Nghiên cứu công nghệ truyền VIDEO trong mạng VANET

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN BÁCH VIỆT

Nguyễn Bách Việt

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN VIDEO TRONG
MẠNG VANET
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

2014 - 2016
HÀ NỘI
2016

HÀ NỘI - 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

Nguyễn Bách Việt

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN VIDEO TRONG
MẠNG VANET
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. HOÀNG TRỌNG MINH

HÀ NỘI - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan các số liệu và nghiên cứu trong luận văn là trung thực, các thông
tin trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính
tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu
của các tác giả khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Bách Việt


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................i
MỤC LỤC ......................................................................................................................ii
DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .........................................................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ...............................................................................................vii
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................. Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PHƢƠNG TIỆN
GIAO THÔNG VANET ................................................................................ 1
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG VANET ............................................. 3
1.2 KIẾN TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM VANET ...................................................... 5
1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ ............................................................... 8
1.4 CÁC THÁCH THỨC CHÍNH CỦA VANET ......................................... 11
1.5 TRUYỀN VIDEO TRÊN VANET............................................................ 13
1.5.1 Nhu cầu truyền thông video trên VANET ........................................... 13
1.5.2 Đặc tính truyền tải video trên VANET ................................................ 14
1.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1........................................................................... 17
CHƢƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO TRONG MẠNG VANET .... 18
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG............................................................................... 18
2.2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG VANET ............... 18
2.2.1 Một số công nghệ truyền thông được sử dụng trong VANET ............. 18
2.2.2 DRSC và 802.11p ................................................................................. 19
2.3 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VANET ..................................................... 21
2.3.1 Yêu cầu định tuyến trong VANET ....................................................... 21
2.3.2 Phân loại các giao thức định tuyến VANET ........................................ 22
2.4 CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG VIDEO TRÊN VANET ............ 31
2.4.1 Các giải pháp cải thiện truyền dữ liệu .................................................. 32
2.4.2 Các giải pháp liên quan tới định vị ....................................................... 36


iii

2.4.3 Các giải pháp liên quan tới mô hình di chuyển .................................... 37
2.4.4 Các giải pháp truyền video trực tuyến.................................................. 39
2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2........................................................................... 41
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC ĐỀ XUÂT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG
TRUYỀN VIDEO TRONG MẠNG VANET ............................................ 42

3.1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 42
3.2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN REACT-DIS ............................................... 43
3.2.1 Nguyên lý chung .................................................................................. 43
3.2.2 Thuật toán kiểm soát hoạt động truyền ................................................ 44
3.3 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN REDEC ....................................................... 45
3.3.1 Nguyên lý chung .................................................................................. 45
3.3.2 Hoạt động điều khiển của REDEC ....................................................... 46
3.3.3 Thời gian chờ của nút ........................................................................... 48
3.4 MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VỀ HIỆU SUẤT CỦA REACT-DIS VÀ
REDEC ........................................................................................................ 49
3.4.1 Hiệu suất của giao thức REACT-DIS .................................................. 49
3.4.2 Hiệu suất của giao thức REDEC .......................................................... 52
3.5 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VIRTUS ...................................................... 54
3.5.1 Cơ chế hoạt động của giao thức VIRTUS ............................................ 56
3.5.2 Hiệu suất của giao thức VIRTUS ......................................................... 60
3.6 ĐÁNH GIÁ CÁC NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN GIAO THỨC
REACT-DIS ................................................................................................ 61
3.6.1 Đánh giá giao thức REACT-DIS và giao thức tràn lụt ........................ 61
3.6.2 Nghiên cứu cơ chế báo nhận hạn chế tích hợp với giao thức
REACT-DIS để cải thiện chất lượng dịch vụ...................................... 66
3.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ............................................................................. 70
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 77


