L ỜI CAM ĐOAN
2.1 Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS)
2.1.1 Sự cần thiết của hệ thống giao thông thông minh
Với tăng lên v dân s các khu v c thành ph và s ề ố ở ự ố ự tăng lên đáng kể ủ c a s ố lƣợng ô tô, các phƣơng tiên ngày càng trở nên h n lo n. Vỗ ạ ấn đề ủ c a t c ngh n ắ ẽ không ch ỉ ảnh hƣởng đến cu c s ng hàng ngày cộ ố ủa ngƣời dân mà còn có ảnh hƣởng lớn đến các hoạt động kinh t và kinh doanh. Vế ấn đề đó làm giảm thu nh p, nh ậ ả hƣởng đến s phát triự ển cơ bản c a các thành ph trên th gi i. Vì th h th ng ủ ố ế ớ ế ệ ố giao thông thông minh đƣợc nghiên cứu nhƣ là các giải pháp trong tƣơng lai.
2.1.2 Đặc tính quan trọng của hệ thống giao thông thông minh
2.1.2.1 Tính toán tự động
Tính toán t ng là m t yêu c u quan tr ng c a ITS. H thông giao thông ự độ ộ ầ ọ ủ ệ trong tƣơng lai yêu cầu ph i tính toán t ng, phân tích các thông tin và hoả ự độ ạt động đầu vào, bắt đầu các hoạt động ph i hố ợp để nâng cao chất lƣợng c a h th ng. Nhu ủ ệ ố cầu cho tính linh động và t do l a ch n là m t khía c nh quan tr ng khác v phía ự ự ọ ộ ạ ọ ề ngƣờ ử ụi s d ng. Vi c thiệ ếu tính linh động trong các h th ng giao thông gi i h n ệ ố ớ ạ tiềm năng của ngƣờ ử ụi s d ng ở đó liên quan đến các d ch v cá nhân. ITS nên m ra ị ụ ở
s ựlinh động, các phƣơng án khác nhau và các sự ự l a chọn điều khiển, cũng nhƣ là các d ch v cá nhân. Khi các h ị ụ ệ thống giao thông đặc bi t ph ệ ụ thuộc vào các topo mạng và các đặc điểm khác, các h ệ thống thông minh tr nên c n thi t. Các công ở ầ ế ngh truy n thông m i, bao gệ ề ớ ồm di động, không dây và các m ng ad-hoc c i thiạ ả ện các h t ng mạ ầ ột cách đáng kể, giúp chúng tr thành m t ph n tích c c và có tính ở ộ ầ ự tƣơng tác của h th ng. ệ ố
2.1.2.2 Kiến trúc phân tán
n trúc phân tán gi i thích cho b ng b , các thu u khi n, các
Kiế ả ất đồ ộ ật toán điề ể
thành ph n t ng qu n lý và ph i h p, m t trong nhầ ự độ ả ố ợ ộ ững lĩnh vực nghiên cứu chính c a ITS hi n nay. Có m t vài yêu c u c n phủ ệ ộ ầ ầ ải đƣợc th a mãn t trung tâm ỏ ừ ngƣờ ử ụi s d ng t i các chớ ức năng dựa trên d ch v , làm cho h th ng giao thông ị ụ ệ ố thông minh tr nên ph c t p và ở ứ ạ không đồng nh t. Nh ng nghiên c u gấ ữ ứ ần đây xem xét vi c h ệ ệ thống ITS ph i tìm ki m các thu t toán phân tán s d ng thông tin bên ả ế ậ ử ụ ngoài t các ngu n khác nhau, làm cho s s d ng kh ừ ồ ự ử ụ ả năng không đồng b và song ộ song của các th c thự ể.
