3.2.1 Giải pháp kỹ thuật
Định nghĩa ban đầu của công nghệ C-V2X là LTE V2X được chuẩn hóa theo phát hành 3GPP Release 14, C-V2X là nền tảng cho phép các cải tiến mạnh mẽ có thể thực hiện được trong các phát hành tương lai cho LTE-A Pro hay 5G-NR. Các chuẩn hóa của 3GPP và công nghiệp di động đã chứng minh trong quá khứ khả năng tích hợp các yêu cầu mới từ kinh nghiệm thị trường và nhanh chóng đưa vào các nền tảng công nghệ hiện có. Sự phát triển này luôn duy trì khả năng tương tác ngược tốt đối với các phát hành trước trong cùng thế hệ mạng, cho phép tương tác dịch vụ mức cao giữa phát hành của các thế hệ mạng khác nhau. Điều này giúp cho các thiết bị có thể hoạt động tốt ngay cả khi mạng lưới được nâng cấp phiên bản, đặc biệt các phương tiện ô tô thường được thiết kế để vòng đời hoạt động tối thiểu 10 năm. Sự tương tác đảm bảo rằng các thiết bị từ các phát hành khác nhau có thể giao tiếp tốt với nhau.
Công nghệ C-V2X từ phát hành 14 (LTE-A Pro) chỉ sử dụng cho các ứng dụng an toàn cơ bản, trong khi C-V2X dựa trên phát hành 15/16 (5G-NR) sẽ sử dụng cho các dịch vụ nâng cao, do đó các chức năng của phát hành 14 không bị trùng lặp hoặc thay thế. Do đó, dự kiến rằng khi bắt đầu triển khai các dịch vụ V2X
thì sẽ phát triển các thiết bị theo phát hành 14, sau đó các UE mạng 5G sẽ có khả năng tương thích các dịch vụ V2X trên cả 2 nền tảng LTE và 5G.
Để đẩy nhanh tiến độ triển khai mạng 5G và giảm chi phí cho các nhà khai thác mạng, ưu tiên triển khai phương pháp 2 pha. Đầu tiên triển khai chế độ hoạt động không độc lập, còn được gọi là chế độ nối kép LTE-NR, sau đó sẽ triển khai chế độ hoạt động độc lập cho 5G-NR. Hình dưới đây mô tả kiến trúc mạng theo phát hành 15 có sự liên kết giữa mạng LTE-5G. Bằng cách sử dụng phương pháp triển khai này, C-V2X sẽ nhanh chóng kết hợp các tính năng của 5G-NR, cung cấp thông lượng dữ liệu cao, hỗ trợ các sóng mang băng rộng, độ trễ cực thấp và độ tin cậy cao.
Hình 3.7 Mạng 5G và LTE vận hành song song.
Với Phiên bản (Release) 16, C-V2X sẽ được kết hợp các tính năng thiết kế cho 5G-NR cho phép các kịch bản ứng dụng mới dành cho lái xe tự động với các yêu cầu nghiêm ngặt hơn. Ngoài truyền thông quảng bá, 5G-V2X sẽ được cải tiến để hỗ trợ cho cả phát đơn hướng và đa hướng, cho phép dải băng thông rộng và định vị với độ chính xác cao hơn. Với những khả năng được nâng cao này, 5G-V2X
sẽ trở thành một dạng cảm biến tiên tiến mới với dải hoạt động lớn hơn và độ chính xác cao bằng cách tận dụng các phương tiện giao thông như các nền tảng của cảm biến chuyển động. Qua việc thu thập lượng dữ liệu lớn từ môi trường bởi các phương tiện, một nền tảng phân tích các số liệu dựa trên đám mây có thể được thiết lập để cung cấp khả năng hiển thị và độ chính xác tuyệt đối nhờ vào các bộ cảm biến truyền thống hoạt động độc lập trong điều kiện môi trường LoS. Phương pháp này có thể thu thập khối lượng lớn các dữ liệu cảm biến thô hoặc các dữ liệu đã qua xử lý từ các phương tiện trong khu vực. Dữ liệu sau đó được phân tích theo thời gian thực để xác định các đối tượng hay sự kiện quan trọng và vị trí của chúng. Sau đó kết quả được truyền trực tiếp theo thời gian thực tới phương tiện cùng với các dữ liệu liên quan khác như bản đồ HD.