iv

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3G

Third-Generation Technology

Công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba

AC

Access Categories

Cấp độ truy nhập

ACI

Access Category Index

Chỉ số cấp độ truy nhập

ACK

Acknowledgement

Báo nhận

AID

Adaptive Approach For Information
Dissemination

Giải pháp dựa trên trạm thu để tiến
hành lựa chọn các nút chuyển tiếp

AIFSN

Arbitration Inter Frame Space
Number

Số lượng khe thời gian thêm vào khi
tính toán AIFS

AMB

Ad Hoc Multi-Hop Broadcast

Quảng bá nhiều bước tùy biến

Ad-Hoc On-Demand Distance Vector

Định tuyến vectơ khoảng cách dựa
trên yêu cầu trong mạng ad-hoc

AP

Access Point

Điểm truy nhập

AU

Access Unit

Thiết bị truy nhập

BSS

Basic Service Set

Điểm dịch vụ cơ bản

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát sóng di động

Cluster Based Directional Routing
Protocol

Giao thức định tuyến hướng dựa trên
cụm

Contention-Based Forwarding

Chuyển tiếp dựa vào thay đổi địa lý

Cluster Based Location Routing

Giao thức định tuyến vị trí dựa trên
cụm

CBR

Cluster Based Routing

Giao thức định tuyến dựa trên cụm

CCH

Control Channel

Kênh điều khiển

AODV

CBDRP
CBF
CBLR

Đa truy nhập (đa người dùng) phân

CDMA

Code Division Multiple Access

COIN

Clustering For Open IVC Network

Giao thức định tuyến dựa trên cụm
cho mạng IVC

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lí trung tâm

chia theo mã


v

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

CTR

Cut-Through Rebroadcasting

Tái quảng bá

DCF

Distributed Coordination Function

Cơ chế truy nhập dựa trên phương
pháp truy nhập CSMA/CA

D-FPAV

Distributed Fair Transmit Power
Assignment For Vehicular Ad Hoc
Network

Tính công bằng trong phát quảng bá
bản tin

DIFS

Dcf Interframe Space

Khoảng thời gian các trạm phải chờ
thêm sau khi đường truyền rỗi

DSDV

Destination Sequences Distance
Vector

Giao thức định tuyến theo bảng dựa
trên vecto khoảng cách theo chặng

Dynamic Source Routing

Giao thức định tuyến nguồn động

Dedicated Short Range
Communications

Dịch vụ truyền thông phạm vi ngắn

Distributed Vehicular Broadcast
Protocol

Giao thức phát quảng bá xe phân phối

Electronic Communiations
Committee

Ủy ban Truyền thông điện tử

Enhanced Distributed Channel Access

Cơ chế phối hợp truy nhập kênh tăng
cường

FCC

Federal Communications
Commission

Ủy ban truyền thông liên bang

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPSR

Greedy Perimeter Stateless Routing

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM

Global System For Mobile
Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

ICI

Interchannel Interference

Nhiễu liên kênh

ITS

Intelligent Transportation Systems

Hệ thống giao thông thông minh

IVC

Intervehicle Communication

Truyền thông trong cùng một xe

LBB

Location Based Broadcast

Giao thức quảng bá dựa trên vị trí

Location Routing Algorithm With
Cluster Based Flooding

Giải thuật định tuyến vị trí

DSR
DSRC
DV-CAST

ECC

EDCA

LORA_CBF

vi

Media Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

Mobile Adhoc Network

Mạng truyền thông tùy biến di động

MIBR

(Mobile Infrastructure Based Vanet
Routing Protocol

Giao thức định tuyến VANET dựa
trên cơ sở hạ tầng di động

OBU

Onboad Unit

Đơn vị truyền thông trên phương tiện

ODAM

Optimized Dissemination Of Alarm
Message

Thời gian hoãn bản tin phát quảng bá

OFDM

Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

Quality Of Service

Chất lượng dịch vụ

RBVT

Road-Based Using Vehicular Traffic

Giao thức định tuyến theo mô hình
lưu lượng xe cộ

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận biết tần số vô tuyến

RMS

Root Mean Square

Độ lệch chuẩn trải trễ

RREQ

Router Request

Yêu cầu tuyến

RSU

Road Side Unit

Đơn vị truyền thông bên lề đường

Request To Send/Clear To Send

Cơ chế gửi gói tin

Service Channel

Kênh dịch vụ

Space Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo không
gian

SIFS

Short Inter-Frame Space

Không gian giữa khung ngắn

SME

Station Management Entity

Bộ phận quản lý trạm

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Traffic Infrastructure Based Cluster
Routing Protocol With Handoff

Giao thức định tuyến cụm dựa trên cơ
sở hạ tầng giao thông có chuyển tiếp

Urban Multi-Hop Broadcast Protocol

Giao thức quảng bá nhiều bước đô thị

V2I

Vehicle-To-Infrastructure

Kết nối giữa xe và cơ sở hạ tầng

V2R

Vehicle-To-Roadside

Kết nối giữa xe và các đơn vị bên về
đường

V2V

Vehicle-To-Vehicle

Kết nối giữa các xe

VANET

Vehicular Ad Hoc Network

Mạng giao thông xe cộ

WRP

Wireless Routing Protocol

Giao thức định tuyến không dây

MAC
MANET

QoS

RTS/CTS
SCH
SDMA

TDMA
TIBCRPH
UMB


vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Chất lượng của các dịch vụ theo yêu cầu của Video ..................................... 16
Bảng 2.1 Các công nghệ không dây trong truyền thông mạng VANET ....................... 19
Bảng 3.1 Các thông số video ......................................................................................... 50
Bảng 3.2 Các kịch bản mô phỏng .................................................................................. 62
Bảng 3.3 Thông số của giao thức REACT-DIS ............................................................ 62
Bảng 3.4 cấu hình chung. .............................................................................................. 63

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình mạng VANET .................................................................................... 4
Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống VANET điển hình ............................................................... 5
Hình 1.3 Tổng quan về các thiết bị trong OBU ............................................................... 6
Hình 2.1 Khái quát các công nghệ truyền thông trong mạng VANET ......................... 18
Hình 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến ................................................................. 23
Hình 3.1 Sơ đồ trạng thái của các nút trong REDEC. ................................................... 47
Hình 3.2 Thời gian chờ và khoảng cách tới chặng cuối ................................................ 49
Hình 3.3 (a) Độ trễ trong truyền Video – 3.3 (b) Ảnh hưởng của Thời gian chờ tối
đa trong tỷ lệ chuyển giao - 3.3 (c) Số gói tin đã gửi trong truyền video –
3.3 (d) So sánh giữa lợi ích và chi phí - Các dòng (line) miêu tả cho các

 khác nhau, các cột khác nhau miêu tả  , và các hàng là các tình
huống với tốc độ dữ liệu khác nhau. .............................................................. 51
Hình 3.4 (a) giao thức REDEC - Tỷ lệ chuyển tiếp tùy thuộc vào ( ,  ,  ) - 3.4(b)
độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối tùy thuộc vào (r, a, £) – 3.4(c) Số lần
truyền của các gói tin Video phụ thuộc vào ( ,  ,  ) .................................... 54
Hình 3.5 Chuyển tiếp, loại bỏ và lập lịch lại ................................................................. 57
Hình 3.6 Kiến trúc của giao thức VIRTUS ................................................................... 60
Hình 3.7 Mô phỏng cấu trúc liên kết ............................................................................. 62
Hình 3.8 Tình trạng truyền gói dữ liệu trong giao thức tràn lụt .................................... 64