ITS bao g m m t d i r ng các công ngh ồ ộ ả ộ ệ điện tử, điều khi n và thông tin có ể dây và không dây. Khi tích h p vào các h t ng các h ợ ạ ầ ệ thống và trong b n thân các ả phƣơng tiện, các công ngh này giúp cho việ ệc giám sát, điều khi n luể ồng phƣơng tiện, gi m t c ngh n, cung cả ắ ẽ ấp các đƣờng thay th ế cho ngƣời di chuyển, tăng năng suất và ti t ki m th i gian và ti n b c. D a trên công ngh không dây kho ng cách ế ệ ờ ề ạ ự ệ ả ngắn, các phƣơng tiện có th ể trao đổi thông tin v i các trớ ạm thu phát đặt cố đị nh bên đƣờng (RSUs) m t cách t ng. Tuy nhiên, v i ti n b c a các h th ng không ộ ự độ ớ ế ộ ủ ệ ố dây khoảng cách dài, các phƣơng tiện có th giao ti p vể ế ới nhau.
2.2 Truyền thông trong mạng lƣới các phƣơng tiện
M t trong các y u t quan tr ng trong thành công c a công ngh là các lo i hình ộ ế ố ọ ủ ệ ạ ứng d ng khác nhau và chụ ất lƣợng d ch v ị ụ đƣợc ra. M t lo t d ch v mộ ạ ị ụ ới đƣợc đƣa ra trong h ệ thống mạng lƣới các phƣơng tiện nhƣ quảng bá có định hƣớng ƣu tiên c a vi c củ ệ ảnh báo phƣơng tiện, định tuyến các phƣơng tiện v i nhau. Các ng d ng ớ ứ ụ
Có nhi u ng d ng và d ch v an toàn giao thông mề ứ ụ ị ụ ức độ ƣu tiên cao của h ệ thống VLC trong mạng lƣới các phƣơng tiện. T t c ấ ả chúng giúp cho ngƣời lái đƣa ra quyết định an toàn trong giao thông tuân theo các lu t l giao thông. Các ậ ệ ứng d ng c nh báo tụ ả ốc độ ẽ r và tín hiệu đèn giao thông cảnh báo va ch m cho phép các ạ h t ng truy n tạ ầ ề ới các phƣơng tiện, các trạng thái đèn giao thông và sự ố u n cong của đƣờng tƣơng ứng
Các dịch v ụ
mạng
Mô tả và các ng dứ ụng/ Các d ch v quan trị ụ ọng
quảng bá đơn hop (I2V single hop
broadcasting)
Các ng dứ ụng đƣợc yêu c u bầ ởi đèn tín hi u giao thông ệ c nh báo tránh nhau và c nh báo tả ả ốc độ ẽ r . K t h p vế ợ ới V2I, nó có th cung c p d ch v cho các ng d ng h ể ấ ị ụ ứ ụ ỗ trợ r trái và h ẽ ỗ trợ ị d ch chuy n tín hi u d ng lể ệ ừ ại ở đó việc trao đổi thông tin hai chi u giề ữa các phƣơng tiện và các node mạng đƣợc yêu c u ầ
Quangr bá một hop b t k (V2I ấ ỳ one-hop
anycasting)
Trong vi c thu nh n thông tin, node h t ng x lý qua ệ ậ ạ ầ ử mạng xƣơng sống. D ch v mị ụ ạng này, cùng v i các d ch ớ ị v qu ng bá I2V, có th k t h p v i chuy n ti p nhi u hop ụ ả ể ế ợ ớ ể ế ề giữa các phƣơng tiện. S k t h p tự ế ợ ối đa sự ử ụ s d ng c a h ủ ạ t ng mầ ạng và các phƣơng tiện xƣơng sống nhƣ là các rơle và cơ hội để đế n m i node. ỗ
Chuy n ể tiếp giữa các phƣơng tiện (Multihop Inter-vehicle
Trong trƣờng h p này mợ ỗi phƣơng tiện hoạt động nhƣ một rơle và chuy n ti p các gói d li u theo m t t p luể ế ữ ệ ộ ậ ật để ngăn cản các vi c qu ng bá thông tin không c n thi t. D ch ệ ả ầ ế ị v m ng này tụ ạ ối đa khả năng thông tin đƣợc khu ch tán ế
