Một trong các yếu tố quan trọng trong thành công của cơng nghệ là các loại hình ứng dụng khác nhau và chất lƣợng dịch vụ đƣợc ra. Một loạt dịch vụ mới đƣợc
đƣa ra trong hệ thống mạng lƣới các phƣơng tiện nhƣ quảng bá có định hƣớng ƣu tiên
của việc cảnh báo phƣơng tiện, định tuyến các phƣơng tiện với nhau. Các ứng dụng
40
ra quyết định an tồn trong giao thơng tuân theo các luật lệ giao thông. Các
ứng dụng cảnh báo tốc độ rẽ và tín hiệu đèn giao thơng cảnh báo va chạm cho
phép các hạ tầng truyền tới các phƣơng tiện, các trạng thái đèn giao thông và sự uốn cong của đƣờng tƣơng ứng
Các dịch vụ Mô tả và các ứng dụng/ Các dịch vụ quan trọng
mạng
quảng bá đơn hop (I2V single hop broadcasting) Quangr bá một hop bất kỳ (V2I one-hop anycasting) Chuyển tiếp giữa các phƣơng tiện (Multihop Inter-vehicle
Các ứng dụng đƣợc yêu cầu bởi đèn tín hiệu giao thơng 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 thơng tin hai chiều giữa các phƣơng tiện và
các node mạng đƣợc yêu cầu
Trong việc thu nhận thông tin, node hạ tầng xử lý qua mạng xƣơng sống. Dịch vụ mạng này, cùng với các dịch vụ quảng bá I2V, có thể kết hợp với chuyển tiếp nhiều hop giữa các phƣơng tiện. Sự kết hợp tối đa sự sử dụng của hạ tầng mạng và các phƣơng tiện xƣơng sống nhƣ là
các rơle và cơ hội để đến mỗi node.
Trong trƣờng hợp này mỗi phƣơng tiện hoạt động nhƣ 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 đƣợc khuếch tán
41
Forwarding) Quảng bá giữa các hàng (Limited Neighbor Broadcasting) Quảng bá từ
phƣơng tiện tới
hạ
(Vehicle- to/from
Infrastructure Unicasting)
để tìm đƣờng đi, và các dịch vụ khác tìm đƣờng tới phƣơng tiện và các node mạng qua truyền dẫn single hop
42
hệ thống tích hợp giúp cho phát triển an tồn giao thơng, nâng cao hiệu quả giao thông, thời gian di chuyển và giảm tắc nghẽn, tạo ra cảm giác hài lòng khi điều khiển
phƣơng tiện. Kết nối các hệ thống kết hợp với các dịch vụ đầu cuối, ITS cho phép
sự tích hợp của thơng tin giao thơng cập nhật vào các q trình thƣơng mại của hệ thống IT. Mơ hình mạng tham chiếu ITS gắn chặt với các kết nối cụ thể giữa các hệ thống giao thông hệ thống con với nhà cung cấp dịch vụ thông tin (Information Service Provider-ISP) của hệ thống con và một hệ thống phƣơng tiện con (vehicle subsystem-VS). Miêu tả ngắn gọn về kiến trúc của hệ thống ITS đƣợc
trình bày dƣới đây.
2.3.1 Kiến trúc ITS
Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) đã đƣa ra sự phát triển quan trọng cho kiến trúc ISO TC 204 ITS nhƣ ở hình vẽ 2.1. Mơ hình kiến trúc cho ITS đƣợc phân chia thành các tầng: tầng truy nhập, tầng mạng và vận chuyển, tầng thiết bị (facility layer),tầng ứng dụng nhƣ hình vẽ 2.1.
Tóm lại, kiến trúc cụ thể các kiến trúc giao thức tham chiếu của các hệ thống ITS. ITS biểu diễn một thành phần nói chung cho hạ tầng truyền thơng giữa các phƣơng tiện và các đƣờng phố. Kiến trúc giao thức tham chiếu về cơ
bản tuân theo mơ hình tham chiếu ISO/OSI, đƣợc mở rộng theo phƣơng thẳng
đứng bởi các lớp bảo mật và quản lý nhƣ ở hình vẽ.
