thức ITS, sêri

 102 637 cho các ứng dụng và dịch vụ

 Tổ chức chuẩn hóa Châu Âu CEN đã đưa ra các tiêu chuẩn cho giao thức DSRC

 ISO và IETF là các thành viên của đề án GeoNET, thực hiện các công việc của chương trình № 7 - phát triển cộng đồng chung Châu Âu

1.4 Mạng USN

Trong mục 1.2 đã đưa ra khái niệm mạng Ad Нос Cần nhấn mạnh mạng Ad Нос

là mạng tự cấu hình mà trong đó số các phần tử mạng không cố định, trong trường hợp chung, có thể thay đổi trong giới hạn từ 0 đến Nmах

Các mạng cảm biến không dây chính là một ví dụ như vậy của các mạng Ad hoc

tự cấu hình Ở nó không có hạ tầng cơ sở chung trừ các cổng liên hệ với các mạng khác Mỗi nút mạng cảm biến cần có khả năng hoạt động như một nút đầu cuối và cũng như một nút chuyển tiếp Rõ ràng, việc truyền dữ liệu vào các mạng cảm biến được thực hiện bằng cách chuyển lại hướng đến nút gần nhất từng bước một

Các mạng như vậy được gọi là mạng đa bước nhảy (multi-hop) Cần nhấn mạnh,

rằng có thể có các thuật toán định tuyến phức tạp hơn, khi nút tiếp theo được chọn trên

cơ sở phân tích các đặc tính của nó, ví dụ, tiêu hao năng lượng, độ tin cậy, … Khi có

các nút cảm biến di động kiến trúc của mạng cảm biến tùy biến trở nên “động”

Trong các mạng cảm biến được xác định như mạng phân phối gồm các nút nhỏ không dây với chức năng giới hạn trong một số lượng lớn (ngẫu nhiên) trên bề mặt hoặc phạm vi nào đó (hình 1.9) Như vậy, mạng cảm biến là một tập hợp tương đối lớn của các cảm biến không dây được phân bố trong trong phạm vi nào đó với một mật độ cao Ở phạm vi vùng phủ tín hiệu vô tuyến thuộc mỗi cảm biến cần có ít nhất một cảm

biến nữa, trường hợp này cảm biến gọi là cảm biến lân cận Càng nhiều “lân cận” ở

mỗi cảm biến, thì mạng cảm biến có độ chính xác và độ tin cậy càng cao - rõ ràng, rằng cảm biến với chức năng giới hạn bị giới hạn bởi phạm vi thu, công suất tính, bộ nhớ và nguồn Các công nghệ truy nhập sử dụng trong các cảm biến dựa trên chuẩn

802.15.4, cho phép truyền dữ liệu qua một khoảng cách đến vài chục mét

NGN Internet

Người sử dụng Người sử dụng

Người sử dụng Người sử dụng

Cổng

Cổng

Máy chủ + Bảo mật thông tin

Mạng cảm biến

Hình 1.9 Ví dụ kết nối mạng cảm biến đến mạng công cộng

Hiển nhiên, rằng số lượng các cảm biến “lân cận” của mỗi cảm biến càng lớn, thì mạng cảm biến có độ chính xác và độ ổn tin cậy càng cao - vì thế, giả thiết rằng trong khoảng không gian nào đó, trong đó xây dựng mạng cảm biến, các cảm biến sẽ được phân bố với mật độ đủ lớn, tương ứng, với một số lượng lớn Mạng này, theo qui định,

có kết nối đến mạng sử dụng chung để truyền dữ liệu nhận được Kết nối được thực hiện bằng một số cổng mà đồng thời có thể thực hiện chức năng bảo mật Rõ ràng cổng thường không là cảm biến mà là nút mạng ổn định hơn (với quan niệm nguồn cấp

và tài nguyên) Dữ liệu có thể được truyền để xử lý ở các máy chủ, cũng như trực tiếp cho người sử dụng có nhu cầu Dễ thấy rằng, mạng cảm biến cấu tạo từ một số các cảm biến cần được cấu trúc, bởi vì một số dung lượng lớn thông tin được truyền có thể làm giảm độ tin cậy của chính các nút mà chúng được đặt rất gần cổng - truyền thường xuyên dữ liệu chuyển tiếp có thể làm hỏng nguồn cung cấp, còn dung lượng lưu lượng lớn - làm quá tải bộ đệm thu