Forwarding) nhanh chóng và tin c y gi a m t s ậ ữ ộ ố lƣợng lớn các phƣơng tiện. Do đó, nó phù hợp cung c p các d ch v cho các ng ấ ị ụ ứ d ng truy n bá thông tin kh n cụ ề ẩ ấp nhƣ là kế ợt h p c nh báo ả va ch m, cạ ảm biến trƣớc khi va chạm... Quảng bá gi a ữ các hàng xóm (Limited Neighbor Broadcasting)
D ch v ị ụ này cũng hoạt động trong lĩnh vực V2V, nhƣng qua hop đơn lẻ. M i thông tin quỗ ảng bá phƣơng tiệ ừ ấn t t t c các máy phát c a nó tả ủ ới các phƣơng tiện bên c nh cạ ủa nó. Nhƣng sự truy n bá thông tin b gi i h n b i m t hop, ề ị ớ ạ ở ộ và các phƣơng tiện hàng xóm không chuy n ti p thông tin ể ế mà chúng nhận đƣợc. Do đó các dịch v m ng ch cung ụ ạ ỉ cấp các phƣơng tiện v i thông tin trong vùng lân c n., ớ ậ b ng cách giằ ới hạn s m r ng cự ở ộ ủa sự quảng bá. Do đó, nó cung c p d ch v t i các ng d ng c n thông tin tu n hoàn ấ ị ụ ớ ứ ụ ầ ầ và c c b . Ví d , ng d ng cụ ộ ụ ứ ụ ảnh báo thay đổi yêu c u các ầ d ch v m ng bị ụ ạ ởi vì các phƣơng tiện ngay l p t c c n biậ ứ ầ ết v các v trí cề ị ủa các phƣơng tiện lân cận khi có thay đổi làn đƣờng, nhƣng không cần bi t thông tin cế ủa các phƣơng tiệ ởn xa. Quảng bá t ừ phƣơng tiện t i ớ h ạ t ng ầ (Vehicle- to/from Infrastructure Unicasting)
D ch v m ng unicast t ị ụ ạ ừ phƣơng tiện đến h t ng x y ra ạ ầ ả ở m ng V2I và I2V v i vi n c nh cung cạ ớ ễ ả ấp đƣờng lên và đƣờng xu ng cho các ng dố ứ ụng Internet phƣơng tiện tƣơng ứng. D ch v này hoị ụ ạt động qua các single hop và multiple hop t i node m ng c ng h t ng. B ng cách s d ng các ớ ạ ổ ạ ầ ằ ử ụ giao thức định tuyến, các phƣơng tiện đầu tiên tìm đƣờng đi tới các node m ng h tạ ạ ầng và sau đó truyền d n t i ẫ ớ gateway mà ở đó có thể ử ụng các phƣơng tiện khác nhƣ s d là các rơle. Dịch v này yêu c u các giao thụ ầ ức định tuyến để tìm đƣờng đi, và các dịch v ụ khác tìm đƣờng t i ớ phƣơng tiện và các node m ng qua truy n d n single hop ạ ề ẫ
th ng ITS s d ng m t s công ngh trong quá trình phát tri n. S tích h p c a công ngh thông tin và truy n thông v i h tệ ề ớ ạ ầng đƣờng xá và phƣơng tiện t o ra ạ m t h ộ ệ thống tích h p giúp cho phát tri n an toàn giao thông, nâng cao hi u qu ợ ể ệ ả giao thông, th i gian di chuy n và gi m t c ngh n, t o ra cờ ể ả ắ ẽ ạ ảm giác hài lòng khi điều khiển phƣơng tiện. K t n i các h ế ố ệ thống k t h p v i các d ch v u cuế ợ ớ ị ụ đầ ối, ITS cho phép s tích h p c a thông tin giao thông c p nhự ợ ủ ậ ật vào các quá trình thƣơng mại c a h ủ ệthống IT. Mô hình m ng tham chi u ITS g n ch t v i các k t n i c ạ ế ắ ặ ớ ế ố ụthể ữ gi a các h ệ thống giao thông h ệ thống con v i nhà cung c p d ch v thông tin ớ ấ ị ụ (Information Service Provider-ISP) c a h ủ ệ thống con và m t h ộ ệ thống phƣơng tiện con (vehicle subsystem-VS). Miêu t ng n g n v ki n trúc c a h ả ắ ọ ề ế ủ ệ thống ITS đƣợc trình bày dƣới đây.