43
Hình 2.1 Mơ hình tham chiếu cho ITS
Các chuẩn ITS hứa hẹn cung cấp các công nghệ truy cập khác nhau. Họ các chuẩn cụ thể một kiến trúc chung, các giao thức mạng và các khái niệm giao diện truyền thông cho các truyền thơng khơng dây và có dây sử dụng các công
nghệ truy cập khác nhau nhƣ 2G, 3G, vệ tinh, hồng ngoai, sóng siêu cao tần 5Ghz,
sóng 60GHz milimeter, và các sóng vơ tuyến dải rộng. Các cơng nghệ truye cập có thể kết hợp chặt chẽ để cung cấp các truyền thông broastcast, unicast và multicast giữa các trạm đi dộng và các trạm di động hay các trạm cố định trong khu vực ITS (ITS sector). Tầng mạng và vận chuyển (networking and transport
layer) đƣa ra kết nối Internet) và định tuyến bao gồm nhiều giao thức vận chuyển và
giao thức Internet đặc biệt cho Ipv6. Với hỗ trợ truyền thông, các hỗ trợ ứng dụng, các thông báo dịch vụ.., tầng thiết bị (facility layer) đƣợc tích hợp trong mơ hình trong khi các vấn đề liên quan đến an toàn, rơ-le giao thông hiệu quả và các ứng dụng giá trị gia tăng đƣợc xử lý để sử dụng ở tầng ứng dụng (application layer). Tầng bảo mật điều khiển và cung cấp xác thực cho việc mở rộng các dịch vụ và
ứng dụng. Tầng quản lý và điều khiển trở nên cần thiết cho mơ hình tham chiếu
cho việc điều khiển và hoạt động chuẩn xác của các thành phần.
44
Thành phần hệ thống lề đƣờng con (Roadside Station) Thành phần hệ thống trung tâm con (Centeral Station)
Hình 2.2 Kiến trúc truyền thông ITS
Hạ tầng truyền thông ITS bao gồm các thành phần hệ thống ITS con và thƣờng là một cổng kết nối trạm ITS (ITS station) với các hệ thống khác. Các phƣơng tiện yêu cầu một cổng phƣơng tiện kết nối với trạm phƣơng tiện (vehicle station) và tới các mạng phƣơng tiện thuộc sở hữu của các công ty. Các thành phần này đƣợc kết nối trong bởi một mạng truyền thông. Sự kết nối giữa thành phần hệ thống phƣơng tiện con và thành phần hệ thống di động con đƣợc thực hiện qua một môi trƣờng không dây ngắn hoặc kết nối có dây. Tƣơng tự nhƣ vậy, các hệ thống thông tin
phƣơng tiện tƣơng tác với các RSU mà các RSU này bao gồm các hệ thống thông
tin và các mạng truy nhập. Các router điểm truy cập (routers access point), các tín
45
hiệu và các cổng thông báo thay đổi chịu trách nhiệm cho việc đƣa ra việc kết nối dữ liệu thông tin giữa các thành phần di động (phƣơng tiện) và Internet. Tuy nhiên các hệ thống vơ tuyến khơng có hiệu quả về giá. Nó rất khó để dựa trên
các điểm khơng dây dọc đƣờng ở các khoảng cách nhỏ.
2.3.3 So sánh giữa hệ thống VLC và hệ thống vô tuyến
Luật vô tuyến (radio law) giới hạn việc sử dụng miễn phí sóng vơ tuyến trong việc truyền dẫn vô tuyến. Mặt khác, VLC không yêu cầu sự cấp phép ở thời điểm
hiện tại. Cũng nhƣ vậy, theo băng tần giới hạn, phổ tần số vô tuyến trở nên ngày
càng tắc nghẽn. Nói tóm lại, truyền thơng vơ tuyến khơng dây gặp phải một số vấn
đề mặc dù đƣợc áp dụng rộng rãi ở mạng tế bào và mạng cục bộ LAN.
