Tài liệu Nghiên cứu các giải pháp kết nối mạng cho giao thông thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KẾT NỐI MẠNG CHO GIAO THÔNG THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KẾT NỐI MẠNG CHO GIAO THÔNG THÔNG MINH Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đinh Văn Dũng HÀ NỘI – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các lý thuyết tham khảo đều được trích dẫn nguồn rõ ráng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Tuấn Anh 1 2 Mục tiêu nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là đưa ra được các giải pháp kết nối mạng nhằm xây dựng một hệ thống giao thông thông minh và từ đó rút ra các khuyến nghị mang tính chất định hướng cho hệ thống giao thông thông minh tại Việt Nam. Chương đầu luận văn nêu lên cái nhìn tổng quát và đưa ra các thách thức trong việc nghiên cứu, đây là các thách thức trong nhiều mặt nhưng đều là những thách thức nổi bật khi nghiên cứu xây dựng hệ thống ITS thực tế. Trong chương hai luận văn sẽ giới thiệu về các dự án ITS thực tế mà các nước và khu vực lớn đã xây dựng từ đó sẽ cho ta các tham khảo quý giá từ các hệ thống đã triển khai. Sau đó là các giải pháp cho các thách thức đã nêu ra ở chương một. Các giải pháp này đã được nghiên cứu có một số đã được thử nghiệm trong thực tế. Đặc biệt nghiên cứu các giải pháp cho giao thức định tuyến và giao thức chuyển tiếp gói tin, các tính chất riêng của hệ thống giao thông sẽ tao nên sự khác biệt tại hai mảng này so với mạng MANET thông thường. Chương ba sẽ đưa ra khảo sát cụ thể về đề xuất sử dụng giao thức định tuyến trong chương hai: đánh giá khả năng ứng dụng giao thức định tuyến MANET vào mạng VANET. Từ đó rút ra kết luận đánh giá. Chương bốn sẽ kế thừa kết quả của chương hai và ba để đưa ra một số khuyện nghị về kiến trúc, bộ giao thức sử dụng cũng như khuyến nghị về giải pháp kết nối mạng. Đề tài có ý nghĩa tham khảo cho các bên nghiên cứu về hệ thống giao thông thông minh ITS mở ra cái nhìn và hướng nghiên cứu tiếp theo. Đối với nhà chức trách thực hiện xây dựng hệ thống giao thông thông minh tại Việt Nam, khóa luận mang tính chất định hướng đưa ra một số khuyến nghị dựa trên các hệ thống được xây dựng sẵn của các nước đi đầu. 3 Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt. ............................................................................................. 6 Danh mục các hình vẽ. .................................................................................................................... 8 Danh mục các bảng biểu:................................................................................................................. 9 Chương 1. Tổng quan, các yêu cầu và thách thức kết nối mạng trong hệ thống ITS .................... 10 1.1. Giới thiệu. ........................................................................................................................... 10 1.2. Những ứng dụng và yêu cầu trong hệ thống ITS ................................................................ 10 1.2.1. Các ứng dụng trong mạng xe cộ. .................................................................................. 10 1.2.2. Các yêu cầu. ................................................................................................................. 13 1.3. Các thách thức trong nghiên cứu hệ thống ITS. ................................................................. 17 1.3.1. Địa chỉ và địa chỉ địa lý. ............................................................................................... 17 1.3.2. Phân tích và quản lý rủi ro. .......................................................................................... 17 1.3.3. Trung tâm dữ liệu tin cậy và xác minh......................................................................... 17 1.3.4. Ẩn danh, bảo mật và trách nhiệm pháp lý. ................................................................... 17 1.3.5. Bảo mật địa phương. .................................................................................................... 17 1.3.6. Giao thức định tuyến. ................................................................................................... 18 1.3.7. Thuật toán chuyển tiếp. ................................................................................................ 