Các chuẩn hóa của mạng 5G cũng như bộ tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho dịch vụ V2X vẫn đang trong quá trình nghiên cứu. Tuy nhiên, kì vọng các ứng dụng tiên tiến của dịch vụ V2X trên nền tảng 5G sẽ sớm được triển khai. Phần này sẽ trình bày một số giải pháp kỹ thuật tiên tiến mới có thể áp dụng cho 5G-V2X để xây dựng các kịch bản ứng dụng an toàn và nâng cao.
3.2.1.1 Truyền thông sóng mmWave cho V2X.
MmWave là sóng có độ dài bước sóng cỡ milimet, phổ tần số trong khoảng từ 30 đến 300 GHz. Sử dụng các tần số sóng mang mmWave cho truyền thông để khai thác tốt các kênh tần số có băng thông lớn hơn, kết hợp với điều chế mức cao và kỹ thuật MIMO giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. MmWave có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều so với các hệ thống vô tuyến hiện tại đang khai thác các dải tần dưới 6 GHz. Ví dụ như, chuẩn IEEE802.11ad sử dụng băng thông 2.16 GHz trên dải tần tự do 60 GHz có thể đạt tốc độ dữ liệu lên tới 7 Gbps. Gần đây, FCC đã đề xuất sử dụng dải tần cấp phép ở 28, 37, 39 GHz và dải tần không cấp phép ở 64-71 GHz cho di động, điều này sẽ thuận lợi cho việc sử dụng mmWave cho các kịch bản truyền thông không dây tiên tiến bao gồm cả các dịch vụ V2X. [11]
Trong các giao tiếp mmWave, cần có một số lượng lớn các anten tại bộ phát và bộ thu với các búp sóng thu và phát có định dạng để thiết lập nên các kênh thông tin tốt. Do bước sóng của các tần số mmWave rất nhỏ, nên có thể triển khai được số
lượng anten lớn trên một nền tảng nhỏ. Cùng với kỹ thuật beamforming, các búp sóng được bức xạ từ các phần tử anten xác định, được định hướng tới các thiết bị phù hợp để truyền tín hiệu. Từ đó giảm thiểu nhiều chi phí cũng như các hao tổn hệ thống.
Đối với giao tiếp mmWave V2X, cần có nhiều các bộ thu phát mmwave được trang bị trên phương tiện để giải quyết vấn đề tắc nghẽn tín hiệu mmWave bởi các phương tiện lân cận và thậm chí là người đi bộ, khi đó tín hiệu mmWave bị che chắn. Ví dụ, một chiếc xe nên được trang bị nhiều các bộ thu phát mmWave ở trước sau và bên cạnh xe để dùng cho V2V, trang bị trên nóc xe để giao tiếp V2I để đảm bảo có thể thiết lập giao tiếp tốt. Mặc dù vấn đề tắc nghẽn bị coi là khiếm khuyết, nhưng nó có thể mang lại lợi ích cho giao tiếp V2V, vì hiệu ứng kết hợp beamforming có thể làm giảm can nhiễu giữa các phương tiện và cho phép xác định thuộc tính không gian tốt hơn. Thực tế, tắc nghẽn có thể không phải là vấn đề quá nghiêm trọng trong mmWave V2X bởi vì chỉ có các phương tiện ở gần mới chia sẻ dữ liệu cảm biến của chúng trong khi các thông tin an toàn cơ bản như vị trí, tốc độ thì có thể được phát quảng bá thông qua PC5 hoặc mạng LTE.
Hình 3.8 Mô tả giao tiếp mmWave cho kết nối của V2X. [13]
Các bộ thu phát mmWave trên phương tiện sẽ được kết nối về bộ điều khiển trung tâm đặt trên phương tiện thông qua hệ thống cáp kết nối tốc độ cao, từ đó có thể khai thác và phân tích nhanh chóng các dữ liệu chia sẻ từ các phương tiện lân cận.
Các hệ thống 5G có thể sử dụng phổ tần mmWave để cung cấp tốc độ dữ liệu cao lên tới Gbps. Các giao tiếp mmWave V2X sẽ được hỗ trợ qua mạng 5G, các trạm gốc 5G sẽ phục vụ giống như cơ sở hạ tầng trong các giao tiếp V2I, chế độ kết nối đầu cuối 5G D2D sẽ hỗ trợ các giao tiếp V2V. Để thiết lập nên các kết nối mmWave, một phần điều khiển tần số thấp có thể được khai thác (ví dụ: PC5 hay LTE). Theo hướng triển khai này, có thể tận dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện có và khả năng sản xuất số lượng lớn các thiết bị di động tiêu dùng, từ đó tạo ra các bộ thu phát mmWave.
