Những cải tiến trong đánh giá tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức virtual traffic light thông qua vanet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VÕ TRỌNG NHÂN

NHỮNG CẢI TIẾN TRONG ĐÁNH GIÁ TỐI ƯU LƯU
LƯỢNG GIAO THÔNG DỰA TRÊN GIAO THỨC
“VIRTUAL TRAFFIC LIGHT” THÔNG QUA VANET
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số: 10140005

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Đỗ Hồng Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Trương Quang Vinh

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. Đặng Thành Tín

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 30 tháng 12 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: TS. Vũ Phan Tú
2. Thư ký: TS. Hà Hoàng Kha

3. Phản biện 1: TS. Trương Quang Vinh
4. Phản biện 2: PGS.TS. Đặng Thành Tín
5. Ủy viên: TS. Đỗ Hồng Tuấn
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆNTỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Võ Trọng Nhân
10140016
Họ tên học viên: ........................................................................
MSHV: ............................
Thiên Huế
28/09/1986
Ngày, tháng, năm sinh: ..............................................................
Nơi sinh: Thừa
........................
Kỹ thuật điện tử
10140005
Chuyên ngành: ...........................................................................
Mã số : ..........................

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Những cải tiến trong đánh giá tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức
.............................................................................................................................................
“Virtual Traffic Light” thơng qua VANET
.............................................................................................................................................

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu kỹ về VANET, giao thức đèn giao thơng ảo.
.............................................................................................................................................
Từ đó sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, đánh giá khả năng tối ưu lưu lượng giao thông
.............................................................................................................................................
24/06/2013
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : .....................................................................................
22/11/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .....................................................................
Tiến sỹ Đỗ Hồng Tuấn
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: .............................................................................................

.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Trong một xă hội phát triển hiện nay, các hình thức trao đổi thơng tin trở nên đa
dạng, phong phú và đòi hỏi chất lượng ngày càng cao hơn. Internet và thông tin di
động là hai yếu tố phát triển mang tính chất tồn cầu quyết định chất lượng thông
tin của các quốc gia ngày nay.
Một trong những thành tựu trong giai đoạn hiện tại là sự ra đời của công nghệ
VANET (Vehicular Ad-Hoc Network); công nghệ này xây dựng mạng lưới cho
phép các phương tiện giao thông có thể giao tiếp được với nhau và tự tổ chức cách
thức hoạt động.
Trong khuôn khổ luận văn, học viên muốn đưa ra một cái nhìn tổng quan về mạng
VANET và ứng dụng giao thức đèn giao thông ảo trong tối ưu lưu lượng giao
thơng.
Do cịn hạn chế về hiểu biết lý thuyết, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Học viên rất mong nhận được những phản hồi đóng góp từ thầy cơ và bạn bè để
hồn thiện hơn nữa luận văn này.
Học viên xin chân thành cám ơn TS. Đỗ Hồng Tuấn, trưởng khoa Điện-Điện Tử
trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ học viên thực hiện luận
văn này. Thầy đã theo dõi và tận tình hướng dẫn học viên hồn thành các cơng việc
được giao.

Tp. Hồ Chí Minh,ngày 30 tháng 12 năm 2013
Học viên

Võ Trọng Nhân


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn “Những cải tiến trong đánh giá tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao

thức “Virtual Traffic Light” thông qua VANET” bao gồm bốn phần chính:
+ Phần một trình bày về lý do và mục tiêu cần đạt được khi học viên chọn để tài:
“Những cải tiến trong đánh giá tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức
“Virtual Traffic Light” thông qua VANET”.
+ Phần hai trình bày các khái niệm, kiến trúc, giao thức định tuyến cũng như một số
công nghệ không dây sử dụng trong VANET.
+ Phần ba trình bày chi tiết về thuật tốn đèn giao thơng ảo, cách thức các phương
tiện giao thơng tự tổ chức để hình thành đèn giao thơng ảo.
+ Phần cuối cùng trình bày các kết quả mô phỏng bằng Matlab để đánh giá chất
lượng thuật toán trong tối ưu lưu lượng đồng thời cũng đưa ra một số giải pháp giúp
giải quyết các vấn đề gây ùn tắc giao thông. Công cụ sử dụng trong lập trình mơ
phỏng là Matlab – một cơng cụ khá quen thuộc tại các trường đại học. Đây là đề tài
cải tiến của một đề tài trước đây dựa trên việc mơ phỏng một mơ hình giao thơng
phức tạp hơn và mang tính tổng qt hơn cũng như có khả năng mở rộng.
Qua bốn phần trên, học viên hy vọng bạn đọc có một khái niệm tương đối đầy đủ về
mạng VANET và thuật tốn đèn giao thơng ảo ứng dụng trong VANET. Bên cạnh
đó, bạn đọc cũng sẽ có một cái nhìn mới mẻ về hệ thống giao thơng tương lai của
nhân loại, khi việc di chuyển của các phương tiện chủ yếu bằng cách tự giàn xếp và
tổ chức cách thức hoạt động để vừa đảm bảo an toàn, vừa đảm bảo tiết kiệm tối đa
năng lượng và hạ tầng sử dụng.


MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH ......................................................................................................3
MỤC LỤC BẢNG .....................................................................................................4
TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU – THUẬT NGỮ .........................................................5
Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU ..........................................................................................7
1.1

Đặt vấn đề ......................................................................................................7

1.2

Mục tiêu đề tài ...............................................................................................7

Phần 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ ................................................................................10
2.1 Kiến thức chung ...............................................................................................10
2.2 Kiến trúc hệ thống Car-to-X ............................................................................11
2.2.1 Mơ hình các lớp giao thức .........................................................................14
2.2.2 Geocast ......................................................................................................15
2.3 VANET và các ứng dụng đặc thù ....................................................................18
2.3.1 Các ứng dụng an tồn cơng cộng ..............................................................18
2.3.2 Quản lý mật độ lưu lượng giao thông .......................................................21
2.3.2.1 Giám sát giao thông ............................................................................21
2.3.2.2 Hỗ trợ ở các giao lộ .............................................................................22
2.3.3 Ứng dụng giải trí .......................................................................................22
2.4 Khảo sát một số công nghệ viễn thông sử dụng trong VANET ......................23
2.4.1 WLAN-IEEE 802.11 .................................................................................23
2.4.2 WiMAX .....................................................................................................24
2.4.3 Bluetooth ...................................................................................................25
2.4.4 ZigBee .......................................................................................................25
2.4.5 DSRC và 802.11p (WAVE) ......................................................................26
2.4.6 Cấp phát kênh và tần số .............................................................................29
2.4.7 Mạng di động (Cellular Network) .............................................................31
2.4.8 Thông tin vệ tinh .......................................................................................32
2.4.9 Hệ thống dữ liệu vô tuyến và kênh thông tin giao thông ..........................33
2.5 Định tuyến trong VANET ...............................................................................33
1

2.5.1 Các thách thức và yêu cầu đối với định tuyến trong VANET ..................33
2.5.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong VANET....................................36
2.5.2.1 Các giải pháp cơ bản ...........................................................................37
2.5.2.2 Các giải pháp dựa trên ứng dụng bản đồ ............................................44
2.5.2.3 Các giải pháp dựa trên quỹ đạo di chuyển ..........................................47
2.5.2.3 Các giải pháp dựa trên thông tin lưu lượng giao thông ......................49
Phần 3: ĐÈN GIAO THƠNG ẢO – THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG .............56
3.1 Quản lý giao lộ sử dụng đèn giao thơng ảo .....................................................56
3.1.1.1 Q trình lựa chọn Leader ..................................................................58
3.1.1.2 Thông điệp truyền trong VTL .............................................................59
3.1.1.3 Hiệu quả trong quản lý giao lộ ...........................................................60
3.1.1.4 Các thách thức ....................................................................................60
3.2 Chi tiết thuật tốn VTL ....................................................................................61
Phần 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ..............................................68
4.1 Mô tả độ đo định lượng để kiểm chứng: .........................................................68
4.2 Kết quả cho từng bài toán và nhận xét đánh giá ..............................................73
4.2.1 So sánh giữa đèn giao thông ảo và đèn giao thông truyền thống ..............73
4.2.1.1 Lưu lượng luồng 1 cao hơn lưu lượng luồng 2 ...................................73
4.2.1.2 Lưu lượng luồng 1 cao hơn luồng 2 ở mật độ xác suất cao ................74
4.2.1.3 Lưu lượng luồng 1 bằng lưu lượng luồng 2 ........................................76
4.2.2 Các giải pháp xử lý khi có tai nạn và giải quyết vấn đề lưu lượng ...........80
4.2.2.1 Giải pháp xử lý khi có tai nạn xảy ra trên đường ...............................80
4.2.2.2 Giải pháp khi số xe nghẽn một hướng vượt quá ngưỡng....................82
4.3 Hướng phát triển đề tài ....................................................................................84
KẾT LUẬN ..............................................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................89

2

MỤC LỤC HÌNH
Hình 2-1: Mơ hình C2C-CC ................................................................................................ 12
Hình 2-2: Kiến trúc giao thức trong hệ thống thông tin C2X .............................................. 15
Hình 2-3: Bảng thơng tin vị trí............................................................................................. 16
Hình 2-4: Geographic unicast .............................................................................................. 17
Hình 2-5: Geographically-scoped broadcast........................................................................ 17
Hình 2-6: Topologically-scoped broadcast (trong ví dụ này scope = hops = 2) .................. 18
Hình 2-7: Các mơ hình phịng tránh va chạm (CCA) .......................................................... 19
Hình 2-8: Minh họa Abiding geocast .................................................................................. 21
Hình 2-9: Giải pháp lai cho việc truy cập Internet .............................................................. 23
Hình 2-10: Chuẩn DSRC ..................................................................................................... 28
Hình 2-11: Cấp phát kênh tần số ......................................................................................... 31
Hình 2-12: Phân loại các giao thức định tuyến trong VANET ............................................ 37
Hình 2-13: Điểm neo và khoảng bảo vệ .............................................................................. 39
Hình 2-14: Các node coordinator trong GPCR .................................................................... 41
Hình 2-15: Node v và w nằm trong tầm phát nhưng khơng xem nhau là neighbor............. 42
Hình 2-16: Node u khơng thực sự là coordinator do nó nằm ở khúc cua ............................ 42
Hình 2-17: Thuật tốn Restricted Greedy trong 1 con đường ............................................. 43
Hình 2-18: Lưu ý về mặt khơng gian trong chuyển tiếp greedy .......................................... 45
Hình 2-19: Danh sách các giao lộ quyết định đường đi gói tin ........................................... 46
Hình 2-20: Ví dụ về chuyển tiếp greedy .............................................................................. 46
Hình 2-21: Ví dụ về tính tốn điểm gần nhất trong GeOpps ............................................... 49
Hình 2-22: Giải thuật khơi phục A-STAR ........................................................................... 51
Hình 2-23: Vấn đề đối với giải thuật phục hồi A-STAR ..................................................... 52
Hình 3-1: Ví dụ về tắc đường .............................................................................................. 56
Hình 3-2: Minh họa các trường hợp xe đi vào giao lộ ......................................................... 57
Hình 3-3: Giản đồ quá trình hình thành đèn giao thơng ảo ở giao lộ .................................. 59
Hình 3-4: Giao lộ với vịng LOA và LONR ........................................................................ 61
Hình 3-5: Nguyên lý hoạt động của VTL ............................................................................ 63
Hình 3-6: Máy trạng thái VTL ............................................................................................. 66