Công suất truyền dẫn điện không thể đƣợc tăng bởi vì ảnh hƣởng có hại tới sức khỏe con ngƣời.
Vì giới hạn sóng vơ tuyến, dải tần số và sự cấp phép bị tắc nghẽn. Các vấn đề của sóng vơ tuyến đƣợc giảm thiểu hiệu quả bởi VLC.
Một hệ thống VLC có thể tiêu thụ ít năng lƣợng hơn hệ thống vô tuyến, cho phép mở rộng các mạng truyền thông mà không thêm vào các yêu cầu về
năng lƣợng và giảm sự phát xạ ra carbon về lâu dài. Công nghệ xanh này phát
triển nhƣ là một công nghệ thân thiện môi trƣờng đƣợc sử dụng trong ITS. So sánh với truyền thơng sóng vơ tuyến, hệ thống VLC có các ƣu điểm sau:
Khơng có u cầu cấp phép cho việc sử dụng
Khơng có nguy hiểm bức xạ sóng vơ tuyến, ánh sáng nhìn thấy an tồn với con ngƣời.
Dải băng thơng rộng, cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao
Tiêu thụ công suất thấp- hầu hết công suất đƣợc sử dụng cho việc báo hiệu Ánh sáng có khắp mọi nơi. Truyền dẫn khơng dây có thể dễ dàng thiết lập qua các thiết bị VLC kết hợp với các ánh sáng và các hạ tầng.
46
2.4.1 Kịch bản thứ nhất
Trong trƣờng hợp V2V, một phƣơng tiện đứng trƣớc các đèn tín hiệu giao thơng
nhận thơng tin an tồn và đƣa nó tới đèn pha phía sau của phƣơng tiện. Chúng ta có thể thậm chí hình thành một mạng ad-hoc giữa các phƣơng tiện và chia sẻ thông tin giữa chúng. Một ví dụ cho trƣờng hợp này đƣợc biểu diễn ở hình 2.3.
Hình 2.3 .Kịch bản ứng dụng ngồi trời của ITS dựa trên VLC
Tƣơng tự nhu vậy, chiếc ô tô đang chạy có thể yêu cầu thông tin từ các
trạm thu phát cố định bên đƣờng RSUs sử đụng đèn pha phía trƣớc dựa trên
LED do đó hình thành hệ thống thơng tin song cơng hai chiều.
RSUs nhƣ là các đèn tín hiệu giao thơng phù hợp với thông tin quảng bá trong
chế độ I2V của các hệ thống thông tin phƣơng tiện. Thông tin liên quan đến an tồn
47
giao thơng liên tục đƣợc quảng bá mà không sử dụng thêm năng lƣợng để làm dịng
phƣơng tiện lƣu thơng trơi chảy và giảm thiểu tai nạn. Ánh sáng đƣợc phát ra từ đèn
tín hiệu giao thông (bao gồm một mảng các LEDs) đƣợc điều chế ở tần số mắt ngƣời không thể phát hiện ra đƣợc. Tín hiệu ánh sáng điều chế sau đó đƣợc tách bởi một bộ tách sóng quang (photodetector-PD) ở trên máy thu ở phƣơng tiện, cung cấp thơng tin an tồn hữu ích cho phƣơng tiện ở phía trƣớc. Có nhiều phƣơng pháp triển khai việc trao đổi thông tin giữa các phƣơng tiện, nhƣ là một cách để truyển thông tin giữa các phƣơng tiện dừng đỗ gần trạm điều khiển giao thông.
