Một trong các yếu tố quan trọng trong thành công của công nghệ là các loại hình ứng dụng khác nhau và chất lượng dịch vụ được ra. Một loạt dịch vụ mới được đưa ra trong hệ thống mạng lưới các phương tiện như quảng bá có định hướng ưu tiên của việc cảnh báo
39
phương tiện, định tuyến các phương tiện với nhau. Các ứng dụng liên quan đến phương tiện mới sẽ đưa ra các yêu cầu dịch vụ mới cho hệ thống hạ tầng mạng Internet nhƣ đánh địa chỉ đại lý đối lập với đánh địa chỉ IP truyền thống, hỗ trợ dịch vụ chỉ dẫn, tìm kiếm dịch vụ, điều khiển nguồn tài nguyên di động, và quản lý tính di động như ở bảng 3.1[20].
Có nhiều ứng dụng và dịch vụ an toàn giao thông mức độ ưu tiên cao của hệ thống VLC trong mạng lưới các phương tiện. Tất cả chúng giúp cho người lái đưa ra quyết định an toàn trong giao thông tuân theo các luật lệ giao thông. Các ứng dụng cảnh báo tốc độ rẽ và tín hiệu đèn giao thông cảnh báo va chạm cho phép các hạ tầng truyền tới các phương tiện, các trạng thái đèn giao thông và sự uốn cong của đường tương ứng.
Bảng 3.1: Các dịch vụ của ITS
Các dịch vụ mạng Mô tả và các ứng dụng/ Các dịch vụ quan trọng
Quảng bá đơn hop (I2V single hop broadcasting)
Các ứng dụng được yêu cầu bởi đèn tín hiệu giao thông cảnh báo tránh nhau và cảnh báo tốc độ rẽ. Kết hợp với V2I, nó có thể cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng hỗ trợ rẽ trái và hỗ trợ dịch chuyển tín hiệu dừng lại ở đó việc trao đổi thông tin hai chiều giữa các phương tiện và các node mạng được yêu cầu
Quảng bá một hop bất kỳ (V2I one-hop anycasting)
Trong việc thu nhận thông tin, node hạ tầng xử lý qua mạng xương sống. Dịch vụ mạng này, cùng với các dịch vụ quảng bá I2V, có thể kết hợp với chuyển tiếp nhiều hop giữa các phương tiện. Sự kết hợp tối đa sự sử dụng của hạ tầng mạng và các phương tiện xương sống như là các rơle và cơ hội để đến mỗi node.
Chuyển tiếp giữa các phương tiện (Multihop Inter-vehicle
Forwarding)
Trong trường hợp này mỗi phương tiện hoạt động như một rơle và chuyển tiếp các gói dữ liệu theo một tập luật để ngăn cản các việc quảng bá thông tin không cần thiết. Dịch vụ mạng này tối đa khả năng thông tin được khuếch tán nhanh chóng và tin cậy giữa một số lượng lớn các
40
phương tiện. Do đó, nó phù hợp cung cấp các dịch vụ cho các ứng dụng truyền bá thông tin khẩn cấp như là kết hợp cảnh báo va chạm, cảm biến trước khi va chạm...
Quảng bá giữa các hàng xóm (Limited Neighbor
Broadcasting)
Dịch vụ này cũng hoạt động trong lĩnh vực V2V, nhưng qua hop đơn lẻ. Mỗi thông tin quảng bá phương tiện từ tất cả các máy phát của nó tới các phương tiện bên cạnh của nó. Nhưng sự truyền bá thông tin bị giới hạn bởi một hop, và các phương tiện hàng xóm không chuyển tiếp thông tin mà chúng nhận được. Do đó các dịch vụ mạng chỉ cung cấp các phương tiện với thông tin trong vùng lân cận., bằng cách giới hạn sự mở rộng của sự quảng bá. Do đó, nó cung cấp dịch vụ tới các ứng dụng cần thông tin tuần hoàn và cục bộ. Ví dụ, ứng dụng cảnh báo thay đổi yêu cầu các dịch vụ mạng bởi vì các phương tiện ngay lập tức cần biết về các vị trí của các phương tiện lân cận khi có thay đổi làn đường, nhưng không cần biết thông tin của các phương tiện ở xa.