Tổ chức cụm là tổ chức qui mô và được cho là hiệu quả để giải quyết các vấn đề tương tự (hình 1.10), nhưng chỉ trong điều kiện chọn nút chủ hợp lý trong mạng cụm

và vào thời điểm thích hợp

Cụm 1

Cụm 2

Cụm 3

Nút chủ Nút cảm biến

Đầu cuối người

sử dụng KPK

NGN hoặc Internet

Cổng

Hình 1.10 Kiến trúc cụm USN

Mặc dù mạng cảm biến USN có rất nhiều điểm tương đồng với các mạng có dây

và mạng tùy biến (Ad hoc), tuy nhiên, chúng vẫn có những đặc điểm riêng USN

không có cấu hình cố định, bị giới hạn bởi kích thước - giá thành cảm biến và các tài

nguyên khác như: năng lượng, bộ nhớ, công suất tính toán Việc nghiên cứu các thuật

toán định tuyến mới cho USN luôn mang tính cấp thiết và luôn được các nhà nghiên

cứu, sản xuất và các tổ chức chuẩn hóa quan tâm

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Xu hướng phát triển của mạng viễn thông – công nghệ thông tin trong giai đoạn

2010-2020 là mạng thông minh diện rộng SUN Cấu trúc mạng SUN gồm các mạng

IoT, VANET, M2M, NGN và mạng Nano Trên cơ sở quan niệm IoT là các mạng tùy

biến, mạng VANET và mạng SUN là hai trong số những ứng dụng của mạng tùy biến

CHƯƠNG 2 MẠNG VANET TRONG HỆ THỐNG ITS

Khái niệm VANET đã được làm rõ ở chương 1 Trong chương 2 này sẽ đi tìm hiểu về hệ thống giao thông thông minh ITS và các công nghệ không dây sử dụng cho mạng VANET trong hệ thống giao thông thông minh ITS Nội dung nghiên cứu gồm:

 Khái niệm về hệ thống ITS

 Kiến trúc chức năng, trạm và các phân hệ trong hệ thống ITS

 Các công nghệ không dây sử dụng trong mạng VANET

2.1 Khái niệm về hệ thống ITS

Hệ thống giao thông thông minh bắt đầu được sử dụng ở Mỹ, Nhật và Châu Âu vào đầu năm 1960 ở Mỹ, Nhật và Châu Âu với mục đích :

 Tăng độ an toàn và hiệu quả các quá trình vận tải;

 Cải thiện lưu lượng thông qua và tối ưu hóa mạng các tuyến đường thành phố;

 Cải thiện môi trường sinh thái bằng cách giảm chất thải từ các phương tiện giao thông;

 Giảm hậu quả và rủi ro xuất hiện trong các tình huống bất thường;

 Cung cấp các thông tin cho các người tham gia giao thông và cho các trung tâm quản lý giao thông về tình trạng trên các tuyến đường

Ở Mỹ các hệ thống này gọi là ITS (Intelligent Transportation Systems) Ở Châu

Âu gọi là hệ thống “Telematics trong giao thông” Trên toàn thế giới các hệ thống này được xác định như tổ hợp các hệ thống tự động hóa kết nối giải quyết các vấn đề quản

lý giao thông tuyến đường, giám sát và quản lý hoạt động của tất cả các dạng giao thông (cá nhân, tập thể, chở hàng), thông tin về các dịch vụ vận chuyển, …

Hệ thống giao thông thông minh bao gồm các dữ liệu công nghệ thông tin khác nhau và tất cả các loại hình thông tin trong các phương tiện giao thông, giữa các phương tiện giao thông cũng như giữa các phương tiện giao thông và cơ sở hạ tầng bên đường