2.4.2 Kịch bản thứ hai
Hình 2.4 Kịch bản tích hợp đèn tín hiệu giao thơng với ITS
Ánh sáng đèn giao thông dựa trên LED là sự lựa chọn phù hợp nhƣ là RSU đƣợc tích hợp với sự phát triển của hệ thống ITS. Một trong những kịch bản của việc tƣơng tác và truyền tin từ RSU tới các phƣơng tiện đƣợc biểu diễn trong hình
2.4.
48
2.5 Kiến trúc hệ thống VLC ứng dụng trong hệ thống ITS.Traffc Information Traffc Information Source Pre-recorded A D Real time C EMITTER
Hình 2.5 Kiến trúc hệ thống VLC cho việc quảng bá thông tin trong hệ thống
ITS 2.5.1 Phía phát VLC trong ITS
Một thiết bị phát VLC là một thiết bị biến đổi điện quang (electro-optical transducer) mà truyền thơng tin sử dụng các sóng ánh sáng qua môi trƣờng không dây. Các hệ thống VLC trở thành một cơng nghệ hữu ích cho tƣơng lai trong việc truyền dẫn dữ liệu không dây nhờ sự phát triển của công nghệ chiếu sáng bán dẫn. Tín hiệu dữ liệu số đƣợc chuyển qua bộ mã hóa dữ liệu, bộ này điều chế tín hiệu với mục đích chuyển các LED ở tốc độ mong muốn của đƣờng truyền dữ liệu. Phƣơng
pháp điều chế đƣợc sử dụng phải đƣa ra cƣờng độ lớn của ánh sáng nền
(background light) và ở cùng một thời điểm, ánh sáng nền sáng nhất có thể. Điều chế cƣờng độ trực tiếp IM-DD đƣợc đƣa ra sử dụng trong IR cũng đƣợc sử dụng trong VLC. Sự lựa chọn khác là các phƣơng pháp điều chế (OOK, PPM, LPPM...) định rõ sự điều chế của ánh sáng lên trên sóng mang ánh sáng. Thơng tin theo cách này
kết hợp với tín hiệu điều khiển nên đảm bảo đủ công suất quang để đạt đƣợc dải truyền tin mong muốn. Đơi khi các đặc tính điện của các LED màu khác nhau, nhƣ
là dòng điện thuận lớn nhất hay điện áp thuận, có thể sử dụng một bộ điều khiển đầu ra với các kênh riêng biệt và một chuyển mạch khác nhau một chút.
Bộ mã hóa có thể đƣợc tích hợp hay dải của các tín hiệu đầu vào đƣợc chỉ rõ. Để xây dựng khối này, một bộ vi điều khiển là một giải pháp hiệu quả
tƣơng đối rẻ nhƣng nâng cấp nó khơng hề dễ. Sử dụng một FPGA sẽ đắt hơn, nhƣng mà khả năng xử lý dữ liệu tốt hơn và nó cũng dễ nâng cấp hơn. Trong hệ
thống điều khiển đầu cuối điện tử, sự tích hợp của ma trận LED chỉ rõ sự tiết kiệm công suất, dải quang và tần số hoạt động lớn nhất.