Quảng bá từ phương tiện tới hạ tầng (Vehicle-to/from Infrastructure Unicasting)
Dịch vụ mạng unicast từ phương tiện đến hạ tầng xảy ra ở mạng V2I và I2V với viễn cảnh cung cấp đường lên và đường xuống cho các ứng dụng Internet phương tiện tương ứng. Dịch vụ này hoạt động qua các single hop và multiple hop tới node mạng cổng hạ tầng. Bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến, các phương tiện đầu tiên tìm đường đi tới các node mạng hạ tầng và sau đó truyền dẫn tới gateway mà ở đó có thể sử dụng các phương tiện khác như là các rơle. Dịch vụ này yêu cầu các giao thức định tuyến để tìm đường đi, và các dịch vụ khác tìm
41
đường tới phương tiện và các node mạng qua truyền dẫn single hop và quảng bá multiple hop.
3.1.3. Ứng dụng VLC vào trong hệ thống giao thông thông minh
3.1.3.1. Kịch bản thứ nhất
Trong trường hợp V2V, một phương tiện đứng trước các đèn tín hiệu giao thông nhận thông tin an toàn và đưa nó tới đèn pha phía sau của phương tiện. Chúng ta có thể thậm chí hình thành một mạng ad-hoc giữa các phương tiện và chia sẻ thông tin giữa chúng. Tương tự nhu vậy, chiếc ô tô đang chạy có thể yêu cầu thông tin từ các trạm thu phát cố định bên đường RSUs sử đụng đèn pha phía trước dựa trên LED do đó hình thành hệ thống thông tin song công hai chiều.
RSUs như là các đèn tín hiệu giao thông phù hợp với thông tin quảng bá trong chế độ I2V của các hệ thống thông tin phương tiện. Thông tin liên quan đến an toàn giao thông liên tục được quảng bá mà không sử dụng thêm năng lượng để làm dòng phương tiện lưu thông trôi chảy và giảm thiểu tai nạn. Ánh sáng được phát ra từ đèn tín hiệu giao thông (bao gồm một mảng các LEDs) được điều chế ở tần số mắt người không thể phát hiện ra được. Tín hiệu ánh sáng điều chế sau đó được tách bởi một bộ tách sóng quang (photodetector- PD) ở trên máy thu ở phương tiện, cung cấp thông tin an toàn hữu ích cho phương tiện ở phía trước. Có nhiều phương pháp triển khai việc trao đổi thông tin giữa các phương tiện, như là một cách để truyển thông tin giữa các phương tiện dừng đỗ gần trạm điều khiển giao thông.
3.1.3.2. Kịch bản thứ hai
Ánh sáng đèn giao thông dựa trên LED là sự lựa chọn phù hợp như là RSU được tích hợp với sự phát triển của hệ thống ITS. Một trong những kịch bản của việc tương tác và truyền tin từ RSU tới các phương. Thông tin giao thông vận chuyển theo thời gian thực hoặc được ghi trước sẽ được xử lý qua bộ điều khiển giao thông (traffic controller). Dựa trên các tín hiệu này, thông tin qua hệ thống máy phát của VLC tới đèn giao thông để phát dữ liệu cùng với báo hiệu. Có nhiều công nghệ truy nhập được đề xuất cho hạ tầng ITS.
42
VLC dựa trên LED cũng có thể được sử dụng. Thêm vào đó, khối điều khiển (monitor unit) có thể ở trong hệ thống để hỗ trợ thông tin cùng với các RSUs.
3.1.4. Thử nghiệm mạng 5G
3.1.4.1. Kiến trúc mạng
Kiến trúc mạng 5G được triển khai cho thử nghiệm dựa trên phương pháp phân chia mạng. Mạng cắt lát được coi là một trong những trụ cột của hệ thống 5G. Các chức năng cụ thể có thể được thiết kế để tạo và quản lý các mạng logic end-to-end chuyên dụng mà không làm mất đi tính kinh tế theo quy mô của cơ sở hạ tầng vật lý chung. Mỗi mạng logic được điều chỉnh để cung cấp một dịch vụ cụ thể và/hoặc cung cấp cho một đối tượng thuê cụ thể một mức tài nguyên mạng được đảm bảo nhất định [22]. Do đó, các hệ thống 5G có thể hỗ trợ nhiều loại thị trường, tạo ra nhiều loại dịch vụ.
Kiến trúc mạng 5G được xem xét trong thử nghiệm thực địa có một tổ chức hợp lý gồm ba lớp. Chúng được sử dụng để đa dạng hóa lớp dịch vụ từ các chức năng mạng và cơ sở hạ tầng vật lý. Cơ sở hạ tầng vật lý là lớp đầu tiên, có mục tiêu chính là quản lý các tài nguyên vật lý. Chức năng mạng là lớp thứ hai, có phạm vi là tùy chỉnh chức năng. Dịch vụ là lớp thứ ba và nó ánh xạ các thỏa thuận mức dịch vụ (SLA), chất lượng dịch vụ (QoS) và chức năng cần thiết vào các cấu hình của từng phần. Một bộ điều phối quản lý ba lớp bằng cách ánh xạ các tài nguyên có sẵn ở các lớp khác nhau thành các phần.