Hình 4-1: Mơ hình giao lộ được sử dụng trong mơ phỏng. ................................................. 70
Hình 4-2: Kết quả khi lưu lượng luồng 1 cao hơn luồng 2 .................................................. 73
Hình 4-3: Kết quả khi lưu lượng luồng 1 cao hơn luồng 2 ở mật độ xác suất cao .............. 75
Hình 4-4: Kết quả khi lưu lượng luồng 1 bằng luồng 2 ở mật độ xác suất thấp.................. 76
Hình 4-5: Kết quả khi lưu lượng luồng 1 bằng luồng 2 ở mật độ xác suất trung bình ........ 78
Hình 4-6: Kết quả đánh giá khi lưu lượng luồng 1 bằng luồng 2 ở mật độ xác suất cao .... 79
Hình 4-7: Kết quả đánh giá các luồng sau khi có tai nạn xảy ra ......................................... 81
Hình 4-8: Kết quả phân luồng sau khi số xe nghẽn 1 hướng vượt ngưỡng ......................... 82
Hình 4-9: Tự động chuyển hướng xe và tăng thêm chu kỳ xanh đỏ.................................... 83
Hình 4-10: Mạng lưới giao thông thành phố Porto hiển thị trong phần mềm DIVERT ..... 85

3


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 3.1: Biến môi trường trong mô phỏng thuật toán VTL ...................................61
Bảng 3.2: Các điều kiện hoạt động của VTL ............................................................63
Bảng 3.3: Mô tả các trạng thái ở giản đồ máy trạng thái VTL .................................66
Bảng 4.1: Mối quan hệ giữa giá trị trung bình (mean) và lưu lượng ........................68
Bảng 4.2: Chu kì lấy mẫu ..........................................................................................71
Bảng 4.3: Kết quả tính tốn.......................................................................................73
Bảng 4.4: Kết quả tính tốn ......................................................................................75
Bảng 4.5: Kết quả tính tốn.......................................................................................76
Bảng 4.6: Kết quả tính tốn.......................................................................................78
Bảng 4.7: Kết quả tính tốn.......................................................................................79
Bảng 4.8: Kết quả tính tốn.......................................................................................81
Bảng 4.9: Kết quả tính tốn.......................................................................................82
Bảng 4.10: Kết quả tính tốn.....................................................................................83

4

TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU – THUẬT NGỮ
Từ viết tắt
3G

Tên đầy đủ

Từ viết tắt

Tên đầy đủ

3-Generation
Advanced Mobile Phone
System
Anchor-based Street and
Traffic-Aware Routing

LONR

Line Of No Return

MAN

Metropolitan Area Network

MANET

Mobile Adhoc Networks

AU

Application Unit

MDDV

C2C

Car to Car

METD

AMPS
A-STAR

Mobility-Centric Data
Dissemination Algorithm
Minimum Estimated Time of
Delivery

C2I

Car to Car Communication
Consortium
Car to Infrastructure

C2X

Car to X

OFDM

CAR

Connectivity-aware routing
Cooperative Collision
Avoidance
European Conference of
Postal and
Telecommunications
Administrations
Carrier sense multiple access
with collision avoidance
traffic simulator
Dedicated Short Range
Communications
European
Telecommunications
Standards Institute
Emergency warning
message
Federal Communications
Commission
Geographical Opportunistic
routing for Vehicular
networks
Greedy perimeter
coordinator routing

PAN

OnBoard Unit
Orthogonal frequencydivision multiplexing
Personal Area Network

PER

Packet Error Rate

PSDU

Physical Layer Service Data
Unit

GPRS

general packet radio service

UMTS

GPS

Global Positioning System

V2I

C2C-CC

CCA

CEPT
CSMA/C
A
DIVERT
DSRC
ETSI
EWM
FCC
GeOpps
GPCR

5

MoVe

Motion vector Scheme

OBU

RBDS
RDS
RFID

Radio Broadcast Data
System
Radio Data System
Radio-frequency
Identification

RSU

Road Side Unit

SADV

Static Node-Assisted
Adaptive Routing Protocol

SAR

Spatially Aware Routing

TMC

Traffic Message Channel

UDLR

UniDirectional Link Routing
Universal Mobile
Telecommunications System
Vehicle to Infratructure


GSM

Global System for Mobile
Communications

V2V

GSR

Geographic source routing

VADD

HS

Hotspot
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Intelligent Transportation
Systems

VANET

Vehicle-Assisted Data
Delivery
Vehicular Adhoc Networks

VTL

Virtual Traffic Lights

LAN

Local Area Network

WIMAX

LOA

Line Of Activity

WLAN

IEEE
ITS

WAVE

6

Vehicle to Vehicle

Wireless Access in
Vehicular Environments
Worldwide Interoperability
for Microwave Access
Wireless Local Area
Network


Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nước
trên thế giới. Những chiếc điện thoại đi động tiên tiến ra đời tương thích với các thế
hệ di động tiên tiến. Mơ hình mạng MANET đã được triển khai và ứng dụng phổ biến
tại thị trường Việt Nam từ nhiều năm nay. Nó giúp cho các thiết bị di động có thể kết

nối với nhau mọi lúc mọi nơi dựa trên công nghệ truy cập của mạng Ad Hoc mà
không cần thiết phải triển khai cơ sở hạ tầng phức tạp. Tuy nhiên, không dừng ở đó,
thế giới đang tiến tới một cơng nghệ mới hơn, đó chính là mạng di động tùy biến
VANET. Với mạng di động tùy biến VANET, nhiều nước đã đưa vào hệ thống giao
thông thông minh. Mỗi chiếc xe chuyển động trên đường được coi như một node
mạng, chúng trao đổi thông tin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad
Hoc nói chung và của mạng VANET nói riêng [1]. Việc triển khai mạng VANET
trong hệ thống giao thông là rất thực tế và hữu dụng. Nhờ cơng nghệ này, tình trạng
tắc đường, tai nạn giao thơng sẽ được kiểm sốt. Việc thu phí đường cũng trở nên
nhanh gọn và dễ kiểm sốt hơn mà khơng cần tốn nhân lực.
1.2 Mục tiêu đề tài
Dựa trên ý tưởng về khả năng xây dựng mạng lưới giao thông trong đó các xe giao
tiếp được với nhau, truyền nhận các tín hiệu giao thơng ảo mang tính đồng bộ cao mà
khơng cần phải có một cấu trúc trung gian điều khiển; năm 2012 đã có đề tài của học
viên Bành Trường Sơn thuộc Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa
TPHCM “Tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức Virtual Traffic Light thông
qua VANET” [2] tập trung vào đánh giá khảo sát một số nội dung:
_ So sánh chất lượng khi sử dụng đèn giao thông truyền thống và đèn giao thông ảo
(VTL):

7


+ Giao lộ 2 đường giao nhau 1 chiều
+ Giao lộ 2 đường giao nhau 2 chiều
+ Ba giao lộ đường 1 chiều liền kề
_ Ba giao lộ đường một chiều liền kề áp dụng giải pháp tránh ùn tắc dựa vào thông
tin giao thông
_ Giao lộ 2 đường giao nhau 1 chiều, giao lộ 2 đường giao nhau 2 chiều và giải pháp
đề xuất nhằm giảm tắc nghẽn dựa vào điều chỉnh chu kì xanh đỏ.

Tuy vậy, việc nghiên cứu trong đề tài trước chỉ được thực hiện giới hạn ở 1 giao lộ
hoặc 3 giao lộ nhưng xét luồng giao thông đơn giản là 1 chiều; với mục tiêu đánh giá
thuật toán sát với thực tế hơn, ý tưởng chủ đạo của đề tài này là tập trung nghiên cứu
vào các vấn đề:
_ Đánh giá việc sử dụng VTL trong phạm vi nhiều giao lộ liên tiếp nhau, xe lưu thông
trên các tuyến đường là 2 chiều, xe vào 1 giao lộ có sự ràng buộc bởi xe ra khỏi các
giao lộ khác.
_ Đánh giá việc kết hợp VTL và đèn giao thông truyền thống trong chống nghẽn so
với chỉ dùng VTL do trong thực tế khó có thể bỏ tồn bộ các trụ đèn giao thơng truyền
thống để chuyển sang sử dụng chỉ VTL.
_ Đánh giá chất lượng của thuật tốn khi luồng giao thơng thay đổi theo các phân bố
khác nhau, ở điều kiện nào thì VTL cho hiệu quả cao.
_ Nghiên cứu khả năng ứng dụng của VTL trên đường cao tốc khi có tai nạn xảy ra
để giúp thông tin cho các xe đằng sau, giảm thiểu tai nạn giây chuyền.
_ Nghiên cứu giải pháp làm tăng chất lượng chống nghẽn tại các giao lộ dựa vào khả
năng trao đổi thông tin của các phương tiện thông qua mạng VANET.

8


Cũng với ý tưởng chính là thay các hệ thống trụ đèn báo hiệu tại nút giao thông bằng
giao thức thơng minh dựa trên thuật tốn Vitual Traffic Light (VTL) thông qua mạng
VANET theo tài liệu tham khảo từ dự án Distributed Virtual Traffic Light System
(tháng 5 năm 2010) của nhóm tác giả người Bồ Đào Nha gồm Alexandre Santos,
Hugo Conceiỗóo, Hugo Mendes, Nuno Jordóo [3]. VTL c to ra bởi một thuật
tốn phân phối địi hỏi sự tham gia của các xe tại các luồng khác nhau tại một giao lộ
trong một khu vực được xác định cụ thể. Căn cứ vào từng điều kiện giao thông tại
giao lộ đó ở từng thời điểm khác nhau, thuật tốn VTL sẽ cho ra các quyết định khác
nhau hoặc xe được phép đi qua giao lộ hoặc dừng lại. Lưu lượng lưu thơng trong
mạng VANET có thể được tối ưu hóa tốt hơn do sự dàn xếp thời gian thực và hợp lí

của thuật tốn VTL tùy theo tình trạng ùn tắc tại khu vực giao lộ.
Cơng việc chính của luận văn là cài đặt thuật toán VTL trên phần mềm mơ phỏng
Matlab để tiến hành mơ phỏng. Các mơ hình mô phỏng được xây dựng trên Matlab
gần giống với mô hình thực tế với lưu lượng xe ở các luồng tại giao lộ thay đổi theo
thời gian một cách ngẫu nhiên với mật độ xác suất theo một phân bố nào đó (ví dụ
như phân bố Poisson) và chu kì thời gian của tín hiệu đỏ xanh được cài đặt trước. Chu
kì lấy mẫu kết quả cũng được xác định trước [2].
Mục đích của việc làm trên nhằm chứng minh thuật tốn VTL có thể tối ưu hóa được
lưu lượng giao thông trong các kịch bản tại giao lộ từ đó giảm thiểu được tình trạng
tắc nghẽn giao thơng so với hệ thống đèn giao thông truyền thống. Điểm khác biệt và
cải tiến hơn so với đề tài trước đây là việc đánh giá mang tính chất tổng quát cũng
như sát với thực tế hơn nhờ việc tăng tính phức tạp của mơ hình mơ phỏng đồng thời
cũng đưa ra một số giải pháp để cải thiện chất lượng chống nghẽn trong giao thông.