18 1.3.8. Hạn chế trễ. .................................................................................................................. 18 1.3.9. Mức ưu tiên của các gói dữ liệu. .................................................................................. 18 1.3.10. Độ tin cậy và xuyên lớp giữa lớp vận tải và lớp mạng. ............................................. 18 Chương 2: Các dự án ITS thực tế và giải pháp kết nối mạng trong hệ thống ITS ........................ 19 2.1. Dự án ITS, các kiến trúc và tiêu chuẩn tại Mỹ ................................................................... 19 2.1.1. Tiêu chuẩn ITS: ............................................................................................................ 19 2.1.2. Các dự án ITS của Mỹ: ................................................................................................ 20 2.1.3. Kiến trúc ITS và các giao thức chuẩn: ......................................................................... 22 2.2. Dự án ITS , các kiến trúc và tiêu chuẩn tại Nhật Bản. ........................................................ 26 2.2.1. Các dự án ITS tại Nhật Bản: ........................................................................................ 26 2.2.2. Kiến trúc ITS và các giao thức tiêu chuẩn: .................................................................. 28 2.3. Dự án ITS, các kiến trúc và tiêu chuẩn ITS ở Châu âu....................................................... 31 2.3.1. Tiêu chuẩn ITS: ............................................................................................................ 31 2.3.2. Dự án ITS: .................................................................................................................... 32 4 2.3.3. Các kiến trúc và các giao thức tiêu chuẩn tại Châu Âu:............................................... 33 2.4. Những giải pháp cho mạng hệ thống ITS. .......................................................................... 39 2.4.1. Địa chỉ và Địa chỉ địa lý ............................................................................................... 39 2.4.2. Phân tích rủi ro và quản lý ........................................................................................... 41 2.4.3. Trung tâm dữ tin cậy và xác minh tính tin cậy............................................................. 41 2.4.4. Ẩn Danh, tính riêng tư và trách nhiệm pháp lý ............................................................ 43 2.4.5. Bảo mật địa phương ..................................................................................................... 44 2.4.6. Giao thức định tuyến. ................................................................................................... 45 2.4.7. Thuật toán chuyển tiếp ................................................................................................. 48 2.4.8. Hạn chế trễ ................................................................................................................... 58 2.4.9. Mức ưu tiên các gói dữ liệu.......................................................................................... 62 2.4.10. Độ tin cậy và cross-layering giữa lớp vận tải và lớp mạng ........................................ 64 Chương 3. Đánh giá việc sử dụng giao thức định tuyến MANET vào VANET và hệ thống ITS. 67 3.1. Mô tả bài toán mô phỏng. ................................................................................................... 67 3.2. Mô phỏng. ........................................................................................................................... 67 3.3. Kết quả mô phỏng. .............................................................................................................. 69 3.3.1. Mô phỏng khi không có các trạm thu phát vô tuyến bên đường. ................................. 69 3.3.2. Mô phỏng khi sử dụng trạm thu phát vô tuyến bên đường. ......................................... 73 3.4. Kết luận ............................................................................................................................... 77 Chương 4. Đề xuất giải pháp kết nối mạng trong hệ thống ITS của Việt Nam ........................... 