2.3.1 Kiến trúc ITS
T ổ chức tiêu chu n viẩ ễn thông Châu Âu (ETSI) đã đƣa ra sự phát tri n quan ể tr ng cho kiọ ến trúc ISO TC 204 ITS nhƣ ở hình v 2.1. Mô hình ki n trúc cho ITS ẽ ế đƣợc phân chia thành các t ng: t ng truy nh p, t ng m ng và v n chuy n, t ng thi t ầ ầ ậ ầ ạ ậ ể ầ ế b (facility layer),t ng ng dị ầ ứ ụng nhƣ hình vẽ 2.1.
Tóm l i, ki n trúc c ạ ế ụthể các ki n trúc giao th c tham chi u c a các h ế ứ ế ủ ệ thống ITS. ITS bi u di n m t thành ph n nói chung cho h t ng truy n thông gi a các ể ễ ộ ầ ạ ầ ề ữ phƣơng tiện và các đƣờng ph . Ki n trúc giao th c tham chi u v ố ế ứ ế ề cơ bản tuân theo mô hình tham chiếu ISO/OSI, đƣợc m rở ộng theo phƣơng thẳng đứng b i các lở ớp b o m t và quả ậ ản lý nhƣ ở hình v . ẽ
Hình 2.1 Mô hình tham chi u cho ITS ế
Các chu n ITS h a h n cung c p các công ngh truy c p khác nhau. H các ẩ ứ ẹ ấ ệ ậ ọ chuẩn c th m t ki n trúc chung, các giao th c m ng và các khái ni m giao di n ụ ể ộ ế ứ ạ ệ ệ truy n thông cho các truy n thông không dây và có dây s d ng các công ngh truy ề ề ử ụ ệ cập khác nhau nhƣ 2G, 3G, vệ tinh, h ng ngoai, sóng siêu cao t n 5Ghz, sóng ồ ầ 60GHz milimeter, và các sóng vô tuy n d i r ng. Các công ngh truye c p có th ế ả ộ ệ ậ ể k t h p ch t ch cung c p các truy n thông broastcast, unicast và multicast giế ợ ặ ẽ để ấ ề ữa các trạm đi dộng và các trạm di động hay các tr m c nh trong khu v c ITS (ITS ạ ố đị ự sector). Tầng m ng và v n chuyạ ậ ển (networking and transport layer) đƣa ra kết n i ố Internet) và định tuy n bao g m nhi u giao th c v n chuy n và giao th c Internet ế ồ ề ứ ậ ể ứ đặc bi t cho Ipv6. V i h tr truy n thông, các h tr ng d ng, các thông báo d ch ệ ớ ỗ ợ ề ỗ ợ ứ ụ ị v .., t ng thi t b ụ ầ ế ị (facility layer) đƣợc tích h p trong mô hình trong khi các vợ ấn đề liên quan đến an toàn, rơ-le giao thông hi u qu và các ng d ng giá tr ệ ả ứ ụ ị gia tăng đƣợc x ử lý để ử ụ s d ng t ng ng d ng (application layer). T ng b o mở ầ ứ ụ ầ ả ật điều khi n và cung c p xác th c cho vi c m r ng các d ch v và ng d ng. T ng quể ấ ự ệ ở ộ ị ụ ứ ụ ầ ản lý và điều khi n tr nên c n thi t cho mô hình tham chi u cho viể ở ầ ế ế ệc điều khi n và ể hoạ ột đ ng chu n xác cẩ ủa các thành phần.