3.2.1.2 Truyền thông ánh sáng nhìn thấy (VVLC).
Các đèn tín hiệu giao thông và đèn pha ô tô đang dần thay đổi từ sử dụng bóng đèn điện sang bóng đèn LED nhờ vào những ưu điểm tích cực của chúng như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ dài hơn, chi phí bảo trì thấp, khả năng hiển thị ánh sáng tốt hơn, tạo ra nhiệt lượng thấp hơn. Các nguồn sáng mới này có tiềm năng được sử dụng như là các bộ phát thông tin, với các tín hiệu được phát bởi các đèn báo thuộc hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông, và được thu nhận bởi các bộ thu gắn trên các phương tiện giao thông (giao tiếp V2I). Ở đây, các RSU giống như là các đèn giao thông dạng LED phù hợp để phát quảng bá thông tin trong các hệ thống giao tiếp phương tiện với hạ tầng V2I. Các thông tin liên quan an toàn giao thông có thể được phát liên tục mà không cần dùng đến nguồn cấp dung lượng lớn, cải thiện phân luồng giao thông cũng như giảm thiểu tai nạn và thiệt hại. Vì ánh sáng truyền theo phương thẳng, nên việc giao tiếp có tính định hướng cao là hoàn toàn khả thi, như các thông tin khác nhau có thể được phát trên các làn khác nhau cùng tuyến đường. Giao tiếp bằng LED cũng có thể dành cho các phương tiện để trao đổi dữ liệu giữa các phương tiện lân cận với nhau (trong kịch bản giao tiếp V2V) sử dụng đèn đầu đèn đuôi hay đèn phanh. Ví dụ, một phương tiện phía trước trao đổi thông tin với các đèn giao thông, nhận thông tin và chuyển tiếp cho các phương tiện phía sau bằng đèn phanh. Từ quan điểm mạng ad-hoc dành cho các phương tiện giao thông, VLC có thể được xem như là một kênh truy nhập mới bên cạnh các kênh truy nhập vô tuyến hiện có.
Hình 3.9 VLC ứng dụng cho các kịch bản V22V/V2I. [13]
Hình 3.9 cho thấy trong các nghiên cứu gần đây, VLC hoàn toàn có thể là một giải pháp kỹ thuật tốt cho các ứng dụng của hệ thống V2X bên cạnh các kết nối vô tuyến hiện có, độ trễ thấp và khả năng tiếp cận để trao đổi các thông tin an toàn, hỗ trợ giao thông cũng như các thông tin dịch vụ gia tăng tốt.
Các liên kết VLC ngoài trời phụ thuộc vào sự tồn tại của ánh sáng trong tầm nhìn thẳng (LoS), với kịch bản mật độ phương tiện cao có thể làm gia tăng số lượng kết nối giữa các phương tiện, cải thiện việc phân phối chia sẻ dữ liệu do nhiều đường dẫn trở nên sẵn có vì có rất nhiều các phương tiện kết nối với nhau thông qua các liên kết quang. Ngược lại thì có nhược điểm trong trường hợp như vậy thì các giao tiếp vô tuyến có thể gặp các vấn đề về chất lượng do các luồng thông tin phát quảng bá liên tục, gián đoạn các ứng dụng an toàn quan trọng thời gian thực và phố biến thông tin.
Giải pháp truyền thông tin bằng VLC đặt ra một số vấn đề kỹ thuật và thách thức cần lưu ý:
• Sự di chuyển tương đối giữa các phương tiện hay giữa hạ tầng giao thông với phương tiện có thể làm gián đoạn các kết nối LoS. Điều này có thể được giải quyết bằng cách tối ưu hóa vị trí nguồn sáng cố định và di động trên phương tiện.
• VLC ngoài trời phần lớn bị ảnh hưởng bởi các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo, chủ yếu ánh sáng mặt trời, có thể làm tăng thêm tạp âm và can nhiễu cho
tín hiệu thu. Điều này có thể được tối giảm hóa bằng cách sử dụng các bộ lọc quang và các thiết bị điện tử tối ưu.
Những vấn đề này cho thấy tồn tại một giới hạn về tính hiệu quả trên một phạm vi giao tiếp. Một số nghiên cứu và mô phỏng của các nhà nghiên cứu cho thấy để thực hiện một kết nối thông tin đảm bảo giữa bộ phát và bộ thu VLC thì dải giao tiếp không vượt quá 40-50m.