viii

Hình 3.9 Tình trạng truyền gói dữ liệu trong giao thức REACT-DIS .......................... 64
Hình 3.10 Thông lượng – Giữa giao thức tràn lụt so với REACT-DIS ........................ 65
Hình 3.11 Tốc độ khi tới người sử dụng(goodput) – Giữa giao thức Flooding và
REACT-DIS ................................................................................................... 65
Hình 3.12 Tỷ lệ mất gói - Giữa giao thức Flooding và REACT-DIS ........................... 66
Hình 3.13 Định dạng tiêu đề của giao thức REACT-DIS với giới hạn ACK ............... 68
Hình 3.14 Thông lượng và tốc độ khi đến người sử dụng (goodput) – Giữa giao
thức REACT-ACK so với REACT-DIS với cơ chế ACK hạn chế................ 69
Hình 3.15 Tỉ lệ mất gói - Giữa giao thức REACT-ACK so với REACT-DIS với cơ
chế ACK hạn chế............................................................................................ 69


1

LỜI NÓI ĐẦU

Mạng tùy biến phương tiện giao thông Vehicular Ad-hoc Network (VANET)

là một giải pháp then chốt của hệ thống mạng giao thức thông minh. Các phương
tiện giao thông được trang bị nhiều loại thiết bị số để phục vụ các nhiệm vụ điều
khiển hay hỗ trợ điều khiển phương tiện trong nhiều khía cạnh khác nhau như bản
đồ số, đỗ xe, giải trí…. Để xây dựng một hạ tầng truyền thông, các phương tiện
giao thông được kết nối với nhau và với hạ tầng internet. Bên cạnh việc cung cấp
các dịch vụ an toàn, nhu cầu cung cấp và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện ngày
càng tăng do một số nhu cầu mới từ phía người sử dụng. Trong đó, truyền Video
trên mạng VANET là một hướng tiếp cận được các nhà nghiên cứu và triển khai
dịch vụ rất quan tâm trong thời gian gần đây do khả năng hỗ trợ thời gian thực và
tương tác trực quan đối với người điều khiển phương tiện giao thông đem lại cho
người sử dụng rất nhiều các dịch vụ hữu ích như có thể nhìn thấy hình ảnh của xe
phía trước hay đoạn đường phía trước, cung cấp cho người dùng các dịch vụ xem
video trực tuyến, họp hội nghị..., giúp người quản lý giao thông có thể giám sát
được các tuyến đường, và còn rất nhiều các dịch vụ hữu dụng khác có thể được sử
dụng nếu triển khai dịch vụ truyền Video trên mạng VANET.
Tuy nhiên, đặc tính cố hữu của truyền thông không dây nói chung và truyền
thông truyền thông trên mạng VANET nói riêng đã tạo ra một loạt thách thức như:
sự bất ổn định của kênh truyền, sự di chuyển của các nút mạng dẫn tới cấu hình
mạng thay đổi liên tục… Các điều kiện động đó đã dẫn tới vấn đề cung cấp chất
lượng dịch vụ cho các luồng Video rất phức tạp. Mặt khác, bài toán định tuyến
trong mạng truyền thông luôn được coi là yếu tố then chốt ảnh hưởng tới chất lượng
của các luồng lưu lượng và hiệu năng mạng. Các giao thức định tuyến kế thừa từ
mạng tùy biến không dây cần sửa đổi và đáp ứng được các điều kiện riêng biệt của
VANET nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tương ứng. Vì vậy, truyền Video trên
mạng VANET thông qua giao thức định tuyến sửa đổi là một hướng đi thu hút
nhiều nghiên cứu gần đây.


2

Từ các yêu cầu thực tiễn và xu hướng tiếp cận bài toán truyền Video, học viên
lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ truyền Video trong mạng giao thông
VANET” làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học.
Luận văn tập trung trực tiếp vào các giải pháp định tuyến để hỗ trợ truyền
thông Video qua mạng VANET. Thông qua khảo sát các đề xuất của các giả trước,
học viên thực hiện phân tích lợi điểm và tồn tại của vấn đề xử lý định tuyến cung
cấp truyền Video qua VANET. Bằng các phân tích lý thuyết và thực hiện mô
phỏng, luận văn sẽ tường minh các vấn đề kỹ thuật và kịch bản ứng dụng cụ thể
cũng như khả năng phát triển tiếp của mục tiêu sửa đổi giao thức định tuyến phù
hợp với VANET cho bài toán truyền Video. Nội dung của luận văn bao gồm các
phần chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông phương tiện giao thông
VANET
Chương 2: Các giải pháp truyền Video trong mạng VANET
Chương 3: Đánh giá các đề xuất các giải pháp cải thiện chất lượng truyền
Video trong mạng VANET
Học viên xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. HOÀNG TRỌNG MINH đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suất quá trình hoàn thành luận văn này.
Học viên hy vọng sau khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham
khảo có giá trị cho những người tìm hiểu, nghiên cứu về việc truyền Video trong
mạng tùy biến không dây.
Học viên

Nguyễn Bách Việt


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
PHƢƠNG TIỆN GIAO THÔNG VANET