79 4.1. Hiện trạng giao thông tại Việt Nam. ................................................................................... 79 4.1.1. Quan điểm phát triển giao thông của chính phủ .......................................................... 79 4.1.2. Tầm nhìn đến năm 2030 ............................................................................................... 81 4.2. Khuyến nghị áp dụng hệ thống ITS vào Việt Nam. ............................................................ 81 4.2.1. Khuyến nghị về kiến trúc và giao thức sử dụng. .......................................................... 81 4.2.2. Khuyến nghị về kết nối mạng cho hệ thống. ................................................................ 84 4.3. Kết luận và các hướng nghiên cứu cho tương lai. .............................................................. 85 Tài liệu tham khảo. ........................................................................................................................ 87 5 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt. AMDS - Advisory Message Delivery Services () ASV - Advanced Safety Vehicle ASL - Application Sub-Layer AODV - Ad Hoc on demand distance vector A-STAR - Anchor based street and traffic aware Routing C2C-CC - Car 2 Car Communication Consortium COIN - Clustering for Open IVC Network CSMA/CA - Carrier sense multiple access with collision avoidance DoS – Denial of service attack DSRC - Dedicated Short-Range Communications DNS - Domain Name System DSR - Dynamic source routing DeReHQ - Delay-Reliability-Hop D-FPAV - Distributed Fair Power Adjustments for Vehicular environments ECN - Explicit Congestion Notification EMDV - Emergency message Dissemination for Vehicular environments FCC - Federal Communication Commission GNSS - Global Navigation Satellite System GPS - Global Positioning System GPSR - Greedy Perimeter stateless Routing GPCR - Greedy Perimeter coordinate Routing HTAS - High Tech Automotive Systems HVTRADE - History Enhanced V-TRADE ITS - Intelligent transportation system ISTEA - Intermodal Surface Transportation Effiency Act 6 IHVS - Intelligent Vehicle Highway Systems ITSA – Intelligent Transportation Society of America ITU - International Telecommunication Union NoW - Network on Wheels NS-2 - The Network Simulator MANET - A mobile ad hoc network MOPR - MOvement Prediction based Routing MHVB - Multi-Hop Vehicular Broadcast MCTP - Management Component Transport Protocol MOVE - MObility model generator for Vehicular networks LORA-CBF - Location based Routing Algorithm using Cluster based Flooding OBE - On Board Equipment PDS - Probe Data Service PROMPT - A cross-layer position-based communication protocol RITA – Research and Innovative Technology Administration RSE - Road-Side Equipment SLV - Secure Location Value STDMA - Self-Organized Time Division Multiple Access SUMO - Simulation of Urban Mobility TDMA / FDD - Time Division Multiple Access - Drequency Division Duplex UMB - Urban Multi-hop Broadcast Protocol VANET - Vehicular ad hoc network VSC - Vehicle Safety Communications V-TRADE - Vector-based Tracking Detection VCWCA - Vehicle collision warning communication WSMP - WAVE Short Message Protocol 7 Danh mục các hình vẽ. Hình 2.1: Dải tần DSRC tại Châu âu, Mỹ và Nhật Bản. Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống ITS của US DOT [1]. Hình 2.3. Cấu trúc của dự án IntelliDrive(sm). Hình 2.4. Giao thức WAVE [1]. Hình 2.6. Dải tần sử dụng trong ITS-Safety 2010. Hình 2.7. Tái phân bố phổ tần tại Nhật Bản [1]. Hình 2.8. Cấu trúc dự án ITS Smartway. Hình 2.9. Bộ giao thức áp dụng tại các dự án ITS Nhật Bản. Hình 2.10. Mô tả giao thức DSRC – ALS và các giao diện dịch vụ. Hình 2.11. Các đơn vị tiêu chuẩn hóa. Hình 2.12. Cấu trúc ITS ISO CALM. Hình 2.13. Kiến trúc hệ thống ITS tại Châu Âu. Hình 2.14. Giao thức IOS CALM tương ứng với mô hình OSI. Hình 2.15. CALM CI và Lớp mạng của CALM. Hình 3.1. Quy trình mô phỏng hệ thống giao thông. Hình 3.2. Mô phỏng AODV với VANET. Hình 3.3. Thông lượng truyền với khoảng cách 300m. Hình 3.4. Thông lượng truyền với khoảng cách 500m. Hình 3.5. Thông lượng truyền với khoảng cách 700m. Hình 3.6. Thông lượng thu với khoảng cách 300m. Hình 3.7. Thông lượng thu với khoảng cách 500m. Hình 3.8. Thông lượng thu với khoảng cách 700m. Hình 3.9. Thông lượng gói tin rớt với khoảng cách 