9


Phần 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ
Mạng thông tin giao thông đang nhận được rất nhiều sự chú ý do hàng loạt các dịch
vụ mà nó có thể cung cấp. Rất nhiều cơng trình và nghiên cứu trên khắp thế giới đang
được tiến hành để định nghĩa các tiêu chuẩn cho khả năng truyền tín hiệu trong giao
thơng. Chương này giới thiệu các nguyên tắc cơ bản và khái niệm của các mạng thông
tin giao thông, đặc biệt chú trọng đến các cơng trình đã và đang thực hiện cũng như
kết quả đạt được cho đến nay của châu Âu C2C-CC. Các đặc tính kĩ thuật, kiến trúc
và cơng nghệ đã được đề xuất bởi C2C-CC là cơ sở tài liệu tham khảo cho đề tài này.
2.1 Kiến thức chung
Trong những năm gần đây, có khá nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực
Mobile Adhoc Networks (Manet). Phần lớn các nghiên cứu này đã tập trung vào phát
triển mạng lưới thông tin với các node mạng với khả năng di chuyển một cách ngẫu
nhiên. Các node này có thể là thiết bị di động được gắn với người hoặc phương tiện

giao thông, với khả năng thiết lập thông tin liên lạc vơ tuyến trong một mơ hình được
phân cấp và tự tổ chức. Mỗi node trong mạng, có thể hoạt động như một điểm đầu
cuối hoặc như một điểm chuyển tiếp, cho phép truyền thông multihop và cung cấp
việc tạo ra các mạng tự phát với tùy ý cấu trúc liên kết. Bên cạnh các tính năng này,
sự ra đời của công nghệ truyền thông mới dẫn đến khả năng ứng dụng việc thông tin
liên lạc không dây trong lĩnh vực giao thơng vận tải, cho phép sự hình thành một lớp
mới của các mạng khơng dây, đó là VANET. Các mạng này được hình thành một
cách tự nhiên giữa các phương tiện di chuyển hay với các thiết bị cố định với khả
năng thông tin vô tuyến.
Sự kết hợp của công nghệ không dây tầm ngắn và mạng ad-hoc hình thành khả năng
truyền thơng C2C và C2I - được biết đến với khái niệm Car-to-X (C2X) [4]. Thường
được xem như là một yếu tố quan trọng của kiến trúc giao thông thông minh (ITS),
VANET cung cấp các giải pháp để cải thiện an toàn đường bộ và cho phép nhiều dịch
vụ tiềm năng tích hợp ngay trên phương tiện cung cấp cho người lái xe và hành khách

10


cũng như cho phép khả năng thông tin giữa các phương tiện di chuyển. Tầm quan
trọng và tiềm năng của VANETs là không cần phải bàn cãi nhiều bởi bằng chứng là
sự quan tâm đáng kể đối với lĩnh vực này từ cộng đồng nghiên cứu và ngành công
nghiệp ô tơ cũng như từ các cơ quan chính phủ và các tổ chức tiêu chuẩn hóa. Trong
bối cảnh này, cơng nghệ “Dedicated Short Range Communications ( DSRC )” được
ra đời ở Bắc Mỹ, nơi mà vào năm 2003, phổ tần 75 MHz đã được sự chấp thuận của
Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ ( FCC ) cho việc thông tin liên lạc trong giao
thông [5]. Mặt khác , lúc này ở châu Âu, C2C-CC đã được khởi xướng bởi các nhà
sản xuất xe hơi, các tổ chức nghiên cứu và một số đối tác với mục tiêu chính là làm
tăng an tồn đường bộ và tính hiệu quả trong giao thơng. Nhiệm vụ của C2C-CC là
chuẩn hóa giao diện và giao thức truyền thông không dây giữa các phương tiện giao
thơng. Có một số dự án nghiên cứu đã hoàn thành hoặc đang tiếp tục thực hiện sẽ

được đề cập ở phần sau; mục đích là tạo và thiết lập một tiêu chuẩn công nghiệp châu
Âu mở rộng cho các hệ thống thông tin liên lạc C2X. Ủy ban châu Âu đã cung cấp
một băng tần duy nhất toàn châu Âu cho phép truyền tín hiệu nhanh và đáng tin cậy
giữa các xe , cũng như giữa xe và các thiết bị hạ tầng được đặt dọc đường. Đó là phổ
tần 30 MHz trong băng 5,9 GHz sẽ được cấp phát cho các ứng dụng mới . Nó sẽ tạo
điều kiện cho sự phát triển và cung cấp khả năng thử nghiệm an toàn đường bộ liên
quan đến các ứng dụng ở châu Âu bằng cách cung cấp một phổ tần chung và lâu dài
cho ngành công nghiệp ô tô và các nhà khai thác đường bộ [6].
2.2 Kiến trúc hệ thống Car-to-X
Các phương tiện giao thông ngày nay là những hệ thống phức tạp với sự trang bị
mạng máy tính kiểm sốt các chức năng quan trọng nhất. Trong những năm qua, hệ
thống điều khiển xe ô tô đã chuyển từ tương tự sang kỹ thuật số và mạng thơng tin
giao thơng đang nổi lên với các hình thức trao đổi thông tin In-Car, C2C và C2I, đang
nhanh chóng trở thành hiện thực. Với kịch bản tương lai, thơng tin thời gian thực có
thể được cung cấp cho xe qua các mạng không dây không đồng nhất để có được khả
năng chuyển hướng thơng minh hơn và cải thiện hiệu suất giao thông. Trong khi động
lực ban đầu cho thông tin giao thông là để thúc đẩy an toàn đường bộ, gần đây ngày

11


càng rõ ràng công nghệ này sẽ mở ra khả năng điều tiết giao thông và cả cung cấp
các ứng dụng giải trí.

Hình 2-1: Mơ hình C2C-CC
In-Vehicle Domain liên quan đến mạng lưới nội bộ xe. Mỗi chiếc xe được trang bị
một thiết bị On-Board Unit (OBU) thực hiện giao tiếp với tài xế hoặc hành khách
thông qua thiết bị gọi là Application Unit (AU).
Ad-hoc Domain được hình thành từ một mạng lưới các xe trang bị OBU và node
mạng cố định đặt dọc trên đường Road-Side Unit (RSUs), OBUs và RSUs hình thành

mạng VANET, cho phép thơng tin liên lạc một cách toàn diện và khả năng tự tổ chức
mà không cần đến một đơn vị trung gian. Các OBU trực tiếp giao tiếp với nhau nếu
tồn tại kết nối không dây giữa chúng, hoặc thực hiện truyền thông multi-hop thông
qua việc sử dụng một giao thức định tuyến chuyên dụng.
Cuối cùng, trong miền cơ sở hạ tầng, các RSU có thể chỉ đơn giản là mở rộng phạm
vi vùng phủ VANET bằng cách hoạt động như một thực thể chuyển tiếp, hoặc được

12


gắn vào một mạng hạ tầng, do đó có thể được kết nối với internet. Các RSU cho phép
các OBU truy cập vào mạng hạ tầng, do đó các AU trên các phương tiện có thể trao
đổi thơng tin với nhau thông qua internet [5].

Hệ thống C2C-CC cơ bản bao gồm các thành phần:
 AU (Application Unit): Thiết bị dùng để chạy các ứng dụng sử dụng khả năng
kết nối của OBU. AU có thể được tích hợp sẵn trên phương tiện hoặc được
gắn trên OBU, và có thể linh động kết nối vào xe bởi tài xế hoặc hành khách.
Hoặc nó cũng có thể là các thiết bị như máy tính xách tay hoặc PDA. Một
OBU cho phép nhiều AU tích hợp vào nó.
 OBU (On-Board Unit): thực hiện các giao thức truyền thông và cung cấp dịch
vụ thông tin C2X đến các AU. OBU được trang bị ít nhất một thiết bị mạng
truyền thông không dây tầm ngắn dựa trên chuẩn IEEE 802.11p [7], và cũng
có thể được trang bị với các thiết bị mạng nhiều hơn từ các cơng nghệ khác
nhau. Chức năng chính của nó là kết nối vô tuyến, định tuyến ad-hoc địa lý,
điều khiển nghẽn mạng, hỗ trợ IP động…
 RSU (Road-Side Unit): là các nút cố định được đặt dọc theo đường giao thơng,
đường cao tốc, hoặc tại các vị trí chun dụng như đèn tín hiệu giao thơng, nơi
đậu xe hoặc trạm xăng. Một RSU có khả năng giao tiếp với nhiều OBU. Được
trang bị ít nhất một thiết bị truyền thơng không dây tầm ngắn dựa trên chuẩn

IEEE 802.11p, và cũng có thể được trang bị các cơng nghệ mạng khác để cho
phép truyền thông với một mạng hạ tầng. RSU có thể mở rộng phạm vi thơng

13


tin liên lạc của miền Ad-hoc, có thể cung cấp kết nối internet hoặc có thể kết
nối với RSU khác trong việc chuyển tiếp thơng tin.
2.2.1 Mơ hình các lớp giao thức
Mơ hình các lớp giao thức của OBU đề xuất bởi C2C-CC được mơ tả trong hình 2.2
[9], được thiết kế với giả định rằng các ứng dụng an tồn và khơng an tồn có u
cầu về khả năng thông tin liên lạc khác nhau.Thông thường, các ứng dụng an tồn chỉ
phổ biến thơng tin về các sự kiện trong vùng địa phương lân cận hoặc một khu vực
địa lý. Các phương tiện có khả năng định kỳ phát quảng bá các thông điệp ngắn (thông
điệp nhận thức), hoặc chỉ tạo ra các thông điệp khi họ phát hiện sự kiện an tồn (thơng
báo sự kiện định hướng). Mặt khác, các ứng dụng thơng tin giải trí thường thiết lập
các phiên và trao đổi các gói dữ liệu đơn hướng hoặc nhị hướng giữa 2 node. Geocast
cung cấp kết nối ad-hoc giữa các OBU, cũng như giữa các OBU và RSU. Trong khi
các thơng điệp an tồn được truyền đi bằng cách sử dụng tính năng Geocast, các ứng
dụng khơng an tồn có thể truy cập đến stack giao thức IP thơng thường, cũng như
chúng có thể sử dụng tính năng ad-hoc và multi-hop của Geocast như một lớp IP con.