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG VANET
Các nghiên cứu về mạng ad hoc di động trong suốt một thập kỉ qua chủ yếu
tập trung vào mạng với các nút được giả định là thiết bị di động cho một loạt các
ứng dụng trong quân đội và thương mại điện tử. Gần đây, một số các dự án trên
toàn thế giới đã bắt đầu nghiên cứu với mục tiêu sử dụng mạng ad hoc làm công
nghệ truyền thông cho các ứng dụng của phương tiện giao thông cụ thể trong khái
niệm rộng lớn hơn là hệ thống giao thông thông minh (ITS - Intelligent
Transportation Systems).
Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các
xe di chuyển đóng vai trò nút mạng và kết nối không dây để tạo nên một mạng tùy
biến không dây di động. Mỗi phương tiện giao thông có thể kết nối với nhau hoặc
với hạ tầng mạng trong một phạm vi nhất định tùy thuộc vào công nghệ truyền dẫn
(thông thường bán kính kết nối từ 100m - 300m). Kiến trúc tùy biến không dây cho
phép các phương tiện di chuyển và thay đổi hướng kết nối nhằm dùy trì các tuyến
truyền thông. Thông tin trao đổi trong mạng VANET rất đa dạng liên quan tới vấn
đề giao thông như: thông tin về lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, thông tin về tai
nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông
thường như đa phương tiện, Internet…[1]
Các ứng dụng mạng VANET bao gồm các hệ thống an toàn chủ động tận
dụng mạng V2V hoặc V2R nhằm hỗ trợ các lái xe trong việc tránh va chạm hoặc
điều kiện đường xá nguy hiểm. Nó điều khiển hành trình, thông tin về tắc nghẽn
thời gian thực và định tuyến, thông tin giải trí di động.v.v.
Việc xây dựng mạng VANET đáng tin cậy, có khả năng mở rộng và an toàn
đặt ra thách thức lớn về kỹ thuật. Tuy nhiên truyền thông xe trực tiếp dựa trên


4

VANET là công nghệ hứa hẹn nhất để hỗ trợ tính an toàn cho các hệ thống onboard do tính sẵn sàng cao, tính kết nối linh hoạt cao, tốc độ dữ liệu cao, độ trễ

chuyển giao thông tin giữa các xe thấp.
Mục đích chính của VANET là cung cấp sự an toàn và thoải mái cho hành
khách. Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông
sẽ cung cấp kết nối mạng tùy biến không dây tới hành khách. Mỗi thiết bị hoạt động
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. Xét trường hợp xảy ra va
trạm 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.
Người tham gia giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng VANET,
thậm chí có thể sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như trao đổi thông tin hình ảnh,
video, gọi điện video. Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương tiện tham gia
giao thông có thể tự động thanh toán các cước phí như phí gửi xe, phí cầu đường,…

Hình 1.1 Mô hình mạng VANET

Đặc điểm của mạng VANET tương tự như các mạng truyền thông không dây
tùy biến di động Mobile Adhoc Network (MANET) gồm: quá trình tự tổ chức, tự
quản lý, băng thông thấp và chia sẻ đường truyền vô tuyến. Tuy nhiên, VANET có
một số điểm đặc thù và sẽ đưa tới một số thách thức khác biệt cần phải vượt qua.


5

1.2 KIẾN TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM VANET
Một kiến trúc hệ thống VANET điển hình bao gồm các giao tiếp và nhiều
thành phần riêng rẽ như hình 1.2. Các miền kết nối của mạng VANET có thể chia
thành 3 vùng riêng biệt; kết nối trong phương tiện, kết nối tùy biến và kết nối hạ
tầng.

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống VANET điển hình

Kết nối trên phương tiện: là kết nối giữa đơn vị truyền thông trên phương
tiện OBU (Onboad Unit) với các thiết bị truy nhập AU (Access Unit). Thường sử
dụng truyền thông tầm ngắn để hỗ trợ các tính năng truyền thông tin an toàn giao
thông và giải trí.
Kết nối tùy biến: là kết nối giữa các phương tiện giao thông hỗ trợ các OBU
nhằm hình thành mạng giữa các phương tiện cho qua môi trường không dây.
Kết nối giữa RSU và BTS: phục vụ cho truy nhập hạ tầng thông tin chung để
các phương tiện giao thông truy nhập và tiếp nhận các thông tin an toàn giao thông
và giải trí từ môi trường mạng chung.
Dưới góc độ cấu trúc phần cứng, các thiết bị chính của hệ thống VANET
gồm hai thiết bị chính OBU và RSU.


6

a, Đơn vị truyền thông trên phƣơng tiện OBU
OBU được đặt trên xe để đáp ứng giao tiếp V2V và V2I. Nó cũng cung cấp
dịch vụ truyền thông AU và chuyển tiếp dữ liệu thay cho OBU khác trong mạng
Adhoc. Một OBU được trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên
công nghệ 802.11p. Thiết bị mạng được sử dụng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ
liệu liên quan trong mạng tùy biến. Một OBU có thể trang bị nhiều thiết bị mạng, ví
dụ: truyền không an toàn, dựa trên công nghệ vô tuyến khác theo tiêu chuẩn IEEE
802.11a/b/g/n. Các chức năng OBU và thủ tục bao gồm truy cập vô tuyến không
dây, định tuyến dựa vào vị trí địa lý, điều khiển tắc nghẽn mạng, chuyển dữ liệu an
ninh quan trọng…

Hình 1.3 Tổng quan về các thiết bị trong OBU

b, Đơn vị truyền thông lề đƣờng RSU
RSU là một thiết bị vật lý có các vị trí cố định trên đường hoặc các vị trí
chuyên dụng như trạm xăng, bãi đỗ xe, nhà hàng... Một RSU được trang bị ít nhất
một thiết bị mạng giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên chuẩn IEEE 802.11p. Một
RSU cũng có thể được trang bị các thiết bị mạng khác để cho phép liên lạc với một
mạng lưới cơ sở hạ tầng. Các chức năng chính của RSU như sau:


Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng tùy biến, có nghĩa là phân phối lại thông
tin để các OBU cùng với RSU có thể chuyển tiếp, phân phối thông tin an toàn.