300m. Hình 3.10. Thông lượng gói tin rớt với khoảng cách 500m. Hình 3.11. Thông lượng gói tin rớt với khoảng cách 700m. Hình 3.12. Trễ trung bình với khoảng cách 300m. Hình 3.13. Trễ trung bình với khoảng cách 500m. Hình 3.14. Trễ trung bình với khoảng cách 700m. Hình 3.15. Mô phỏng AODV với ITS. Hình 3.16. Thông lượng truyền với khoảng cách 700m. 8 Hình 3.17. Thông lượng truyền với khoảng cách 1000m. Hình 3.18. Thông lượng thu với khoảng cách 700m. Hình 3.19. Thông lượng thu với khoảng cách 1000m. Hình 3.20. Thông lượng gói tin rớt với khoảng cách 700m. Hình 3.21. Thông lượng gói tin rớt với khoảng cách 1000m. Hình 3.22. Trễ trung bình với khoảng cách 700m. Hình 3.23. Trễ trung bình với khoảng cách 1000m. Hình 4.13. Cấu trúc truyền thông ITS khuyến nghị [1]. Hình 4.14. Giao thức IOS CALM [1]. Danh mục các bảng biểu: Bảng 1.1: Các yêu cầu của các ứng dụng an toàn đường bộ. Bảng 1.2 : Các yêu cầu của các ứng dụng quản lý hiệu quả tốc độ. Bảng 1.3. Những yêu cầu cho các ứng dụng hợp tác chuyển hướng. Bảng 1.4. Những yêu cầu cho các ứng dụng hợp tác dịch vụ địa phương. Bảng 1.5. Những yêu cầu cho các ứng dụng dịch vụ internet toàn cầu. Bảng 1.6. Những yêu cầu cho các ứng dụng trạm ITS. Bảng 2.1. Các dự án ITS tại Mỹ. Bảng 2.2. Các dự án ITS tại Nhật Bản. Bảng 2.3. Các dự án ITS tại Châu âu (phần 1). Bảng 2.4. Các dự án ITS tại Châu âu (phần 2). Bảng 2.5. Các dự án ITS tại Châu âu (phần 3). Bảng 2.6: Các giao thức định tuyến đề xuất cho VANET Bảng 2.7. Tổng hợp giao thức chuyển tiếp trong VANETS Bảng 3.1. Các thông số mô phỏng. 9 Chƣơng 1. Tổng quan, các yêu cầu và thách thức kết nối mạng trong hệ thống ITS 1.1. Giới thiệu. Hệ thống mạng xe cộ là hệ thống sử dụng các ứng dụng liên quan phương tiện giao thông, người điều khiển, hành khách tham gia giao thông và cả người đi bộ. Hệ thống giao thông thông minh (ITS) nhằm mục tiêu là điều phối sắp xếp hoạt động của xe, phương tiện giao thông, hỗ trợ người điều khiển giao thông và các thông tin khác, cùng với các ứng dụng thuận tiện cho hành khách. Ví dụ như hệ thống thu phí tự động, trình điều khiển hỗ trợ hệ thống... Hệ thống này đã được nghiên cứu để có thể đưa ra được một tiêu chuẩn chung có các nguyên tắc hướng dẫn, yêu cầu và các giải pháp cho hệ thống truyền thông liên quan. Sự quan tâm đến hệ thống ITS không chỉ do các ứng dụng và các lợi ích tiềm năng của nó mà còn do những thách thức và quy mô của các giải pháp. Thách thức kỹ thuật chính cần vượt qua đó là tính di động của các phương tiện, bản chất của các ứng dụng thời gian thực với rất nhiều hệ thống và yêu cầu liên quan. Hơn nữa, các ứng dụng ITS yêu cầu thông tin được truyền giữa các ô tô trong mạng lười xe cộ như là một mạng ad_hoc có quy mô lớn. Những thách thức và cơ hội tạo nên sự hấp dẫn của mạng xe cộ đối với các chính phủ, các ngành công nghiệp và giới nghiên cứu công nghệ. Giữa năm 2000 tới năm 2009 một số bài báo đã xuất hiện viết về mạng xe cộ gồm nhiều chủ đề khác nhau từ các ứng dụng xe thông minh tới các giao thức định tuyến. 1.2. Những ứng dụng và yêu cầu trong hệ thống ITS 1.2.1. Các ứng dụng trong mạng xe cộ. Các ứng dụng mạng xe cộ có thể được phân loại như sau: - Ứng dụng an toàn đường bộ; - Giao thông hiệu quả và quản lý các ứng dụng; - Ứng dụng thông tin giải trí. 1.2.1.1. Các ứng dụng an toàn đƣờng bộ: Hoạt động ứng dụng an toàn đường bộ chủ yếu được sử dụng để giảm tai nạn giao thông và mất mát tới người. Các tai nạn đa phần có liên quan đến các giao lộ, các va chạm từ phía sau xe và bên thân xe. Các ứng dụng an toàn đường bộ sẽ cung cấp thông tin và hỗ trợ cho người điều khiển để tránh va chạm giữa các xe. Việc này có thể được thực hiện bằng cách chia sẻ thông tin giữa các xe và các đơn vị ở bên đường sau đó sẽ được sử dụng 10 để dự đoán va chạm và thông báo trở lại. [1] Những thông tin này bao gồm các thông tin như vị trí xe, vị trí ngã tư, tốc độ và khoảng cách của các nhóm xe. Bên cạnh đó, thông tin trao đổi giữa các xe và các đơn vị ở bên đường được sử dụng để xác định các vị trí nguy hiểm trên đường, chẳng hạn như đường trơn hoặc ổ gà. - Cảnh báo va chạm tại giao lộ: các nguy cơ va chạm bên thân cho xe đang tiếp cận nút giao thông được phát hiện bằng chính phương tiện hoặc đơn vị ở bên đường. Thông tin này được báo hiệu cho các phương tiện tiếp cận để giảm