Thành phần h thệ ống phƣơng tiện con (Vehicle Station) Thành phần h thệ ống di động con (Personal Station) Thành phần h th ng l ệ ố ề đƣờng con (Roadside Station) Thành phần h th ng trung tâm con (Centeral Station) ệ ố
Hình 2.2 Kiến trúc truy n thông ITSề
H t ng truy n thông ITS bao g m các thành ph n h ạ ầ ề ồ ầ ệ thống ITS con và thƣờng là m t c ng k t n i tr m ITS (ITS station) v i các h ộ ổ ế ố ạ ớ ệ thống khác. Các phƣơng tiện yêu c u m t cầ ộ ổng phƣơng tiện k t n i v i trế ố ớ ạm phƣơng tiện (vehicle station) và tới các mạng phƣơng tiện thu c s h u c a các công ty. Các thành phộ ở ữ ủ ần này đƣợc kết n i trong b i m t m ng truy n thông. S k t n i gi a thành ph n h ố ở ộ ạ ề ự ế ố ữ ầ ệ thống phƣơng tiện con và thành ph n h ầ ệ thống di động con đƣợc th c hi n qua mự ệ ột môi trƣờng không dây ng n ho c k t n i có dây. ắ ặ ế ố Tƣơng tự nhƣ vậy, các h ệ thống thông tin phƣơng tiện tƣơng tác với các RSU mà các RSU này bao g m các h ồ ệ thống thông tin và các m ng truy nh p. Các ạ ậ router điểm truy c p (ậ routers access point), các tín
hi u và các cệ ổng thông báo thay đổi ch u trách nhi m cho viị ệ ệc đƣa ra việc k t nế ối d u thông tin gi a các thành phữ liệ ữ ần di động (phƣơng tiện) và Internet. Tuy nhiên các h ệ thống vô tuy n không có hi u qu v giá. Nó rế ệ ả ề ất khó để ựa trên các điể d m không dây dọc đƣờng ởcác khoảng cách nh . ỏ
2.3.3 So sánh giữa hệ thống VLC và hệ thống vô tuyến
Luật vô tuy n (radio law) gi i h n vi c s d ng mi n phí sóng vô tuy n trong ế ớ ạ ệ ử ụ ễ ế vi c truy n d n vô tuy n. M t khác, VLC không yêu c u s c p phép ệ ề ẫ ế ặ ầ ự ấ ở thời điểm hi n tệ ại. Cũng nhƣ vậy, theo băng tần gi i h n, ph t n s vô tuy n tr nên ngày ớ ạ ổ ầ ố ế ở càng t c ngh n. Nói tóm l i, truy n thông vô tuy n không dây g p ph i m t s v n ắ ẽ ạ ề ế ặ ả ộ ố ấ đề ặ m c dù đƣợc áp d ng r ng rãi m ng t bào và m ng c c b LAN. ụ ộ ở ạ ế ạ ụ ộ
Công suất truy n dề ẫn điện không th ể đƣợc tăng bởi vì ảnh hƣởng có h i tạ ới sức khỏe con ngƣời.
Vì giớ ại h n sóng vô tuy n, d i t n s và s c p phép b t c ngh n. ế ả ầ ố ự ấ ị ắ ẽ Các vấn đề ủ c a sóng vô tuyến đƣợc gi m thi u hi u qu b i VLC. ả ể ệ ả ở
M t h ộ ệthống VLC có th tiêu th íể ụ t năng lƣợng hơn hệthống vô tuy n, cho ế phép m r ng các m ng truy n thông mà không thêm vào các yêu c u v ở ộ ạ ề ầ ề năng lƣợng và gi m s phát x ra carbon v lâu dài. Công ngh xanh này phát triả ự ạ ề ệ ển nhƣ là m t công ngh thân thiộ ệ ện môi trƣờng đƣợ ử ục s d ng trong ITS. So sánh v i truy n ớ ề thông sóng vô tuyến, h ệthống VLC có các ƣu điểm sau:
Không có yêu cầu c p phép cho vi c s d ng ấ ệ ử ụ
Không có nguy hi m b c x sóng vô tuy n, ánh sáng nhìn th y an toàn vể ứ ạ ế ấ ới con ngƣời.
Dải băng thông rộng, cho phép truy n d n d u tề ẫ ữliệ ốc độcao
Tiêu thụ công su t th p- h u h t công suấ ấ ầ ế ất đƣợ ử ục s d ng cho vi c báo hi u ệ ệ Ánh sáng có kh p mắ ọi nơi. Truyền d n không dây có th d dàng thi t l p ẫ ể ễ ế ậ qua các thi t b VLC kế ị ết hợp với các ánh sáng và các hạ ầ t ng.
Một số ị k ch b n ITS ng d ng công ngh VLC: ả ứ ụ ệ
2.4.1 Kịch bản thứ nhất