CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG CHUYÊN DỤNG tầm gần DSRC và ỨNG DỤNG TRONG hệ THỐNG ITS

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong đồ án là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Đồ án là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Trong các nội dung của đồ án, những điều được trình bày là kết quả của cá nhân hoặc là kết quả tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau. Những kết quả nghiên cứu của cá nhân đều được chỉ ra rõ ràng trong đồ án. Các thông tin tổng hợp hay các kết quả lấy từ nhiều nguồn tài liệu khác đều được trích dẫn đầy đủ và hợp lý. Tất cả tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Người cam đoan Cao Văn Đức ii LỜI NÓI ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài: Giao thông luôn luôn là một vấn đề được quan tâm rất nhiều ở mọi thành phố, mọi quốc gia trên thế giới. Hàng năm, hệ thống giao thông trên toàn thế giới ngày càng được cải thiện và phát triển hiện đại hơn. Tuy hệ thống giao thông trên toàn thế giới đang được cải thiện và phát triển không ngừng nhưng vẫn còn nhiều thử thách gian nan về giảm thiểu tai nạn, tắc nghẽn, đòi hỏi một hệ thống giao thông thông minh hơn hiện đaại hơn và đó chính là lý do để hệ thống giao thông thông minh ITS ra đời. Hệ thống giao thông thông minh ITS là ứng dụng của những công nghệ tính toán, thông tin và liên lạc trong việc quản lý xe cộ và các mạng lưới có liên quan đến sự di chuyển của người và hàng hóa trong thời gian thực. Hệ thống giao thông thông minh ITS nhanh chóng được nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có cả Việt Nam thử nghiệm, triển khai và thu được những kết quả có lợi nhiều hơn mong muốn như: giảm thiểu được tai nạn, tắc nghẽn, thu được phí, đã giảm chi phí ngân sách nhà nước, giảm thiệt hại về người và của, tăng tính an toàn cho người và phương tiện khi tham gia giao thông. Để làm cho hệ thống giao thông thông minh ngày càng hoàn thiện hơn chúng ta cần sử dụng một loại công nghệ có khả năng nhận thức môi trường xung quanh bằng cách giao tiếp giữa các xe hoặc giữa các xe và trạm. Một trong những công nghệ đang góp phần giúp hệ thống giao thông ITS hoàn thiện hơn là “Công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC”. DSRC là một giao thức truyền thông không dây tầm gần được thiết kế đặc biệt nhằm thiết lập kết nối giữa các phương tiện tham gia giao thông với các trạm cố định như: trạm thu phí, đèn tín hiệu giao thông, những điểm giao cắt với đường sắt, hay thậm chí là với các loại phương tiện khác. Công nghệ này đã thỏa mãn được nhiều yêu cầu của nhiều phần tử trong hệ thống giao thông thông minh. Do đó, việc nghiên cứu đề tài là rất cần thiết. iii II. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi bản báo cáo này tôi sẽ tập chung đi sâu về phần cấu trúc của công nghệ và ứng dụng của công nghệ này vào việc triển khai trong hệ thống ITS hiện nay. III. Phƣơng pháp nghiên cứu: Các phương pháp sau đây được áp dụng để giải quyết các vấn đề nghiên cứu: - Tập hợp các lý thuyết, tài liệu được công bố của các nước. - Thu thập các tài liệu của các tổ chức tiêu chuẩn. - Phân tích, đánh giá công nghệ. Tìm hiểu khả năng ứng dụng của công nghệ trong hệ thống giao thông thông minh ITS. - Đề xuất áp dụng trong hệ hệ thống giao thông thông minh ITS. IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu, hiểu được rõ cấu trúc hệ thống, ưu điểm, nhược điểm của công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC để có thể kiến nghị áp dụng cho hệ thống giao thông thông minh ITS. V. Kết cấu của đề tài: Chƣơng 1. “Tổng quan công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC”. Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ DSRC với khái niệm, lịch sử hình thành và các đặc điểm của công nghệ. Chƣơng 2. “Công nghệ DSRC”. Trong chương này giới thiệu về cấu trúc hệ thống công nghệ DSRC, giao thức ngăn xếp của công nghệ và các quy chuẩn trong và ngoài nước cho công nghệ DSRC. Chƣơng 3. “Ứng dụng của công nghệ DSRC trong hệ thống giao thông thông minh ITS”. Chương 3 sẽ giới thiệu về khái niệm, kiến trúc và các ứng iv dụng của hệ thống giao thông thông minh ITS và các ứng dụng mà công nghệ DSRC sử dụng trong giao thông thông minh ITS. Hà Nội, ngày 4 tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện Cao Văn Đức v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN i LỜI NÓI ĐẦU ii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG CHUYÊN DỤNG TẦM GẦN DSRC 1 1.1 Khái niệm DSRC 1 1.2 Lịch sử hình thành công nghệ DSRC 7 1.3 Các đặc điểm của công nghệ DSRC 11 1.4 Kết luận chương 16 CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ DSRC 17 2.1. Cấu trúc hệ thống công nghệ DSRC 17 2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống 18 2.1.1.1 Hoạt động của RSU 18 2.1.1.2 Hoạt động của OBU 19 2.1.1.3 Giao diện người dùng 20 2.1.1.4 Hoạt động của GPS 22 2.1.2 Truyền thông giữa RSU và OBU 22 2.1.2.1 Pha kết hợp 24 2.1.2.2 Pha truyền thông 25 2.1.3 Trạm di động OBU 25 2.1.3.1. Các yêu cầu kỹ thuật đối với OBU 26 2.1.3.2. Yêu cầu về chức năng 28 vi 2.1.3.3. Yêu cầu về cấu tạo 28 2.1.3.4. Giao diện thông tin liên lạc 28 2.1.4 Trạm cố định RSU 29 2.1.4.1. Các yêu cầu kỹ thuật đối với trạm RSU 30 2.1.4.2. Yêu cầu về chức năng 34 2.1.4.3. Yêu cầu về cấu tạo 34 2.1.4.4. Yêu cầu về giao diện thông tin liên lạc 35 2.2 Giao thức ngăn xếp của DSRC 35 2.2.1 Lớp vật lý của DSRC 36 2.2.1.1 Chức năng phụ thuộc môi trường vật lý của OFDM 37 2.2.1.2 Chức năng trình tự hội tụ vật lý của OFDM 40 2.2.2 Lớp liên kết dữ liệu của DSRC 40 2.2.2.1 Lớp điều khiển truy nhập MAC 40 2.2.2.2 Lớp điều khiển liên kết logic 44 2.2.3 Lớp ứng dụng 48 2.3 Giao thức CSMA/CA 48 2.4 Giao thức TCP/IP 49 2.5 Kỹ thuật OFDM 51 2.6 Wifi IEEE 802.11p 53 2.7 Các tiêu chuẩn 55 2.7.1Viện kỹ thuật Điện và Điện tử - IEEE 55 2.7.2 Liên minh viễn thông quốc tế - ITU 55 2.7.3 Tổ chức Tiêu chuẩn Châu Âu – CEN 55 2.7.4 Tiêu chuẩn bắc Mỹ 56 2.7.5 Tiêu chuẩn Nhật Bản. 56 2.8 Kết luận chương 57 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DSRC TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS 58 vii 3.1 Hệ thống giao thông thông minh ITS 58 3.1.1 Khái niệm hệ thống giao thông thông minh ITS 58 3.1.2 Lợi ích của hệ thống giao thông thông minh ITS 59 3.1.3 Kiến trúc chức năng, trạm và các phân hệ trong hệ thống ITS 60 3.1.3.1 Kiến trúc chức năng hệ thống giao thông thông minh ITS 60 3.1.3.2 Các phương thức truyền thông trong ITS 62 3.1.3.3 Phân hệ phương tiện 63 3.1.4 Các ứng dụng của hệ thống ITS 65 3.1.4.1 Thông tin hành khách 65 3.1.4.2 Quản lý giao thông và phương tiện 69 3.1.4.3 Thanh toán điện tử 72 3.1.4.4 An toàn và an ninh 74 3.2 Ứng dụng của công nghệ DSRC trong hệ thống thu phí điện tử ETC 78 3.2.1 Khái niệm hệ thống thu phí điện tử ETC 78 3.2.2 Phương thức thu phí điện tử ETC 79 3.2.2.1 Thu phí điện tử trả trước 79 3.2.2.2 Thu phí điện tử trả sau 79 3.2.3 Hoạt động của hệ thống ETC 80 3.3 Ứng dụng công nghệ DSRC trong cảnh báo va chạm 82 3.4 Ứng dụng công nghệ DSRC trong liên lạc cảnh báo thông qua Smartphone. 