bớt nguy cơ va chạm bên hông xe. - Hỗ trợ thay đổi làn đường: giảm nguy cơ va chạm bên cho các phương tiện đang thực hiện thay đổi làn đường đặc biệt với các điểm mù cho xe tải. - Cảnh báo xe vượt: nhằm mục đích để ngăn chặn va chạm giữa các xe trong khi các xe vượt qua nhau, Ví dụ: khi một chiếc xe 3 nói với xe 1 sẵn sàng để vượt qua xe 1, trong khi đó một chiếc xe khác là xe 2 nói rằng xe này đã sẵn sàng vượt xe 3. Va chạm giữa xe 3 và xe 2 được ngăn chặn khi xe 2 thông báo với xe 3 để ngăn chặn thủ tục vượt qua của nó. - Cảnh báo va chạm đầu xe: nguy cơ về vụ va chạm của đầu xe được giảm bằng cách gửi cảnh báo sớm cho các phương tiện đang đi theo hướng ngược nhau. Trường hợp sử dụng này cũng được ký hiệu là " Do Not Pass Warning ". - Cảnh báo va chạm từ phía sau: giảm nguy cơ va chạm từ phía sau, ví dụ giảm tốc độ do có khúc cua (ví dụ, các đường cong, đồi núi trọc). Các trình điều khiển của một chiếc xe được thông báo về một nguy cơ có thể từ phía sau va chạm. - Hợp tác cảnh báo va chạm phía trước: một nguy cơ xảy ra tai nạn va chạm phía trước được phát hiện thông qua sự hợp tác giữa các xe. Các loại tai nạn này sau đó tránh được bằng cách sử dụng một trong hai cách đó là hợp tác giữa các xe hoặc thông qua trợ giúp lái xe. - Cảnh báo xe cần đi khẩn cấp: khi một chiếc xe cần di chuyển khẩn cấp hoạt động, ví dụ như xe cứu thương, xe cảnh sát, sẽ có thông báo cho các xe khác trong các vùng lân cận để giải phóng một hành lang khẩn cấp. Những thông tin này có thể được tái phát sóng trong khu vực lân cận bởi các xe khác và các đơn vị ở bên đường. - Pre-crash Sensing / Cảnh báo: sử dụng trong trường hợp một vụ tai nạn là không thể tránh khỏi sẽ diễn ra. Phương tiện đi lại và các đơn vị bên đường sẽ chia sẻ thông tin để dự đoán va chạm. Các thông tin trao đổi chi tiết bao gồm: các dữ liệu vị trí và kích thước xe và nó có thể được sử dụng để kích hoạt các ứng dụng tối ưu hóa các thiết bị xe để làm giảm tác động của vụ tai nạn. Những thiết bị như vậy có thể là thiết bị truyền động, túi khí, dây đai an toàn cơ giới. - Hỗ trợ hợp tác hợp nhất: Khi xe tham gia trong một đường giao nhau tự động đàm phán hợp tác với nhau và với các đơn vị ở bên đường để tránh va chạm. 11 - Đèn phanh điện tử khẩn cấp: Khi một xe sử dụng phanh cứng sẽ được thông báo cho các loại xe khác, bằng cách sử dụng sự hợp tác của các xe khác hoặc các đơn vị ở bên đường, về tình trạng này. - Cảnh báo lái xe sai: phát hiện một chiếc xe đi sai đường, ví dụ như, đường cấm, thì sẽ được báo hiệu tình trạng này cho các phương tiện và các đơn vị khác ở bên đường. - Cảnh báo xe đứng yên: sử dụng trong trường hợp bất kỳ chiếc xe đã bị vô hiệu hóa, do một tai nạn, sự cố hoặc lý do nào khác, thông báo cho các loại xe khác và các đơn vị ở bên đường về tình trạng này. - Cảnh báo giao thông điều kiện: bất kỳ chiếc xe phát hiện một sự thay đổi giao thông một cách nhanh chóng, thông báo cho các loại xe khác và các đơn vị ở bên đường về tình trạng này. - Vi phạm tín hiệu cảnh báo: một hoặc nhiều đơn vị bên đường phát hiện một hành vi vi phạm tín hiệu giao thông. Thông tin này được gửi đi từ các đơn vị ở bên đường cho tất cả các xe trong khu vực. - Cảnh báo nguy cơ rủi ro va chạm: một đơn vị ở bên đường phát hiện một nguy cơ va chạm giữa hai hoặc nhiều xe mà không có khả năng giao tiếp. Thông tin này được gửi từ các đơn vị ở bên đường tới tất cả các loại xe trong khu vực có sự kiện này. - Thông báo vị trí nguy hiểm: Khi bất kỳ chiếc xe hoặc bất cứ con đường gây nguy hiểm các đơn vị tín hiệu bên đường sẽ thông báo về các vị trí nguy hiểm, chẳng hạn như một trở ngại trên đường, công trường xây dựng hoặc điều kiện đường trơn trượt. - Cảnh báo Loss: cho phép các trình điều khiển của một chiếc xe thông báo một sự kiện mất kiểm soát với các xe xung quanh. Khi nhận được thông tin này, những chiếc xe xung quanh xác định sự liên quan của sự kiện và cung cấp một cảnh báo cho các trình điều khiển, nếu thích hợp. 1.2.1.2. Giao thông hiệu quả và ứng dụng quản lý: Giao thông hiệu quả và ứng dụng quản lý tập trung vào việc cải thiện lưu lượng giao thông xe, điều phối hỗ trợ giao thông và cung cấp, cập nhật thông tin địa phương, bản đồ nói chung, các thông điệp liên quan đến không gian hoặc thời gian [1]. - Quản lý tốc độ: Quản lý tốc độ là các ứng dụng quản lý nhằm mục đích hỗ trợ các trình điều khiển nhằm quản lý tốc độ và để tránh những trường hợp dừng xe không cần thiết. Thông báo giới hạn tốc độ được quy định theo hoàn cảnh. - Hợp tác chuyển hướng: Đây là loại ứng dụng được sử dụng để nâng cao hiệu quả quản lý lưu lượng xe bằng cách quản lý các chuyển hướng của xe thông qua sự hợp tác giữa các xe và thông qua hợp tác giữa các xe và các đơn vị ở bên đường. Một số ví dụ của loại này là thông tin giao thông và đề nghị hành trình dự phòng, hợp tác điều khiển hành trình thích ứng và platooning. 