Tìm hiểu về mạng di động tùy biến trong xe hơi (VANET)

1. Giới thiệu chung

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ và điện tử kết hợp với sự đa
dạng và phong phú về phương tiện kỹ thuật đã tạo nên những bước ngoặc mới hiện đại
hơn, tiên tiến hơn nhằm phục vụ vào đời sống con người. Và thông tin liên lạc được
mở rộng với những lĩnh vực mới với sự phát triển vượt bậc hơn chúng ta thường nghĩ.
Mạng di động trong xe hơi, xe không người lái… Là một trong những lĩnh vực đang
được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhằm đưa lại những hiệu
quả, những điểm nhấn mới trong bước phát triển của xe hơi. Để có thể hiểu sâu hơn về
sự phát triển của lĩnh vực công nghệ này, bài viết sau sẽ giới thiệu về các khái niệm tổng quan về mô hình hệ thống cũng như các công nghệ được sử dụng trong mô hình mạng di
động VANET cho xe hơi.

Mạng VANET cung cấp sự an toàn và thoải mái cho người tham gia điều khiển phương tiện giao thông. Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Ad-hoc cho người tham gia giao thông. Mạng này hướng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng, cho phép liên lạc đơn giản. Mỗi thiết bị trong mạng VANET sẽ là một nút mạng có thể trực tiếp gửi nhận hoặc làm trung gian
trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây. Nó có thể giải quyết một phần nào vấn đề kẹt xe, hay sự cố trên đoạn đường nào đó.

            Xét ví dụ cụ thể như nếu xảy ra va chạm giữa các phương tiện
trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được gửi đi thông qua mạng VANET tới các
phương tiện tham gia giao thông, cùng với các công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải
quyết sự cố, đảm bảo an toàn cho các phương tiện khác. Hoặc có thể trao đổi thông tin
về tình trạng giao thông giữa các xe với nhau để đưa ra lộ trình phù hợp nhất.

2. VANET là gì?

VANET: Vehicular ad-hoc netwok (mạng di động tùy biến trong xe hơi) là một
phần đặc biệt của Mobile Ad-hoc network. Nó là một hệ thống với các thiết bị không
dây giữa các xe, các trạm cố định trên các tuyến đường tạo thành một mạng, mọi giao
tiếp được thực hiện trong mạng, hệ thống sẽ giúp xe có thể liên lạc với nhau để chia sẻ
thông tin lẫn nhau: thông tin về giao thông, tình trạng kẹt xe, tắc đường, những tai nạn
phía trước hay những cảnh báo về nguy hiểm.

Mô hình mạng VANET: như hình 1.1

VANET sử dụng các công nghệ tiên tiến khi sử dụng hệ thống mạng không dây để kếtnối với nhau. Những công nghệ này giúp ích rất nhiều trong quá trình phát triển đặc biệt là mạng di động tùy biến trong xe hơi. Những công nghệ này thì được chia làm 2 nhóm chính trong đó có những mạng lưới sử dụng công nghệ có diện tích bao phủ lớn như GMS,
GPRS hoặc UMTS có băng thông vừa phải, ngoài ra còn sử dụng những công nghệ có
diện tích nhỏ như WLAN với băng thông lớn.

VANET sử dụng nhiều kiểu công nghệ di dộng như WiFi IEEE 802.11, WiMAX
IEEE 802.16, Bluetooth, ZigBee,... để dễ dàng trong việc trao đổi, sự chính xác hiệu quả
về thông tin giữa các xe với nhau.

3. Kỹ thuật và đặc điểm

Thông thường thì các xe (như một node mạng) đều di chuyển với tốc độ cao.
Trường hợp hai xe đi ngược chiều nhau thì thời gian mà hai xe có thể kết nối với nhau
rất ngắn.

Các xe thường xuyên ngắt kết nối với nhau, và sẽ liên tục kết nối với các xe gần
đó và như vậy đối với những nơi có mật độ xe thấp cần có các node mạng chuyển tiếp
để đảm bảo kết nối lâu hơn và ổn định hơn.

Chúng ta cần xác định được các thông tin về các vị trí để xe và các chuyển động
của chúng, nhưng thực sự rất khó để đoán chuyển động của các xe. Và để kiến trúc
mạng hoạt động hiểu quả hơn chúng ta cần phải nghiên cứa mô hình chuyển động và
có thể dự đoán trước đường đi của chúng

4. Kiến trúc và thành phần của mạng VANET

a. Kiến trúc mạng VANET

Trong mạng di động VANET, thông tin có thể được gởi và nhận thông qua việc
sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có, mạng tùy biến hoặc kết hợp cả hai. Mạng lưới xe cộ có
thể được chia thành ba nhóm kiến trúc chính:

- Di động/WLAN.