7



Chạy các ứng dụng an toàn, chẳng hạn như cảnh báo cho V2I (cảnh báo cầu
thấp, công trường thi công,…) và hoạt động như nguồn phát và nhận thông tin.



Cung cấp kết nối Internet cho OBU.
VANET là một mạng không yêu cầu cơ sở hạ tầng như các hệ thống vô

tuyến đơn bước truyền thống như: không cần trạm gốc như trong hệ thống di động
tế bào (GSM CDMA, 3G); không cần điểm truy nhập để hỗ trợ như trong công
nghệ Wifi và Wimax. Về yếu tố khoảng cách, VANET có thể khắc phục được giới
hạn của truyền dẫn sóng vô tuyến nhờ vào các nút trung gian. Tuy nhiên, phương
pháp truyền thông này cũng dẫn tới các vấn đề liên quan tới chất lượng dịch vụ và
bảo mật. Trong mạng việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan

trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh
đứng tình hình giao thông hoặc các sự cố trên giao lộ) nhưng cũng có thể gây ra
những tác động nguy hiểm khôn lường (nếu như thông tin do một xe truyền đi là
không chính xác hoặc sai lệch). Sở dĩ như vậy vì khi thiết kế mạng này, thường thì
các thông tin sẽ được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút có thể gây
ảnh hưởng rất lớn do phản ứng dây chuyền.
Các đặc điểm chính của mạng VANET được tóm tắt dưới đây:
 Tính di động có thể dự đoán: với các mạng ad hoc khác, các nút di chuyển một
cách ngẫu nhiên. Trong mạng VANET, các xe bị hạn chế bởi các yếu tố như cấu
trúc đường bộ, luật giao thông, giới hạn an toàn và giới hạn vật lý ảnh hưởng
đến sự di chuyển của xe. Hành vi của người lái xe và tương tác với các lái xe
khác cũng góp phần vào mô hình chuyển động của xe. Vì thế có thể dự đoán
giới hạn chuyển động của nút.
 Giúp lái xe an toàn, giúp khách hàng thoải mái và nâng cao hiệu quả giao thông:
VANET cung cấp thông tin liên lạc giữa các phương tiện di chuyển, do đó cho
phép một tập các ứng dụng, yêu cầu truyền thông trực tiếp giữa các nút được
thực hiện qua mạng. Các ứng dụng như vậy có thể cung cấp trình tự điều khiển
theo cùng một hướng với những thông điệp cảnh báo về tai nạn hoặc những tình
huống bất ngờ, giúp người lái xe xây dựng một hình ảnh toàn cảnh về lộ trình


8

phía trước. Hơn nữa, các ứng dụng khác cũng được áp dụng thông qua kiểu
mạng này để giúp khách hàng thoải mái hơn và giao thông hiệu quả hơn như các
ứng dụng phổ biến thông tin về thời tiết, lộ trình và các điểm thông tin đáng
quan tâm như (trạm xăng, trung tâm mua sắm và thức ăn nhanh).
 Không khó khăn về mặt năng lượng: Vấn đề năng lượng trong VANET không
phải là thách thức như trong MANET, vì các xe có khả năng cung cấp điện liên
tục cho OBU qua pin có tuổi thọ dài.

 Mật độ mạng biến đổi, cấu trúc mạng rất năng động: Mật độ mạng trong
VANET thay đổi tùy thuộc vào mật độ giao thông, có thể rất cao trong trường
hợp ùn tặc giao thông hoặc rất thấp trong trường hợp giao thông ngoại thành.
Điều kiện giao thông có thể thay đổi rất nhanh chóng giữa đông đúc và thưa thớt
do ùn tắc giao thông.
 Thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc mạng: Nếu hai xe di chuyển ngược chiều
với tốc độ 25m/s (90km/h) và phạm vi truyền dẫn khoảng 250m thì kết nối giữa
hai xe chỉ kéo dài khoảng 5s.
 Mạng quy mô lớn: Quy mô mạng có thể lớn trong khu vực đô thị đông đúc như
trung tâm thành phố, đường cao tốc và các lối vào của thành phố lớn.
 Khả năng xử lý cao: Các nút trong mạng VANET là các xe, chúng có thể được
trang bị số lượng lớn các nút cảm biến và tài nguyên tính toán; chẳng hạn như
bộ vi xử lý, bộ nhớ dung lượng lớn, công nghệ ăng-ten tiên tiến và hệ thống định
vị toàn cầu (GPS). Các tài nguyên làm tăng khả năng tính toán của các nút, giúp
cho việc truyền thông vô tuyến đáng tin cậy và có được thông tin chính xác về vị
trí hiện tại, tốc độ và hướng di chuyển.