12 1.2.1.3. Ứng dụng thông tin giải trí: - Hợp tác với các dịch vụ địa phương: Đây là loại của các ứng dụng tập trung vào thông tin giải trí mà có thể thu được từ các dịch vụ tại địa phương dựa như điểm được thông báo có thể truy cập, thương mại điện tử địa phương và các phương tiện truyền thông . - Dịch vụ Internet toàn cầu: Tập trung vào dữ liệu thu được từ các dịch vụ Internet toàn cầu. Ví dụ điển hình là dịch vụ cộng đồng, trong đó bao gồm bảo hiểm và dịch vụ tài chính, quản lý đội xe và quản lý khu vực bãi đậu xe, và trạm dừng. Trong đó tập trung vào các bản cập nhật phần mềm và dữ liệu. 1.2.2. Các yêu cầu. Yêu cầu của mạng xe cộ có nguồn gốc bằng cách nghiên cứu các yêu cầu của các ứng dụng dành cho mạng xe cộ và các trường hợp sử dụng. 1.2.2.1. Phân loại các yêu cầu: Các yêu cầu của mạng xe cộ có thể được chia thành các loại sau đây: a. Yêu cầu chiến lược: (1) Mức độ triển khai mạng lưới xe cộ, ví dụ như, ngưỡng triển khai tối thiểu. (2) Chiến lược được xác định bởi các chính phủ và bên thực hiện. b. Yêu cầu kinh tế: Những yêu cầu này liên quan đến các yếu tố kinh tế, chẳng hạn như giá trị kinh doanh khi giá trị tối thiểu đạt được, nhận thức giá trị của khách hàng trong những trường hợp sử dụng, chi phí mua, chi phí duy trì và thời gian thu hổi vốn đầu tư trên toàn cầu. c. Yêu cầu về khả năng hệ thống: Khả năng liên lạc vô tuyến: chẳng hạn như : Phạm vi liên lạc vô tuyến; kênh tần số vô tuyến tuyến điện được sử dụng; băng thông và tỷ lệ bit; tính bền vững của các kênh thông tin liên lạc vô tuyến tuyến điện, mức độ tái truyền của các tuyên vô tuyến, khó khăn tín hiệu. Khả năng mạng lưới xe cộ, chẳng hạn như: độ phổ biến: unicast, broadcast, multicast, geocast; tập hợp dữ liệu; điều khiển tắc nghẽn; thông báo ưu tiên; quản lý phương tiện kênh và thực hiện kết nối; hỗ trợ IPv6 hoặc IPv4 địa chỉ; quản lý di động kết hợp với những thay đổi của địa điểm điểm truyền tin với Internet. Khả năng định vị xe tuyệt đối chẳng hạn như: Global Navigation Satellite System (GNSS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS); Khả năng định vị kết hợp: GNSS kết hợp với thông tin được cung cấp bởi một bản đồ địa lý địa phương [1]. Khả năng khác của chiếc xe: phương tiện giao tiếp cho các bộ cảm biến và radar; khả năng chiếc xe chuyển hướng. 13 Phương tiện truyền thông khả năng bảo mật: tôn trọng sự riêng tư và ẩn danh; tính toàn vẹn và bảo mật; khả năng chống các cuộc tấn công an ninh bên ngoài; xác thực của dữ liệu nhận được; dữ liệu và tính toàn vẹn của hệ thống. d. Yêu cầu hiệu suất hệ thống: Hiệu suất phương tiện truyền thông, chẳng hạn như thời gian trễ tối đa, tần số cập nhật và gửi lại thông tin; định vị chính xác xe; hệ thống đáng tin cậy và đáng tin cậy, chẳng hạn như vùng phủ sóng vô tuyến, tỷ lệ lỗi bit, blackzones (vùng không an toàn); thực hiện các hoạt động an ninh, chẳng hạn như thực hiện ký và xác minh các tin nhắn và chứng chỉ. e. Yêu cầu tổ chức: Những yêu cầu này liên quan đến các hoạt động tổ chức liên quan đến việc triển khai, đó là: chung và nhất quán đặt tên kho lưu trữ và thư mục địa chỉ cho các ứng dụng và các trường hợp sử dụng ứng dụng; phân bổ địa chỉ IPv6 hoặc IPv4; tổ chức phù hợp để đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống giao thông thông minh khác nhau; phù hợp tổ chức để đảm bảo sự hỗ trợ của các yêu cầu an ninh; tổ chức phù hợp để đảm bảo phân phối toàn cầu của tên toàn cầu và địa chỉ trong xe. f. Yêu cầu pháp lý: Những yêu cầu này liên quan đến trách nhiệm pháp lý: hỗ trợ và tôn trọng sự riêng tư của khách hàng, hỗ trợ trách nhiệm / trách nhiệm của các tác nhân, Hỗ trợ chặn hợp pháp. g. Tiêu chuẩn và các yêu cầu chứng nhận: Những yêu cầu này liên quan đến tiêu chuẩn hóa và chứng nhận, đó là: hỗ trợ tiêu chuẩn hóa hệ thống, hỗ trợ của trạm chuẩn hóa hệ thống giao thông thông minh, hỗ trợ kiểm tra sự phù hợp của sản phẩm và dịch vụ, hỗ trợ thử nghiệm khả năng tương tác hệ thống, hỗ trợ quản lý rủi ro hệ thống. 