3.2.2 Kịch bản ứng dụng.
Các kịch bản ứng dụng V2X tập trung vào các vấn đề an toàn, hiệu quả giao thông và các dịch vụ thông tin giải trí. Các dịch vụ về an toàn và giao thông được sử dụng để cảnh báo các tình huống nguy hiểm phát sinh trên đường, tối ưu các luông giao thông, hỗ trợ hiệu quả cho lái xe nắm bắt thông tin về môi trường xung quanh với yêu cầu thời gian thực. Các dịch vụ thông tin giải trí sẽ cung cấp các thông tin tình trạng giao thông khu vực, hỗ trợ các kết nối từ phương tiện đến mạng vô tuyến, cung cấp nhiều các thông tin giải trí theo nhu cầu. Các nhóm dịch vụ V2X được phân loại và trình bày đầy đủ trong chương 1. Trong phần này, luận văn sẽ trình bày một số kịch bản ứng dụng tiêu biểu của V2X dựa trên mạng vô tuyến 5G-NR. 3.2.2.1 Liên kết đoàn phương tiện (Platooning).
Platooning cho phép các phương tiện liên kết với nhau hợp lại như một đoàn tàu trên đường với khoảng cách giữa các phương tiện được giảm đáng kể. Kịch bản dạng này hay áp dụng cho các đoàn vận tải hàng hóa hay các đoàn diễu hành với lượng phương tiện lớn. Bên cạnh đó, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đường giao thông, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu tai nạn, nâng cao năng suất vận tải bằng cách giải phóng áp lực cho lái xe để có thể thực hiện các tác vụ khác.
Các phương tiện trong một đoàn phải có khả năng trao đổi thông tin định kỳ (như thông tin trạng thái, tốc độ, tình trạng phía trước) và gửi các thông báo sự kiện về toàn bộ tình trạng phương tiện và môi trường xung quanh. Có một số khía cạnh của Platooning cần được hỗ trợ thông qua các giao tiếp V2V tin cậy: [15]
• Tham gia và rời khỏi một đoàn: giúp cho phép một phương tiện báo hiệu ý định tham gia hay rời khỏi một đoàn xe vào thời điểm bất kỳ trong khi cả đoàn đang di chuyển, và hỗ trợ các báo hiệu bổ sung để hoàn tất hoạt động tham gia hay rời đi đó.
• Thông báo và cảnh báo: để chỉ ra sự hình thành và sự tồn tại của đoàn để các phương tiện gần đó có thể chọn để tham gia đoàn hoặc để tránh sự gián đoạn đoàn.
• Trạng thái ổn định hoạt động giao tiếp trong đoàn: để hỗ trợ việc trao đổi bản tin quản lý đoàn, cho biết trạng thái phanh, tăng tốc, đường đi, thay đổi trưởng đoàn.
Với khoảng cách giữa các phương tiện tương đối nhỏ, trong khi phương tiện lại đang di chuyển với tốc độ cao, V2V phải có khả năng hỗ trợ tính tin cậy, vòng lặp tác vụ cao, trao đổi bản tin an toàn để đảm bảo hiệu quả và vận hành cả đoàn phương tiện an toàn. Dưới đây là một số chỉ tiêu chính được yêu cầu cho giao tiếp V2V để hỗ trợ cho kịch bản Platooning:
• Độ trễ 25 ms cho giao tiếp từ đầu đến cuối trong toàn bộ đoàn phương tiện (10 ms đối với mức tự động hóa cao nhất).
• Độ tin cậy của bản tin đạt 90%, và 99.99% đối với mức độ tự động hóa cao nhất
• Độ chính xác vị trí theo chiều dọc tương đối phải nhỏ hơn 0.5m
• Tần suất phát bản tin quảng bá từ 10-30 bản tin mỗi giây.
• Kiểm soát phạm vị giao tiếp động để cải thiện hiệu quả tài nguyên cấp cho các đoàn có số lượng thay đổi, và để hạn chế việc phân phối các bản tin vì lý do bảo mật.
3.2.2.2 Điều khiển lái xe từ xa.
Điều khiển lái xe từ xa cho phép việc kiểm soát từ xa một phương tiện bởi một nhà khai thác hay bởi một ứng dụng dựa trên đám mây thông qua giao tiếp V2N. Có một số tình huống có thể thúc đầy việc triển khai lái xe tự động như sau:
• Cung cấp một giải pháp dự phòng cho các phương tiện tự trị: có thể là trong suốt giai đoạn đầu của việc triển khai phương tiện tự trị, khi một phương tiện đang ở trong một môi trường xa lạ và gặp khó khăn về điều hướng, thì cần một nhà điều hành thực hiện việc kiểm soát từ xa.