86 3.5 Kết luận chương 89 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 90 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 91 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT 91 LỜI CẢM ƠN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 viii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Tiếng Việt AGC Automatic Gain Control Điều khiển tự động ACR Adjacent Channel Rejection Loại bỏ kênh lân cận ARIB Association of Radio Industries and Businesses Tiêu chuẩn của Nhật Bản ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ ASTM American Society for Testing and Materials Hiệp Hội Thử Nghiệm Vật Liệu Mỹ BSM Basic Safety Message Bản tin an toàn cơ sở BSS Basic Service Set Thiết lập dịch vụ cơ sở BSSID BSS Identifier Nhận dạng BSS CA Certificate Authority Xác thực chứng nhận CCH Control Channel Kênh điều khiển CEN European standardization organisation Tổ chức tiêu chuẩn Châu Âu CID Communication Interface Device Thiết bị giao diện truyền thông CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang DS Distribution System Hệ thống phân phối DSRC Dedicated Short Range Communication Truyền thông chuyên dụng tầm gần DIFS Distributed Inter From Space Khoảng thời gian rỗi ECDSA Elliptic Curve Digital Signature Algorithm Thuật toán chữ ký số Elip ETC Electronic Toll Collection Thu phí điện tử ETSI European Telecommunication Standards Institude Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu EoC End of Congestion Vị trí kết thúc tắc nghẽn FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ ix FCS Frame Check Sequence Quy trình kiểm tra khung FEC Forward Error Correction Phát hiện và sửa lỗi ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet IEEE Institude of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ thuật Điện và Điện tử ITS Intelligent Transport System Hệ thống giao thông thông minh ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế LLC Logical Link Control Lớp điều khiển liên kết logic MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy nhập NACR Nonadjacent Channel Rejection Không loại bỏ kênh lân cận NAV Network Alocation Vector Véc tơ định vị mạng OBU On Board Unit Thiết bị gắn trên xe OCB Outside the Context of a BSS Ngoài phạm vi của BSS OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PDM Physical Medium Dependent Phụ thuộc môi trường vật lý PLCP Physical Layer Convergence Procedure Trình tự hội tụ vật lý PPDU Physical Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức vật lý PSD Power Spectral Density Mật độ phổ nguồn RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngược SIFS Short Inter From Space Khoảng thời gian đợi ngắn TT Time Travel Thời gian di chuyển TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền UDP User Datagram Protocol Giao thức đơn vị dữ liệu người dùng VDS Vehicle Detection System Hệ thống phát hiện phương tiện PSK Phase Shift Keying Điều chế theo khóa dịch pha RSSI Received Signal Strength Indication Độ mạnh tín hiệu thu x RSU Road Side Unit Thiết bị bên đường SCH Service Channel Kênh dịch vụ TA Timing Advertisement Thời điểm quảng cáo UTC Universal Coordinated Time Thời gian chung nhất V2V Vehicula-Vehicula Phương tiện - phương tiện VSA Vendor-Specific Action Hành động cụ thể nhà cung cấp WSM WAVE Short Message Tin ngắn WAVE [...]... 39 Bảng 2.15 Thông số các chuẩn liên kết dữ liệu mạng nội bộ không dây họ 54 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG CHUYÊN DỤNG TẦM GẦN DSRC Chương 1 sẽ trình bày tổng quan về công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC Trong chương này trình bày những khái niệm liên quan tới công nghệ đồng thời cũng đưa ra lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ Các đặc nổi bật của công nghệ được nêu... CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Công nghệ DSRC và các công nghệ vô tuyến khác 1 Bảng 1.2 Các chuẩn cho công nghệ DSRC 4 Bảng 1.3 So sánh công nghệ DSRC cũ và công nghệ DSRC mới 12 Bảng 2.1 Các thông số đầu vào của RSU 18 Bảng 2.2 Giới hạn độ nhạy OBU trong truyền thông tốc độ thấp 26 Bảng 2.3 Giới hạn độ nhạy OBU trong truyền thông tốc độ cao 26 Bảng 2.4 Các mức và tần số của tín hiệu... với lớp 2 Hệ thống DSRC bao gồm các thiết bị chủ yếu: điểm truy cập RSU, thiết bị gắn trên xe OBU, an ten, máy phát và bộ thu, thiết bị truyền dẫn dữ liệu [7] Hình 1.2 Mô hình thiết bị hệ thống sử dụng công nghệ DSRC Công nghệ DSRC được phân làm 2 loại chính là DSRC chủ động và DSRC thụ động + DSRC bị động: Theo CEN/TC278/5,8GHz DSRC: Tiêu chuẩn của Châu Âu về truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC dải... điệp an toàn và bảo mật Công nghệ DSRC hiện nay có nhiều cải thiện rõ rệt hơn và có nhiều ưu việt hơn so với công nghệ DSRC cũ Những cải thiện đột phá đó được thể hiện cụ thể ở bảng so sánh dưới đây: Bảng 1.3 So sánh công nghệ DSRC cũ và công nghệ DSRC mới DSRC cũ băng tần 915MHz Truyền trong khoảng 30m Tốc độ dữ liệu 0,5Mbps Được thiết kế cho hệ thống ETC nhưng có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác... anten có tia hồng ngoại IR cho thiết bị truyền dẫn dữ liệu dùng công nghệ DSRC được lắp đặt cùng nhau trên một đảo thu phí, anten sử dụng được OBU trên xe chọn OBU và DSRC có 3 nhà cung cấp khác nhau được chia sẻ trên cùng tuyến đường  Năm 2010, Việt Nam đã sử dụng hệ thống điều khiển và thông tin trong giao thông sử dụng công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC dải tần 5,8Ghz Tại thành phố Hồ... Hiện nay, các thiết bị truyền dẫn dữ liệu trong dải tần 5,8GHz dùng cho hệ thống điều khiển và thông tin trong giao thông công nghệ DSRC đã được áp dụng ở hầu hết các quốc gia Có 3 tổ chức tiêu chuẩn chính phân chia theo các khu vực trên thế giới: ARIB, CEN và ASTM [7] Hình 1.3 bên dưới là biểu đồ áp dụng các công nghệ DSRC dùng trong hệ thống điều khiển và thông tin trong giao thông ở 3 khu vực chính... dưới: Hình 1.6 Các ứng dụng của công nghệ DSRC Cao Văn Đức Kỹ thuật Viễn thông - K52 16 1.4 Kết luận chƣơng Tóm lại, chương 1 trình bày tổng quan về khái niệm, lịch sử hình thành, và các đặc điểm của công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC Hơn nữa, ở Chương 1 giúp chúng ta có hiểu biết nhiều hơn những ưu điểm nổi bật và nhiều ứng dụng của công nghệ này đã và đang được sử dụng ở nhiều các quốc... về công nghệ thì chúng ta đi tiếp vào Chương 2 của đồ án Cao Văn Đức Kỹ thuật Viễn thông - K52 17 CHƢƠNG 2 CÔNG NGHỆ DSRC Chương 1 của đồ án này đã trình bày tổng quan về công nghệ DSRC, để có thể hiểu cặn kẽ hơn về công nghệ thì Chương 2 sẽ trình bày khái quát về cấu trúc hệ thống và nguyên tắc hoạt động thu phát của hệ thống đồng thời chỉ ra các phân lớp và các giao thức được sử dụng trong hệ thống. .. động và chủ động hoạt động ở Cao Văn Đức Kỹ thuật Viễn thông - K52 11 băng tần 868-928MHz, tần số 13,56MHz Hệ thống thu phí tự động sử dụng công nghệ DSRC hoạt động ở băng tần 5,9GHz Tại Hàn Quốc hệ thống thu phí điện tử ETC sử dụng công nghệ DSRC hoạt động ở băng tần 5,795-5,815MHz; 5,835-5,855MHz Hiện tại, ở Việt Nam đã sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến viễn thông giao thông đường bộ sử dụng công nghệ. .. xếp của DSRC 2 Hình 1.2 Mô hình thiết bị hệ thống sử dụng công nghệ DSRC 3 Hình 1.3 Biểu đồ áp dụng công nghệ DSRC tại 3 khu vực chính trên thế giới 5 Hình 1.4 Cấp phát kênh 13 Hình 1.5 Phổ kênh của DSRC 14 Hình 1.6 Các ứng dụng của công nghệ DSRC 15 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống 17 Hình 2.2 Thành phần của CID 21 Hình 2.3 Truyền thông giữa RSU và OBU . các xe và trạm. Một trong những công nghệ đang góp phần giúp hệ thống giao thông ITS hoàn thiện hơn là Công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC . DSRC là một giao thức truyền thông không. công nghệ truyền thông chuyên dụng tầm gần DSRC . Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ DSRC với khái niệm, lịch sử hình thành và các đặc điểm của công nghệ. Chƣơng 2. Công nghệ DSRC DSRC . Trong chương này giới thiệu về cấu trúc hệ thống công nghệ DSRC, giao thức ngăn xếp của công nghệ và các quy chuẩn trong và ngoài nước cho công nghệ DSRC. Chƣơng 3. Ứng dụng của công nghệ