- Tùy biến.

- Kiến trúc lai.

Kiến trúc mạng di động/WLAN : WLAN hay mạng cục bộ không dây (wireless local
area network) là mạng cục bộ (LAN) gồm các máy con liên lạc với nhau bằng sóng vô
tuyến. Ở kiến trúc này các phương tiện giao thông sẽ giao tiếp với nhau dựa trê cơ sở hạ tầng hiện có ví dụ như trạm cơ sở trung tâm (AP)…Các máy trạm có thể kết nối với nhau
băng giao thức MAC IEEE 2802.11 không dây, 3G, LTE, LTE-Advance, IEEE 802.11
và IEEE 802.16. (Xem hình 1.2)

-  Mạng tùy biến: Mặc dù, mạng di động/WLAN hỗ trợ các ứng dụng xe cộ trên phạm vi rộng nhưng nhược điểm lớn nhất của mạng này là phải triển khai cơ sở hạ tầng. Trong
khi đó việc kết nối giữa điểm nối điểm đã khắc phục được việc triển khai cơ sở hạ
tầng. Kiến trúc này dựa trên giao tiếp giữa xe và xe.

Thông tin thu thập được từ các cảm biến cố định trong xe sẽ rất hữu ích trong
việc cảnh báo cho các xe khác về tai nạn hoặc trường hợp khẩn cấp khác và đôi khi hỗ
trợ cho cảnh sát trong việc truy tìm tội phạm. Mạng lưới cơ sở hạ tầng ít tốn kém trong
giao tiếp V2V. (Xem hình 1.3)

-  Kiến trúc lai: Mạng ad hoc không cần cơ sở hạ tầng cố định nhưng bị hạn chế
về phạm vi truyền tin và tính di động cao, gây ra những thay đổi nhanh chóng về cấu
trúc mạng. (Xem hình 1.4)

Việc thay đổi cấu trúc mạng nhanh như vậy không chỉ làm phân vùng mạng mà
còn dẫn đến việc phân vùng và liên kết định tuyến thất bại. Vì vậy kiến trúc lai là sự
kết hợp của kiến trúc mạng di động và kiến trúc mạng tùy biến hai kiến trúc này sẽ
tương tác và khắc phục những nhược điểm của chúng.

Trong kiến trúc lai, các thiết bị mạng không dây được cố định trong các đơn vị
liên lạc bên lề đường như tháp di động, các điểm truy cập và các phương tiện để tạo
điều kiện giao tiếp giữa chúng. Các kiến trúc lai giữa di động/WLAN và ad hoc cùng
nhau chia sẻ những nội dung phong phú và linh hoạt cao hơn.

b. Các thành phần của mạng VANET

Trong VANET, mỗi xe là một nút chuyển động tạo ra các mạng không dây với
các xe xung quanh nhờ vào các On-Board Units (OBUs), các chức năng chính của
OBU là trao đổi thông tin với các xe khác hoặc Road Side Units (RSUs). VANET
được thiết kế cho một loạt các ứng dụng hợp tác, đó là dịch vụ cung cấp thông tin cho
các lái xe nhờ vào dữ liệu được chia sẻ giữa tất cả các phương tiện trên mạng. Đây có
thể gọi là ứng dụng an toàn và ứng dụng tiện ích, các ứng dụng cho phép một số dịch
vụ bổ sung như thông tin giải trí, quản lý giao thông, thanh toán thu phí và các dịch vụ
dựa trên vị trí địa lý.