14


Hình 2-2: Kiến trúc giao thức trong hệ thống thơng tin C2X
Các ứng dụng khơng an tồn sử dụng các giao thức truyền thống với TCP, UDP hoặc
giao thức vận chuyển khác trên nền IPv6 và có thể truy cập thông tin multi-hop không
dây để giao tiếp với OBU, RSU khác hoặc máy chủ Internet.
Liên quan đến lớp MAC và lớp vật lý, giao thức này có thể sử dụng nhiều công nghệ

không dây khác nhau: IEEE 802.11p hoặc các công nghệ mạng LAN không dây thông
thường dựa trên chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n. Hơn nữa, các công nghệ khác như các
mạng di động (GSM, GPRS, 3G, WiMAX) cũng có thể được sử dụng.
2.2.2 Geocast
Giao thức định tuyến địa lý có lẽ là loại giao thức hứa hẹn nhất trong số các giao thức
được áp dụng trong mạng lưới giao thông. Các khái niệm về mạng địa lý làm cơ sở
cho truyền thông C2X. Về cơ bản, Geocast là một giao thức định tuyến ad-hoc cấp
phát thơng tin đến node đích được nhận biết bởi vị trí địa lý của nó. Nó giả định rằng
các xe biết được vị trí hiện tại của mình thơng qua hệ thống định vị tồn cầu (GPS)

15


hoặc hệ thống định vị nào đó. Ngồi ra, mỗi xe định kỳ quảng bá thông tin định vị
này đến các phương tiện trong vùng lân cận của nó, và do đó, các xe được thơng báo
về vị trí của tất cả các xe khác trong phạm vi giao tiếp trực tiếp của chúng. Khi một
xe có ý định gửi thông điệp đến một khu vực địa lý đã biết, nó chọn xe khác làm
nhiệm vụ chuyển tiếp thơng điệp. Chiếc xe này phải đang có hướng di chuyển đến
khu vực mục tiêu, quá trình tương tự lặp lại cho đến khi đạt được mục đích. Các gói
tin được chuyển tiếp "on the fly", dựa trên tìm kiếm địa điểm gần nhất, mà không yêu
cầu phải thiết lập hay duy trì các tuyến đường [9]. Geocast giả định rằng tất cả các
nút biết vị trí địa lý của nó và duy trì một bảng vị trí có chứa các nút khác và vị trí địa
lý của họ.

Hình 2-3: Bảng thơng tin vị trí
Các thành phần giao thức cốt lõi của Geocast được giải thích trong các mục sau đây:
 Beaconing - xe định kỳ phát các thơng điệp ngắn có chứa thơng tin ID, vị trí
địa lý hiện tại, tốc độ. Khi nhận được một beacon, các phương tiện lưu trữ
thơng tin này trong bảng vị trí của chúng.
 Location Service phân giải ID của chiếc xe thành vị trí địa lý của nó. Khi một

chiếc xe cần biết vị trí của một xe nào đó khơng có sẵn trong bảng vị trí của
nó, nó phát ra một thơng điệp truy vấn ID xe tìm kiếm, số thứ tự và giới hạn
hop. Các nút láng giềng phát lại thông điệp này cho đến khi nó đạt đến nút tìm
kiếm (hoặc giới hạn hop). Mỗi thông điệp phản hồi mà chiếc xe nhận được
mang thơng tin về vị trí hiện tại của xe gửi đi và một mốc thời gian. Khi nhận
được thông điệp này, xe sẽ thực hiện cập nhật lại bảng vị trí của nó.
 Forwarding có thể hiểu về bản chất là việc chuyển tiếp các gói tin đến đích.

16


Phương pháp hiệu quả nhất để phân phối thông tin định tuyến địa lý là nhắm các
thông điệp này đến các khu vực địa lý nhất định. Một vùng địa lý giới hạn có thể được
xem là mục tiêu của thơng điệp. Trong khi các phương tiện bên ngồi các khu vực
mục tiêu phục vụ chuyển tiếp tin nhắn, chỉ có những chiếc xe nằm trong khu vực này
sẽ nhận được thông điệp. Geocast bao gồm các kiểu chuyển tiếp sau đây [5]:
 GeoUnicast: Phân phối bản tin giữa 2 node thông qua kết nối multi-hop. Khi
một node muốn gửi một gói tin đơn hướng (unicast), đầu tiên nó xác định vị
trí đích cần gửi (bằng cách kiểm tra trong bảng dữ liệu vị trí) sau đó gói tin
được chuyển tiếp qua các node cho đến khi tới đích.

Hình 2-4: Geographic unicast
 GeoBroadcast: Phân phối các gói dữ liệu kiểu flooding. Các node nằm ở khu
vực địa lý được xác định bởi các gói dữ liệu, sẽ broadcast lại gói tin này. Mơ
hình fooding đơn giản này hiện đã được cải tiến với các công nghệ dựa trên
việc đánh số gói để giảm bớt hiệu ứng bão broadcast. GeoAnycast tương tự
như GeoBroadcast nhưng địa chỉ lại là một là nút duy nhất trong một khu vực
địa lý.

Hình 2-5: Geographically-scoped broadcast

17


 Topologically-scoped broadcast: cung cấp khả năng broadcast lại của một
gói dữ liệu từ một nguồn tới tất cả các node nằm ở khoảng cách n-hop.
Broadcast đơn hop là một trường hợp đặc biệt của broadcast topologicallyscoped được sử dụng để gửi thơng điệp định kỳ (beacon).