1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ
Thông tin liên lạc trong VANET có thể được sử dụng cho các yêu cầu rất đa
dạng với các ứng dụng tiềm năng. Căn cứ vào loại hình giao tiếp V2I hay V2V, các
ứng dụng của VANET có thể liệt kê vào các lớp như sau:


9

 Theo định hướng an toàn
 Theo định hướng thương mại
 Theo định hướng tiện ích
 Theo định hướng gia tăng giá trị

a, Ứng dụng theo định hƣớng an toàn
Ứng dụng an toàn bao gồm giám sát các đường xung quanh, tiếp cận xe, mặt
đường… Các ứng dụng an toàn đường bộ có thể được phân loại như là:
o Lưu lượng giao thông theo thời gian thực: Có thể được lưu trữ vào RSU
và có sẵn cho các xe bất cứ khi nào và bất cứ nơi nào cần thiết. Điều này
đóng một vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề như tắc
nghẽn giao thông, tránh tắc nghẽn và cảnh báo khẩn cấp tai nạn…
o Truyền thông hợp tác: Các xe đi chậm hoặc dừng lại sẽ trao đổi tin nhắn
và hợp tác để thông báo cho các xe khác. Mặc dù độ tin cậy và độ trễ sẽ
là mối quan tâm lớn, nhưng việc thông báo này có thể giúp cho các hệ
thống tự động hóa như hệ thống phanh khẩn cấp để tránh tai nạn tiềm
năng.
o Thông báo tình trạng khẩn cấp: Một chiếc xe bị tai nạn sẽ phát sóng
thông điệp cảnh báo về vị trí của mình để các xe xung quanh có thể đưa
ra quyết định trong thời gian nhanh chóng, cũng như thông báo cho các
lực lượng cứu hộ gần đấy để có thể kịp thời đến hỗ trợ.
o Thông báo về các mối nguy hiểm trên đường: Các xe đang lưu thông trên
đường có thể thông báo cho nhau về đường có sạt lở đất, thông tin liên
quan đến đường cua, đường khuất hay xảy ra tai nạn, đường đột ngột
xuống dốc…
o Hợp tác cảnh báo va chạm: Hai lái xe có khả năng cảnh báo tai nạn cho
nhau để có thể đưa ra hành động xử lý kịp thời. [51]
o Giám sát giao thông: Những chiếc máy ảnh, máy quay có thể được lắp
đặt tại các RSU (đặt ở các cột đèn giao thông hoặc đèn đường…) có thể
làm việc như các thiết bị giám sát giao thông trên đường của lực lượng


10

cảnh sát giao thông để có thể đưa ra các hình thức xử phạt nếu người

tham gia giao thông có vi phạm.

b, Ứng dụng thƣơng mại
Ứng dụng thương mại sẽ cung cấp cho người lái xe các dịch vụ giải trí và các
dịch vụ như truy cập web, streaming audio và video. Các ứng dụng thương mại có
thể được phân loại như là:
o Truy cập Internet: Phương tiện đi lại có thể truy cập Internet thông qua
RSU. Cung cấp cho người lái xe các dịch vụ vui chơi giải trí và các dịch
vụ như truy cập web, streaming audio và video.
o Hỗ trợ điều khiển: Mạng xe cộ cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ lái xe
tập quân sự[11]. Chẳng hạn như là một thay đổi đáng kể về phương
hướng, sẽ được gửi tin nhắn để thông báo cho người điều khiển, trình
điều khiển có thể cảnh báo trước các mối nguy hiểm tiềm năng, và có
thêm thời gian để phản ứng và tránh tai nạn.
o Đỗ xe tự động: Là ứng dụng thông qua đó một chiếc xe có thể đỗ mà
không cần tới sự can thiệp của người lái xe.
o Bản đồ số: Bản đồ các khu vực có thể được tải về bởi các trình điều khiển
theo yêu cầu trước khi đi du lịch tới một khu vực mới để hướng dẫn du
lịch. Ngoài ra, nội dung bản đồ được tải lên cơ sở dữ liệu đóng vai trò
như một cổng thông tin.
o Dịch vụ quảng cáo giá trị gia tăng: Điều này đặc biệt cho các nhà cung
cấp dịch vụ, những người muốn thu hút khách hàng đến cửa hàng của họ.
Thông báo các dịch vụ như trạm xăng, nhà hàng trên đường cao tốc của
họ đến các lái xe trong phạm vi giao tiếp. Ứng dụng này có thể có sẵn
ngay cả trong trường hợp không có Internet.

c, Ứng dụng tiện ích
Ứng dụng tiện ích được sử dụng chủ yếu trong quản lý giao thông với mục
tiêu nâng cao hiệu quả giao thông bằng cách thúc đẩy mức độ của sự thuận tiện cho
người lái xe. Các ứng dụng tiện lợi có thể được phân loại như là:

11

o Tìm đường: Thực hiện định tuyến và lập kế hoạch chuyến đi trong trường
hợp tắc nghẽn đường.
o Thu phí điện tử: Việc thanh toán các khoản phí có thể được thực hiện
bằng điện tử thông qua một trạm thu phí điện tử. Các trạm thu phí điện tử
sẽ đọc OBU đặt trên xe, OBUs làm việc thông qua GPS[43]
o Chỗ trống trong bãi đậu xe: Thông báo về các chỗ trống của bãi đậu xe ở
các thành phố lớn, giúp tìm chỗ trống trong bãi đậu xe một khu vực địa lý
nhất định.
o Hoạt động dự đoán: Dự đoán địa hình sắp tới của đường, trong đó dự
kiến để tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu bằng cách điều chỉnh tốc độ
trước khi bắt đầu hành trình.

d, Các ứng dụng gia tăng giá trị
Ứng dụng này là bổ sung với các ứng dụng nói trên. Các ứng dụng gia tăng
giá trị có thể là:
o Lợi ích môi trường: Việc thu thập dữ liệu giao thông thời gian thực với
môi trường có liên quan, và sử dụng những dữ liệu này để tạo ra thông tin
là một phần quan trọng nhằm lựa chọn giao thông thông minh cho người
sử dụng và các hệ thống sinh thái khác.
o Thời gian sử dụng: Người lái xe có thể tải Email để làm việc của mình
trong thời gian bị tắc nghẽn giao thông. Mọi người cũng có thể duyệt
Internet khi đang chờ đợi trong xe của người thân hoặc bạn bè.
o Tiết kiệm nhiên liệu: Khi ứng dụng hệ thống TOLL cho xe đang thu phí
tại các trạm thu phí mà không cần dừng xe, nhiên liệu được giảm khoảng
3%, đó là lượng tiêu thụ khi một chiếc xe như một chờ đợi trung bình
thường 2-5 phút.