2.5.2 Phía thu VLC trong ITS
Máy thu VLC là một bộ biến đổi quang điện nhận thông tin đƣợc điều chế
trƣớc đó trong dải tần số nhìn thấy và đƣợc chuyển sang tín hiệu điện có khả năng đƣợc xử lý bởi một bộ giải điều chế-giải mã (demodulator-decoder). Sự
thiết kế chính xác của thiết bị rất quan trọng để đảm bảo chất lƣợng của toàn bộ hệ thống VLC. Các yếu tố liên quan khác là sự xuất hiện của các tín hiệu mức thấp và các nhiễu mức cao
Các xung ánh sáng nhìn thấy, đƣợc bắt nguồn từ phía máy phát của hệ thống
đƣợc tập hợp vào một bộ tách sóng quang; một bộ lọc cắt bỏ tia hồng ngoại quang
(optical IR cut-off filter) là giải pháp thiết thực cho việc giảm các phổ tín hiệu khơng mong muốn. Photodiode đảo không cân bằng (reverse biased photodiode)
50
hoạt động ở chế độ quang dẫn (photoconductive), tạo ra một dòng tỷ lệ với ánh sáng thu đƣợc. Dịng này có các giá trị nhỏ do đó yêu cầu tiền khuếch đại để chuyển sang dạng điện áp. Bộ tiền khuếch đại này biểu diễn sự dung hòa tốt nhất giữa băng thông và nhiễu cho các loại ứng dụng này. Điện áp nhận đƣợc sau đó
đƣợc đƣa vào một bộ lọc thông thấp để loại bỏ bất kỳ nhiễu tần số cao. Tín hiệu sau đó đƣợc khuyến đại sâu hơn ở tầng khuếch đại cuối cùng. Lọc tín hiệu một
chiều cũng đƣợc áp dụng ở đầu vào của các tầng khuếch đại và lọc, giúp giảm thành phần nhiễu một chiều của tín hiệu thu đƣợc cũng nhƣ là các thành phần tần số thấp. Tín hiệu điện áp cuối cùng nên tƣơng ứng với các xung ánh sáng nhận
đƣợc, các xung sau đó đƣợc giải mã ở khối giải mã cuối cùng, do đó tách ra dữ liệu
số. Khối cuối cùng này thực hiện hàm nghịch đảo của khối mã hóa bên phía phát, những cũng đƣợc thực hiện với một bộ vi xử lý hay thậm chí tốt hơn là một
FPGA. Cơ chế giải điều chế sẽ phụ thuộc vào cơ chế điều chế sử dụng ở phía
phát. Kỹ thuật biến đổi giảm (down-conversion) trong thực tế có thể đƣợc xem là tách sóng trực tiếp. Khơi phục xung clock là cần thiết cho việc đồng bộ phía
phát và phía thu. Thêm vào đó, hệ thống cần khối quản lý giao thức và khối khôi
phục xung clock/dữ liệu cho việc đồng bộ các gói tin nhận đƣợc.
Bộ tách sóng đƣợc đặc trƣng bởi tham số tầm nhìn (feld of view-FOV), đáp
ứng (responsivity) và diện tích dịch vụ. Với diện tích dịch vụ lớn hơn, một máy thu
mong muốn một FOV rộng hơn. Tuy nhiên, FOV rộng hơn dẫn đến làm giảm chất
lƣợng của hệ thống vì khả năng nhận những tín hiệu ánh sáng không mong muốn
2.5.3 Kênh truyền VLC trong hệ thống ITS
Một trong những yêu cầu nghiêm ngặt của VLC là truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng (direct line of sight-LoS). Mặc dù trong một vài ví dụ của ứng dụng trong nhà cấu hình kênh phân tán (difused channel) cũng đƣợc sử dụng. Trong hình vẽ 2.6 a ,b các đƣờng truyền LoS và phân tán đƣợc biểu diễn
51
(a)
(b)
Hình 2.6 (a) Cấu hình hệ thống VLC car-to-car, (b) Sự phản xạ từ mặt đƣờng (
phản xạ phân tán)
Ánh sáng phát từ LED mang thông tin dữ liệu trong môi trƣờng khơng dây.
Do đó, cƣờng độ của ánh sáng của phía phát trở thành một tham số quan trọng mà
dải truyền dẫn phụ thuộc vào. Có rất nhiều các nguồn nhiễu ánh sáng bên ngoài nhƣ là ánh sáng mặt trời và các ánh sáng của đƣờng phố. Đó là một vấn đề quan trọng cần đƣợc xem xét trong thiết kế đƣờng truyền. Chúng làm giảm cƣờng độ của ánh sáng bên phía phát và có thể gây ra sự tạo xung bị sai ở phía photodiode. Các bộ lọc quang có thể đƣợc sử dụng để loại bỏ các hiệu ứng này.