1.2.2.2. Yêu cầu hệ thống trong khi thực hiện sử dụng một số trƣờng hợp: Phần này, trình bày một số các yêu cầu về hiệu năng hệ thống trong một số trường hợp sử dụng được đề cập trong phần 1.2.1: a) Yêu cầu hệ thống thực hiện "các ứng dụng an toàn đường bộ ": Yêu cầu hệ thống hiệu suất của các ứng dụng an toàn đường hoạt động được đưa ra trong bảng 1.1. Khoảng cách phủ sóng kết hợp với các loại ứng dụng khác nhau từ 300 m đến 20000 mét tùy thuộc vào trường hợp sử dụng. b) Hiệu năng hệ thống yêu cầu " giao thông hiệu quả và quản lý các ứng dụng: Yêu cầu hiệu suất hệ thống của các ứng dụng quản lý tốc độ được đưa ra trong Bảng 1.2. Khoảng cách phủ sóng liên kết với các loại ứng dụng khác nhau từ 300 mét đến 5000 mét, tùy thuộc vào các trường hợp sử dụng. Yêu cầu hiệu suất hệ thống của các ứng dụng điều hướng hợp tác được đưa ra trong Bảng 1.3. Khoảng cách phủ sóng liên kết với các loại ứng dụng khác nhau từ 0 mét đến 1000 mét, tùy thuộc vào trường hợp sử dụng. 14 Trƣờng hợp sử dụng Phƣơng thức truyền thông Tần số truyền nhỏ nhất Độ trễ Cảnh báo va chạm tại giao lộ Quảng bá tin nhắn định kì 10 Hz <100 ms Hỗ trợ chuyển làn xe Hợp tác giữa các xe 10 Hz <100 ms Cảnh báo vượt xe Quảng bá trạng thái vượt xe 10 Hz <100 ms Cảnh báo va chạm đầu xe Quảng bá tín hiệu xe 10 Hz <100 ms Hợp tác cảnh báo và chạm phía trước Truyền thông giữa các xe nhằm hợp tác nâng cao nhận thức của các xe về vấn đề sắp tới 10 Hz <100 ms Cảnh báo xe cần đi khẩn cấp Phát quảng bá thông tin 10 Hz <100 ms Hỗ trợ hợp tác hợp nhất Truyền thông giữa các xe nhằm hợp tác nâng cao nhận thức của các xe về vấn đề sắp tới 10 Hz <100 ms Cảnh báo nguy cơ rủi ro va chạm Các tin nhắn định kì có thời gian hạn chế trong sự kiện 10 Hz <100 ms Bảng 1.1: Các yêu cầu của các ứng dụng an toàn đường bộ. Trƣờng hợp sử dụng Phƣơng thức truyền thông Quản lý giới hạn tốc độ dựa trên từng hoàn cảnh thực tế Phát quảng bá tin nhắn theo định kì không giới hạn thời gian phát Tư vấn tốc độ tối ưu Phát quảng bá tin nhắn theo định kì không giới hạn thời gian phát Tần số truyền nhỏ nhất Độ trễ 1 – 10 Hz phụ thuộc công nghệ Không yêu cầu 10 Hz <100 ms Bảng 1.2 : Các yêu cầu của các ứng dụng quản lý hiệu quả tốc độ. Trƣờng hợp sử dụng Phƣơng thức truyền thông Thu phí điện tử Sử dụng internet trên xe và truyền unicast full duplex session Hợp tác điều khiển hành trình Hỗ trợ hợp tác 15 Tần số truyền nhỏ nhất Độ trễ 1 Hz < 200 ms 2 Hz (một số hệ thống là 25 Hz [20]) < 100 ms Hợp tác giữa các xe – hệ thống đường cao tốc tự Hỗ trợ hợp tác động (platoon) 2 Hz < 100 ms Bảng 1.3. Những yêu cầu cho các ứng dụng hợp tác chuyển hướng. c) Yêu cầu hệ thống thực hiện "hợp tác dịch vụ địa phương": Yêu cầu hệ thống thực hiện các ứng dụng "hợp tác dịch vụ địa phương" được đưa ra trong Bảng 1.4. Khoảng cách phủ sóng liên kết với các loại ứng dụng khác nhau từ 0 m đến phạm vi đầy đủ thông tin liên lạc, tùy thuộc vào trường hợp sử dụng. Trƣờng hợp sử dụng Điểm dịch vụ Phƣơng thức truyền thông Phát quảng bá định kỳ và thường xuyên ITS địa phương , thương Truyền full duplex; giữa các mại điện tử địa phương đơn vị bên đường và xe Tải đa phương tiện Người dùng truy nhập vào web Tần số truyền nhỏ nhất Độ trễ 1 Hz < 500 ms 1 Hz < 500 ms 1 Hz < 500 ms Bảng 1.4. Những yêu cầu cho các ứng dụng hợp tác dịch vụ địa phương. d) Yêu cầu hệ thống thực hiện "dịch vụ Internet toàn cầu": Yêu cầu hệ thống thực hiện các ứng dụng dịch vụ cộng đồng được cho trong bảng 1.5. Khoảng cách phủ sóng thay đổi từ 0 m tới phạm vi đầy đủ thông tin liên lạc, tùy thuộc vào các trường hợp sử dụng. Trƣờng hợp sử dụng Phƣơng thức truyền thông Dịch vụ bảo hiểm và tài chính Truy nhập vào internet Quản lý đội xe Truy nhập vào internet Tần số truyền nhỏ nhất Độ trễ 1 Hz < 500 ms 1 Hz < 500 ms Bảng 1.5. Những yêu cầu cho các ứng dụng dịch vụ internet toàn cầu. Yêu cầu hiệu suất hệ thống của các ứng dụng trạm (ITS) được đưa ra trong bảng 1.6. Khoảng cách phủ sóng liên kết với các loại ứng dụng khác nhau từ 0 mét phạm vi đầy đủ thông tin liên lạc. Trƣờng hợp sử dụng Cung cấp cập nhật dữ liệu phần mềm cho xe Phƣơng thức