Tuy nhiên ITS không giới hạn chỉ giao thông đường bộ, mà còn bao gồm việc sử dụng các công nghệ truyền thông và công nghệ thông tin cho giao thông đường sắt, đường thủy, trong số đó có hệ thống định vị

Công nghệ không dây và các giao thức đặc thù để truyền các dữ liệu được chuẩn

hóa bởi ETSI là nền tảng của tất cả các dịch vụ thông tin Ứng với chuẩn ETSI

302665, trên hình đưa ra kiến trúc hệ thống giao thông thông minh

Mạng của các trạm ITS là nền tảng cơ bản của hệ thống Các trạm ITS qua các

nút cổng kết nối tất cả các phân hệ với các mạng tổng và các mạng công cộng Tương tác của tất cả các phần tử của hệ thống được thực hiện theo công nghệ không dây, mà các chuẩn được mô tả trên hình 2.1 Lõi của hệ thống là trạm trung tâm ITS thực hiện quản lý toàn cầu lưu lượng tuyến đường và đảm bảo an toàn giao thông

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống giao thông thông minh

Các công nghệ cơ bản được ITS sử dụng đối với lĩnh vực đường bộ là:

 Công nghệ viễn thông gồm công nghệ thông tin di động, công nghệ thu thập, lưu giữ và xử lý thông tin trên máy tính;

 Công nghệ định vị và tọa độ - thời gian;

 Công nghệ thông tin địa lý

Công nghệ viễn thông: Đảm bảo truyền dữ liệu trong vùng hoạt động của các hệ

thống giao thông thông minh Các yêu cầu chính cần đảm bảo là:

 Vùng hoạt động của các dịch vụ viễn thông được cung cấp;

Nút truy nhập

Phân hệ bên đường

Phân hệ

cá nhân

Mạng NGN

Mạng tổng VANET

Phân hệ

XE

Trạm ITS

IEEE 802.11 Wifi IEEE 802.11p IEEE 802.15.1 Bluetooth IEEE 802.15.4 ZigBee

TCP/IP 2G/3G/4G GeoNetworking

Công nghệ định vị và tọa độ - thời gian: Được sử dụng để xác định tọa độ địa

lý, tốc độ, hướng đi các phương tiện giao thông được giám sát Áp dụng công nghệ định vị và tọa độ - thời gian của phương tiện dựa trên cơ sở sử dụng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

Công nghệ thông tin địa lý: Chúng đảm bảo khả năng thể hiện thông tin về sự di

chuyển của phương tiện được giám sát trên máy tính nhờ sử dụng bản đồ khu vực ở dạng điện tử cũng như sử dụng các thông tin hiện thời khi giải quyết các vấn đề quản

lý Công nghệ thông tin địa lý đảm bảo thiết lập tự động, lưu giữ và hỗ trợ (ở) trạng thái cấp thiết thông tin bản đồ cần thiết ở khu vực

2.2 Kiến trúc chức năng, trạm và các phân hệ trong hệ thống ITS

2.2.1 Phân hệ chức năng

Kiến trúc chức năng của hệ thống giao thông thông minh với mạng nội bộ các trạm ITS được đưa ra trên hình 2.1 Mạng nội bộ ITS đảm bảo cung cấp cho người sử dụng một danh sách đầy đủ các dịch vụ ITS, được kết nối với:

 Mạng tổng VANET;

 Các mạng riêng;

 Các mạng truy nhập ITS;

 Các mạng truy nhập của mạng công cộng;

 Mạng truy nhập của các mạng viễn thông để liên lạc với mạng lõi dùng chung hoặc mạng Internet

Hình 2.2 Kiến trúc chức năng ITS

Mạng ấn định

(VANET)

Mạng riêng

Mạng nội bộ ITS

Mạng chung

và/hoặc

Internet

Mạng truy nhập thuộc công cộng

Mạng truy nhập ITS

Mạng truy nhập từng phần