1.4 CÁC THÁCH THỨC CHÍNH CỦA VANET
Các điểm đặc thù của chuyển động trong VANET tạo nên điểm đặc biệt của
VANET và gây ra các thách thức nhất định đối với truyền thông giữa các phương
tiện giao thông.


12



Vận tốc nút: Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của tính di động
trong VANET là vận tốc nút thay đổi liên tục. Trong trường hợp này, các nút
biểu thị cho các xe hoặc các thiết bị bên đường RSU (Road Side Unit). Vận
tốc nút có thể biến đổi từ 0 (cho các RSU đặt cố định, hoặc các xe đang đứng
yên, tắc đường) cho đến mức xe chuyển động 200 km/h. Đặc biệt, điều này
gây ra thách thức lớn cho thông tin liên lạc. Trong trường hợp vận tốc nút cao,
cửa sổ liên lạc không dây sẽ rất ngắn do phạm vi truyền tương đối nhỏ
(khoảng vài trăm mét).
Hơn nữa, các máy thu phát còn gặp phải các hiện tượng như hiệu ứng
Droppler. Trong việc xem xét các vấn đề liên quan đến phương tiện truyền
thông, việc sử dụng các giao thức định tuyến dựa trên topo mạng không phù
hợp (do cấu trúc mạng thay đổi nhanh và khi xe chuyển động với tốc độ cao
thì có thể thất bại), ngay cả khi có đầy đủ các thiết lập.



Mô hình chuyển động: VANET được đặc trưng bởi số nút di động (tức là theo
tốc độ xe ô tô). Tính di động có thể ảnh hưởng ít hay nhiều dựa vào cấu trúc
đường phố (đường phố nhỏ, đường cao tốc). Các xe không chuyển động lộn

xộn, mà nó được xác định trước, thường theo hai hướng. Thông thường có 3
loại đường:
o Đường thành phố: Trong thành phố, mật độ xe cao, có nhiều đường nhỏ,
nhưng cũng có nhiều đường lớn. Nút giao thông phân cách thành nhiều
phần. Thông thường có nhiều tòa nhà bên đường nên phương pháp truyền
thẳng bị hạn chế.
o Đường nông thôn: Những đường ở nông thôn thông thường lớn hơn ở
thành phố, ít các nút giao thông, ít các nhà cao tầng hơn thành phố. Điều
kiện giao thông thường không cho phép hình thành một mạng lưới vì ít xe
trên đường.
o Đường cao tốc: Đường cao tốc hình thành một con đường nhiều làn xe,
trong đó có phân đoạn rất lớn xác định lối ra của đường. Ở đây lưu lượng
truy cập tốc độ cao. Một nút có thể nhanh chóng vào hoặc thoát ra khỏi


13

mạng trong khoảng thời gian rất ngắn nên dẫn đến mạng phân vùng và
thay đổi liên kết.


Mật độ nút cao: Ngoài tốc độ và mô hình di chuyển, mật độ nút cũng là một
phần quan trọng của mạng xe cộ. Trong trường hợp mật độ rất thấp, không thể
ngay lập tức truyền tải được các bản tin trong vùng phủ. Vì vậy,trong trường
hợp này, truyền thông đa bước không dây đóng vai trò rất quan trọng.



Điều khiển giao thông và cảnh báo va chạm: kích thước mạng thay đổi liên tục
như lưu lượng truy cập xe cộ thấp ở vùng nông thôn và đêm ở khu vực đô thị

trong khi vào giờ cao điểm mạng bị nghẽn và va chạm xảy ra trong mạng.



Thiết kế lớp MAC: VANET thường sử dụng các phương tiện truyền thông phổ
biến trong môi trường chia sẻ để truyền thông, do đó thiết kế lớp MAC là vấn
đề chính. Nhiều phương pháp đã được đưa ra như: TDMA, SDMA, CSMA,…
IEEE 802.11 thông qua lớp MAC trong VANET đựa trên CSMA.



Bảo mật: VANET cung cấp các ứng dụng quan trọng nhất là các dịch vụ an
toàn giao thông. Vì vậy, các bản tin này phải được bảo mật tuyệt đối.

1.5 TRUYỀN VIDEO TRÊN VANET
1.5.1 Nhu cầu truyền thông video trên VANET
Sự hỗ trợ truyền thông đa phương tiện trên các phương tiện giao thông đem
lại một số lợi ích nhất định cho cả ứng dụng an toàn và ứng dụng giải trí. Đây là
bước tiếp theo để cung cấp khả năng giao tiếp và nhập các thông tin nhận được (ví
dụ: tốc độ, các đối tượng gần nhau, xe bị trục trặc), cơ chế tự động (ví dụ: Bãi đậu
xe, điều khiển hành trình) và thiết bị thông tin giải trí (như hiển thị trên màn hình,
video, hệ thống âm thanh, video game) một số loại xe có sẵn nhiều dịch vụ (ví dụ:
tránh va chạm, cảnh báo tai nạn, thông tin để phản ứng, dịch vụ điện toán đám mây,
trò chơi trực tuyến). Sự hợp nhất của các thiết bị, thông tin và dịch vụ cần sự hợp
tác của tất cả các thực thể tham gia để đưa tới một hệ thống an toàn giao thông hữu
ích.