truyền thông Truy nhập vào internet 16 Tần số truyền nhỏ nhất Độ trễ 1 Hz < 500 ms Bảng 1.6. Những yêu cầu cho các ứng dụng trạm ITS. 1.3. Các thách thức trong nghiên cứu hệ thống ITS. Nhiều ứng dụng khác nhau, từ các ứng dụng hệ thống thông tin giải trí, chẳng hạn như là phương tiện truyền thông tải về, các ứng dụng an toàn giao thông, như lái xe hỗ trợ hợp tác nâng cao nhận thức, đều có các yêu cầu đa dạng về các công nghệ mạng hỗ trợ xe cộ. Những yêu cầu đa dạng dẫn đến một số thách thức trong nghiên cứu. 1.3.1. Địa chỉ và địa chỉ địa lý. Một số ứng dụng của hệ thống giao thông thông minh yêu cầu các thông số về địa chỉ vị trí của xe hoặc vị trí của một khu vực địa lý. Tính di động làm cho việc theo dõi và quản lý "địa chỉ địa lý" cực kỳ khó khăn, đây là một thách thức cần vượt qua. 1.3.2. Phân tích và quản lý rủi ro. Phân tích và quản lý rủi ro là yêu cầu xác định, quản lý và phân tích các mối đe dọa và các cuộc tấn công trong giao tiếp xe cộ. Giải pháp đề phòng các cuộc tấn công đã được đề xuất, nhưng các mô hình hành vi của kẻ tấn công vẫn còn thiếu. 1.3.3. Trung tâm dữ liệu tin cậy và xác minh. Đối với nhiều ứng dụng xe sự tin cậy của các dữ liệu có ích hơn sự tin cậy của các nút đang truyền thông dữ liệu này. Trung tâm dữ liệu tin cậy cung cấp thông tin tin cậy nghĩa là các ứng dụng xe để đảm bảo rằng các thông tin truyền thông được tin cậy và người nhận có thể xác minh tính toàn vẹn của thông tin nhận được để bảo vệ mạng xe cộ khỏi các lưu lượng truy cập giả mạo xâm nhập trên đường vận chuyển, các mối đe dọa an ninh và các cuộc tấn công. 1.3.4. Ẩn danh, bảo mật và trách nhiệm pháp lý. Các phương tiện nhận được thông tin từ các phương tiện khác hoặc các thực thể mạng khác có thể bằng cách nào đó tin tưởng vào thực thể tạo ra thông tin này. Đồng thời, tính bảo mật của nguồn thông tin là một quyền cơ bản được bảo vệ ở nhiều nước bởi luật. Bảo mật có thể được cung cấp bằng cách sử dụng nhận dạng xe vô danh. Một trong những thách thức chính ở đây là sự phát triển của một giải pháp có thể để hỗ trợ cho sự cân bằng giữa sự riêng tư, xác thực và trách nhiệm, khi mạng có tiết lộ thông tin truyền thông và nguồn gốc thông tin cho các cơ quan chính phủ nhất định. 1.3.5. Bảo mật địa phƣơng. Là khả năng "từ chối dịch vụ” (DoS) có thể phục hồi cơ chế, liên quan đến các ứng dụng bảo vệ mạng lưới xe chống lại những kẻ tấn công cố tình lấy thông tin về vị trí của xe. 17 1.3.6. Giao thức định tuyến. Định tuyến luôn là bài toán cần giải quyết cho các hệ thống truyền thông. Mặc dù hoạt động của các mạng VANET gần giống với với của MANET, song tính chất di động tốc độ cao và đặc điểm chuyển động không thể đoán trước là những vấn đề cần xem xét. 1.3.7. Thuật toán chuyển tiếp. Chuyển tiếp các gói tin khác so với định tuyến, mục tiêu của định tuyến là chọn con đường tốt nhất có thể để đến điểm đích, trong khi chuyển tiếp là có liên quan về việc làm thế nào các gói dữ liệu được chuyển giao từ một nút khác sau khi một tuyến đường được chọn. Mạng xe với các topo thay đổi liên tục và phức tạp thì để có thuật toán chuyển tiếp tốt là thách thức lớn cần giải quyết. 1.3.8. Hạn chế trễ. Gói dữ liệu được gửi bởi các ứng dụng cho mạng xe cộ thường có thời gian truyền và vị trí để có thể truyền chính xác. Thách thức chính là việc thiết kế các giao thức cho truyền thông của xe để cung cấp hiệu suất trễ tốt theo các ràng buộc với tốc độ xe, kết nối không đáng tin cậy, và những thay đổi topo nhanh. 1.3.9. Mức ƣu tiên của các gói dữ liệu. Gói dữ liệu thực hiện an toàn giao thông và thông tin hiệu quả giao thông thường có ý nghĩa cao hơn và do đó sẽ cần được chuyển nhanh hơn các gói khác. Phần lớn các hoạt động nghiên cứu đã tập trung vào việc làm thế nào để cung cấp các ưu tiên cao nhất. Khi trường hợp khẩn cấp xảy ra, việc sử dụng kênh có khả năng suy giảm do tính quảng bá lớn của tin nhắn khẩn cấp. 1.3.10. Độ tin cậy và xuyên lớp giữa lớp vận tải và lớp mạng. Do tính chất không dây của mạng lưới, một tuyến đường có thể đột nhiên phá vỡ. Do đó, điều quan trọng là cung cấp càng nhiều tuyến đường đáng tin cậy càng tốt. Thiết kế giao thức cross-layer, trong đó khoảng giữa lớp giao vận và các lớp định tuyến, có thể mang lại lợi ích trong các mạng xe hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực và đa phương tiện. 18