3.1.4.2. Kiến trúc vật lý
Trong cơ sở hạ tầng đã triển khai, phương pháp tiếp cận mạng truy cập vô tuyến điện toán đám mây (RAN) đã được áp dụng. BS được cấu tạo bởi một số phần tử tần số vô tuyến được gọi là đơn vị ăng ten tích cực (AAU) và đơn vị băng tần cơ sở (BBU) là phần tử xử lý. BBU có thể tập trung tại một điểm duy nhất hoặc được ảo hóa trong đám mây và đại diện cho phần tử thông minh của BS trong khi chỉ cần thiết bị RF đơn giản ở biên mạng.
Các AAU có thể hoạt động trên các tần số khác nhau, do đó một mạng đa chế độ được triển khai. Cụ thể, một kiến trúc di động 5G đa lớp không đồng nhất được coi là nơi các ô của các vùng phủ sóng khác nhau được chồng lên nhau và cung cấp dịch vụ ở các dải tần khác nhau (ví dụ: 3,7 GHz và mmWave) và với các công nghệ truy cập khác nhau (ví
43
dụ: 5G-NR , WiFi và VLC). Trong trường hợp này, phương pháp kết nối kép được áp dụng. AAU 5G-NR hoạt động ở dải tần số thấp cung cấp các dịch vụ cơ bản trên diện rộng, trong khi các tế bào nhỏ hoạt động trên phổ mmWave và ánh sáng nhìn thấy cung cấp các dịch vụ tốc độ dữ liệu cao trong nhà và tại các điểm nóng.
Các AAU và BBU được kết nối thông qua liên kết fronthaul được đặc trưng bởi độ trễ thấp và tốc độ cao nhờ việc áp dụng giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI) [25]. CPRI là một giao diện xác định việc truyền vô tuyến kỹ thuật số qua cáp quang và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ bit cố định qua một kênh chuyên dụng.
Một BBU và một AAU duy nhất được kết nối với bộ mô phỏng kênh và với Thiết bị Người dùng (UE) cơ bản đã được sử dụng trong các thử nghiệm ban đầu. Thành công, một số BBU và AAU, được kết nối với LTE-CN theo kịch bản triển khai 3GPP NSA Tùy chọn 3 và 3a, đã được triển khai ở hai thành phố. Đặc biệt, đài LTE và CN đã được sử dụng như một mỏ neo để quản lý di động và vùng phủ sóng, đồng thời bổ sung thêm nhà cung cấp dịch vụ 5G mới. Do đó, LTE-RAN kết nối LTE-CN với 5G NR.
Tiêu chuẩn FlexE [23] được sử dụng để quản lý mạng lưới vận tải thông qua phần mềm. Điều này cho phép cấu hình lại mạng một cách linh hoạt, làm cho lớp vật lý trở nên trong suốt với lớp dịch vụ. Các vòng Ethernet 100G cung cấp kết nối với BBU, trong khi liên kết quang cung cấp kết nối với mạng lõi.
Việc triển khai NSA cho phép xác nhận các KPI chủ yếu liên quan đến độ trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng, tốc độ dữ liệu cao nhất của người dùng và ô, và để kiểm tra phương pháp phân chia mạng [22].
Kiến trúc SA 5G NR sẽ được triển khai trong phần cuối cùng của giai đoạn triển khai. Đặc biệt, Phương án 3GPP 2 [24], tức là các thiết bị 5G NR được kết nối trực tiếp với 5G CN mới, được xem xét trong việc triển khai mạng. Giải pháp này độc lập với việc triển khai mạng 4G và nó cung cấp khả năng triển khai đơn giản hơn. Dù sao, giải pháp trên yêu cầu mạng đầu cuối 5G phải được xác định hoàn toàn trước giai đoạn tiền thương mại và đầu tư đáng kể để cung cấp vùng phủ sóng dịch vụ trên toàn lãnh thổ. Trong giai đoạn này, các KPI liên quan đến tính di động và bàn giao sẽ được kiểm tra.
Giao diện không khí được cải tiến 5G NR dựa trên:
44
Kỹ thuật MIMO (mMIMO) khối lượng lớn.