Hình 2-6: Topologically-scoped broadcast (trong ví dụ này scope = hops = 2)
2.3 VANET và các ứng dụng đặc thù
VANET sẽ không được triển khai thương mại trừ phi có những ứng dụng mang lại
lợi ích từ cơng nghệ này. Những nghiên cứu đầu tiên tập trung chủ yếu vào việc gia
tăng an toàn giao thông. Với sự giúp đỡ của thông tin giao thông, số vụ tai nạn sẽ
giảm và cuộc sống của con người sẽ được cứu.
Do đó, hai loại ứng dụng thu hút sự chú ý nhất trong thời gian vừa qua liên quan đến
an tồn cộng đồng, ví dụ, các ứng dụng tránh va chạm giao thông và phối hợp lưu
thơng, ở đó phương tiện phối hợp nhau để di chuyển một cách hợp lý. Một khối lượng
công việc đáng kể cũng đã được thực hiện trên các ứng dụng có liên quan quản lý
giao thơng, có thể giúp giảm bớt tình trạng tắc nghẽn và do đó làm giảm số vụ tai
nạn, cũng như giảm thời gian đi lại.
Nhiều ứng dụng khác cũng đã được đề xuất liên quan đến các mục đích khác ngồi
việc đảm bảo an tồn giao thông. Khá nhiều các ứng dụng trong số này có thể được
phân loại thuộc “comfort application”. Mục tiêu của các ứng dụng này là để cải thiện
sự thoải mái khi đi trên đường cho cả lái xe (ví dụ, thông tin về các nhà hàng bên
đường) và hành khách (ví dụ, truy cập Internet và hệ thống video theo u cầu).
2.3.1 Các ứng dụng an tồn cơng cộng
Các ứng dụng an tồn cơng cộng định hướng chủ yếu vào việc phòng tránh tai nạn và
dẫn đến hậu quả thiệt hại về người. Đặc điểm chính của loại ứng dụng này là dữ liệu

18

cần được quảng bá nhanh chóng và đáng tin cậy. Có hai loại chính của các ứng dụng
liên quan đến an tồn cơng cộng là hợp tác phịng tránh va chạm và thông điệp cảnh
báo khẩn cấp [4].
Trong ứng dụng phịng tránh va chạm CCA (cooperative collision avoidance), mục
tiêu chính là phòng tránh va chạm, bao gồm cả va chạm dây chuyền trên đường cao
tốc và va chạm do xe đấu đầu trên các con đường nhỏ. Các phương tiện lưu thông sẽ
tự động dừng lại khi nhận được thông điệp có va chạm hoặc có cảm giác đã xảy ra tai
nạn khi các xe đi trước giảm tốc độ đột ngột. Rõ ràng các ứng dụng phòng tránh va
chạm yêu cầu rất nghiêm ngặt về thời gian thực, cả về độ tin cậy và độ trễ. Theo một
số nghiên cứu thì một ứng dụng tránh va chạm cần có độ trễ chỉ được tối đa là 100ms.

Hình 2-7: Các mơ hình phịng tránh va chạm (CCA)
(a) Tránh va chạm dây chuyền trên đường cao tốc đa luồng
(b) Tránh và chạm đấu đầu trên các đường nhỏ
Trong ứng dụng thông tin cảnh báo khẩn cấp EWM (Emergency warning message),
xe gửi cảnh báo về tai nạn, điều kiện đường xá nguy hiểm cho các xe khác trong hoặc
gần khu vực này. Hiện tại EWM được chia làm 2 loại [5]:


Instant EWM: Một thông điệp cảnh báo cần được phổ biến cho tất cả các xe
trong một khu vực lân cận. Ví dụ khi một xe gặp tai nạn và thắng lại đột ngột,
ứng dụng sẽ gửi thông điệp khẩn cấp tức thời cho các xe trong khu vực để
thơng báo tình trạng. Khi một thông điệp được truyền cho các xe khác trong
khu vực lân cận (có thể có đường kính vài km), bản tin có thể sẽ bị mất. Do
đó cơng nghệ vơ tuyến sử dụng ở đây có thể là cả IEEE 802.11 trong mạng
adhoc hay mạng di động. Trong trường hợp mạng adhoc, thuật toán broadcast

19

chọn lọc thường được sử dụng để truyền dữ liệu. Trong trường hợp mạng di
động được sử dụng, các phương tiện giao thơng gửi thơng điệp đến base
station, sau đó mạng di động sẽ làm nhiệm vụ broadcast thông điệp này đến
tất cả các phương tiện trong khu vực lân cận. Ưu điểm chính của việc sử dụng
mạng di động là thơng điệp cảnh báo có thể được truyền đi ngay cả khi mật độ
xe cộ trong khu vực thấp, điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các phương
tiện có thể lớn hơn so với tầm phát của chuẩn IEEE 802.11. Tuy nhiên nhược
điểm của giải pháp này là ở thời điểm hiện tại mạng di động không được thiết
kế để xử lý loại thông điệp trong giao thông và có khả năng bị nghẽn trong
thời gian cao điểm của đường cao tốc nhiều luồng.


Abiding EWM: Mục tiêu của ứng dụng Abiding EWM là gửi cảnh báo đến
các lái xe khác về tai nạn hoặc điều kiện đường xá nguy hiểm suốt một thời
gian dài. Thông điệp cần phải được giữ lại trong khu vực và khi một phương
tiện đi vào khu vực sẽ lập tức nhận được thông tin này. Ứng dụng Abiding
EWM sử dụng phương pháp truyền tin được gọi là abiding geocast sử dụng
các tín hiệu giao thông ảo. Một thách thức đối với ứng dụng Abiding EWM là
phải đạt được khả năng truyền tin đáng tin cậy trên đường có mật độ xe thấp
(ví dụ như vào ban đêm).

20