14

Hiện nay đã có một vài công nghệ mới được phát triển cho phương tiện giao
thông nhằm hỗ trợ các tùy chọn cho các dịch vụ được triển khai trên VANET. Ví
dụ, đề xuất về cách phát hiện lái xe buồn ngủ để ngăn ngừa tai nạn[31] thông qua
cảm biến từ dây an toàn kết hợp với màn hình nhịp tim, nhận dạng khuân mặt buồn
ngủ, độ nắm chặt của tay cầm vô lăng để đánh giá hành vi của lái xe. Công nghệ có
sử dụng kính chắn gió kết hợp màn hình đã được đề xuất và đã được đưa vào áp
dụng thực tế [46] gồm: màn hình hiển thị đường/đường giới hạn ở các khu vực kém
sáng, dấu hiệu cho thấy các loài động vật hoang dã ở gần, thông báo sớm của đèn
giao thông chuyển sang màu đỏ để phục vụ cảnh báo. Việc giao tiếp giữa thiết bị
điều khiển trung tâm trên phương tiện giao thông với dịch vụ truy cập trực tuyến
cho hành khách cho phép bổ sung thông tin được lưu trữ phân tán, đẩy mạnh giải
pháp tính toán đám mây thông qua dữ liệu thu được từ các phương tiện giao
thông.[16]
Tuy nhiên, mạng VANET là một môi trường đầy thách thức cho việc truyền
tải các nội dung video do sự phân tán của mạng lưới, việc di chuyển và các yêu cầu
truyền Video khác nhau của các xe.[50] Vì vậy, dưới đây sẽ xem xét một số yếu tố
quan trọng trong vấn đề truyền tải các luồng video trên VANET.

1.5.2 Đặc tính truyền tải video trên VANET
Như ví dụ trên đã trình bày, kịch bản truyền video trong VANET có thể được
sử dụng để nâng cao hiệu quả ứng phó với các trường hợp khẩn cấp. Trong trường
hợp có tai nạn xe hơi thì một video sẽ được truyền trực tiếp từ vị trí có tai nạn đến
xe cứu thương để các nhân viên y tế có thể chuẩn bị cho việc cứu thương thích hợp.
Bên cạnh đó, Video này có thể được chuyển tiếp đến bệnh viện để các bác sĩ có thể
bắt đầu phân tích tình trạng của họ. Việc điều trị ban đầu được các bác sĩ đưa ra có
thể được phát sóng cho các bệnh viện khác, do đó, việc hỗ trợ thêm các bác sĩ cũng
nhanh chóng và chính xác hơn.
Thêm vào đó, khi xảy ra tai nạn trên một tuyến đường thì một video được
truyền tới các lái xe lân cận nhằm giúp họ kiểm tra các điều kiện giao thông và đưa
ra quyết định liên quan đến tuyến đường họ sẽ đi qua. Với những thông tin như vậy,

15

họ có thể lựa chọn một tuyến đường đến đích hiệu quả hơn. Mặt khác các xe được
trang bị máy quay giám sát hành trình, nó có thể giúp các cơ quan pháp luật sử dụng
hình ảnh để xác định xe hoặc người đi bộ mà họ đang tìm kiếm.
Kịch bản hỗ trợ giải trí thông thường cho hành khách trên phương tiện cho
phép gửi và nhận các video chất lượng cao cũng là một ứng dụng khác yêu cầu đặc
tính truyền tải video khác biệt. Ví dụ, khả năng truyền tải video cũng có thể được sử
dụng để hành khách thư giãn hoặc giải quyết công việc khi họ đang ở trong xe.
Tùy thuộc vào kịch bản ứng dụng, cung cấp các dịch vụ truyền video đặt ra
các yêu cầu và thách thức trong các mạng trong VANET. Một trong các yêu cầu
then chốt của việc truyền tải nội dung video nhằm đáp ứng thời gian thực và khả
năng chuyển giao.[30] Bên cạnh đó, trễ, jitter và tỷ lệ tổn thất gói là những điều
kiện ràng buộc ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng dịch vụ của người dùng cuối.
Vấn đề thách thức nhất trong truyền Video qua VANET là làm thế nào để đạt
tỷ lệ cao trong việc truyền tải thành công. Tỷ lệ chuyển phát gói tin là tỷ lệ phần
trăm của các gói tin/khung hình được tiếp nhận bởi các nút quan tâm đến nội dung
đó trên tổng số các gói tin/khung hình được gửi bởi nguồn. Tỷ lệ chuyển phát gói
tin không dễ dàng đạt được do cấu trúc động, đặc tính của truyền thông không dây
và xác suất bị ngắt kết nối của mạng VANET. Hiện tượng mất gói tin có thể dẫn
đến ba tình huống khác nhau khi truyền video:
 Một gói tin bị mất liên quan trực tiếp đến việc mất toàn bộ nội dung của
một khung hình video;
 Một gói tin có thể chứa thông tin nhiều hơn một khung hình, do đó cản trở
bên nhận ráp nối các khung hình lại;
 Một gói tin có thể chứa một phần thông tin của một khung hình và các máy
thu có thể có thể ráp nối một khung mất dữ liệu dựa trên gói tin khác. Các
gói tin bị mất liên quan chặt chẽ đến khung hình bị mất và thường tỷ lệ

thuận với chất lượng video nhận được.
Độ trễ là sự khác biệt thời gian trong việc tái hiện một video giữa người nhận
cuối cùng và người gửi. Nguyên nhân là do thời gian dành cho việc truyền tải dữ