Đa truy nhập không trực giao (NOMA).
Triển khai mạng dày đặc.
3.1.4.3. Ứng dụng sử dụng mạng di động 5G thông minh
Một quan điểm chính sách được chia sẻ rộng rãi rằng di động thông minh sẽ giải quyết nhiều thách thức xã hội về vận tải hàng hóa và hành khách: an toàn, hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy,... Trong bối cảnh này, 5G được coi là công nghệ tối ưu cho di động thông minh, vì các tính năng của di động phương tiện cho mọi thứ (C-V2X) sẽ được đưa vào như một phần của chipset di động được nhúng vào phương tiện để liên lạc giữa phương tiện với mạng (V2N) của chúng. Do đó, lĩnh vực dọc của di động thông minh là một trong những lĩnh vực chính thúc đẩy quá trình tiến tới 5G và là một trong những trường hợp sử dụng quan trọng nhất trong dự án 5G.
Nền tảng di động thông minh có hai mục tiêu chính:
(1) Giám sát đường: các điểm đỗ xe và sạc điện đang được triển khai nhằm mục đích giám sát trạng thái của mặt đường (sự hiện diện của các khoảng trống, độ dốc, điều kiện giao thông, v.v.) trong các hoạt động thường ngày bằng cách lắp đặt trên các phương tiện a hộp đen chứa mô-đun 5G để truyền thông tin theo thời gian thực tới trung tâm xử lý dữ liệu. Xe ô tô điện được trang bị một hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể lập bản đồ vị trí địa lý của các lỗ được tìm thấy trong quá trình sử dụng xe thường xuyên với độ chính xác đến từng cm.
(2) Khả năng tồn tại nâng cao: các phương tiện chia sẻ dữ liệu với các phương tiện khác và với trung tâm điều khiển nơi thông tin dữ liệu giao thông được kết hợp thông minh với các thông tin khác như nhiệt độ của thành phố, trạng thái đường và thông tin cảm biến khác. Mục đích là sử dụng thông tin thời gian thực để tăng cường sức khỏe, sự thoải mái và phong cách lái xe của ô tô và người lái xe và để giảm thiểu giao thông đường bộ, tắc nghẽn và phát thải do hậu quả.
Nền tảng di động thông minh dựa trên một số công nghệ chính:
(1) Phân chia mạng: Mạng 5G có thể cung cấp phân đoạn mạng cụ thể cho truyền thông V2X để quản lý các tính năng riêng của nó một cách độc lập trên các dịch vụ khác.
45
Tuy nhiên, làm thế nào để các slice có thể chia sẻ tài nguyên một cách hiệu quả vẫn là một vấn đề thách thức. Việc nghiên cứu các thuật toán thực tế đang được tiến hành xem xét cả độ phức tạp tính toán và khả năng định cấu hình lại việc phân bổ tài nguyên theo sự thay đổi của cấu trúc liên kết mạng xe cộ. Đặc biệt, một trong những thách thức chính của tầng cơ sở hạ tầng là ảo hóa và phân chia RAN thành các lát do giới hạn phổ tần. Ngoài ra, việc giao tiếp cùng tồn tại với mạng (V2N) và giữa các phương tiện yêu cầu tính linh hoạt và năng động cao của RAN.
(2) MEC: Giảm tắc nghẽn mạng và cải thiện hiệu suất ứng dụng có thể đạt được bằng cách sử dụng mô hình điện toán biên đa truy cập (MEC), mô hình giới thiệu khả năng điện toán đám mây gần hơn với người dùng cuối trong mạng truy cập. Dữ liệu được tạo ra từ các phương tiện và cơ sở hạ tầng có thể được MEC xử lý nhanh chóng, do đó cung cấp các nội dung phù hợp với địa phương để hỗ trợ các dịch vụ lái xe thông minh. MEC cho phép độ trễ cực thấp, băng thông cao và truy cập theo thời gian thực vào mạng truy cập có thể được các ứng dụng tận dụng.
(3) Mật độ điểm truy cập: Dung lượng mạng có thể được cải thiện bằng cách triển khai một số lượng lớn của các ô nhỏ ngoài macrocell truyền thống. Hơn nữa, trong trường hợp khẩn cấp hoặc không có mạng, bản thân các phương tiện có thể bổ sung cho mạng công cộng trở thành các tế bào di chuyển. Dù sao, trong trường hợp có nhiều lớp ô cùng tồn tại, cần phải điều tra cẩn thận về việc sử dụng tài nguyên cũng như các chiến lược phối hợp