VANET cung cấp giao tiếp không dây giữa các phương tiện di chuyển, sử dụng
công nghệ giao tiếp sóng ngắn chuyên dụng (Dedicated Short Range Communications
- DSRC). Các xe có thể giao tiếp với các phương tiện khác một cách trực tiếp gọi là
giao tiếp xe và xe (V2V) hoặc giao tiếp với thiết bị cố định bên cạnh đường, gọi tắt là
đơn vị bên đường (RSU) tạo thành cơ sở hạ tầng giao tiếp với xe (V2I).
OBU là một thiết bị được gắn trên xe, được sử dụng để trao đổi thông tin với
RSUs hoặc với OBUs khác. Nó bao gồm một tập xử lý lệnh nguồn (RCP) và tập
nguồn bao gồm bộ nhớ đọc/ghi được sử dụng để lưu trữ và truy xuất thông tin, một
giao diện người dùng, giao diện chuyên dụng để kết nối với OBUs khác để giao tiếp
không dây trong phạm vi ngắn dựa trên công nghệ IEEE 802.11p. Nó có thể bao gồm
thiết bị mạng khác cho các ứng dụng tiện ích dựa trên các công nghệ vô tuyến khác
như IEEE 802.11a/ b/g/n. Các OBU kết nối với RSU hoặc OBUs khác thông qua một
liên kết không dây dựa trên 802.11p IEEE và chịu trách nhiệm về các thông tin liên
lạc với OBUs khác hoặc với RSUs; nó cũng cung cấp một dịch vụ thông tin liên lạc
đến AU và chuyển dữ liệu đến các OBUs khác trên mạng. Các chức năng chính của
OBU là truy cập vô tuyến không dây, định tuyến địa lý, kiểm soát tắc nghẽn mạng,
truyền tin đáng tin cậy, bảo mật dữ liệu.

AU là thiết bị được trang bị bên trong xe, sử dụng các ứng dụng của nhà cung
cấp bằng cách giao tiếp với OBU. AU có thể là một thiết bị chuyên dụng cho các ứng
dụng an toàn hoặc một thiết bị bình thường như PDA để truy cập Internet, AU có thể
được kết nối với các OBU thông qua một kết nối có dây hoặc không dây. Các AU giao
tiếp với các mạng chỉ qua OBU, vì vậy OBU chịu trách nhiệm cho tất cả các chức
năng di động và kết nối mạng

RSU là một thiết bị thường được đặt cố định dọc bên đường hoặc tại các địa
điểm dành riêng chẳng hạn như tại nút giao thông hoặc gần chỗ đậu xe. Các RSU
được trang bị một thiết bị mạng cho một giao tiếp sóng ngắn chuyên dụng (DSRC)
dựa trên 802.11p IEEE và cũng có thể được trang bị với các thiết bị mạng khác để sử
dụng cho các mục đích giao tiếp trong cơ sở hạ tầng mạng.

5. Ứng dụng mạng VANET

Các ứng dụng chính của VANET hiện nay là cung cấp dữ liệu an toàn, quản lý
giao thông, dịch vụ thu phí...Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của VANET là cung cấp dữ liệu kết nối an toàn để tránh va chạm, giảm thiểu thiệt hại cho các xe
khi có tai nạn và cung cấp những cảnh báo liên quan đến tình trạng đường và nút giao
thông. Gắn kết với các dữ liệu bảo mật là những thông điệp trách nhiệm, mà có thể
xác nhận rằng xe có mặt tại địa điểm xảy ra tai nạn và sau đó tạo thuận lợi trong trách
nhiệm sửa chữa về vụ tai nạn.

VANET cho phép thông tin liên lạc giữa các xe gần nhau và giữa các xe với
thiết bị cố định ở gần. Tất cả các loại xe được hưởng lợi từ VANET.
Một số ứng dụng trong VANET:

- Các dịch vụ khẩn cấp: Trong trường hợp khẩn cấp xảy ra đều cần có sự kết hợp của
các nhân viên cứu hộ. Cách hiệu quả nhất là dùng thiết bị không dây để liên lạc với
nhau. Tuy nhiên khi cơ sở hạ tầng gặp sự cố hoặc không hoạt dộng nửa thì giải pháp
mạng Ad hoc là phù hợp nhất, vì đối với những khu vực rộng lớn thì mạng Ad hoc là
phù hợp nhất có thể.

- Với các hội nghị, hội thảo việc trao đổi thông tin là cần thiết trong khi mạng gia đình chưa thực sự sẵn sàng.

- Mạng gia đình: Mạng Ad hoc cho phép chúng ta tự cấu hình và hình thành mạng.
- Mạng cá nhân: Mạng Ad hoc sẽ hỗ trợ hình thành các liên kết mạng cá nhân.

- Mạng cảm biến: Mạng cảm biến không dây là một ứng dụng điển hình của Ad hoc.
Hiện nay chủ yếu phục vụ cho quân sự, công an, tình báo, khảo cổ học, nghiên cứu địa
lý. Các bộ phận cảm biến có nhiệm vụ truyền thông và lưu trữ thông tin.