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. Mô 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 công 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 công nghệ này, tình trạng tắc đường, tai nạn giao thông sẽ được kiểm soát. Việc thu phí đường cũng trở nên nhanh gọn và dễ kiểm soát hơn mà không cần tốn nhân lực.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 thông ảo mang tính đồng bộ cao mà không 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 toàn bộ các trụ đèn giao thông truyền thống để chuyển sang sử dụng chỉ VTL.
_ Đánh giá chất lượng của thuật toán khi luồng giao thông 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 thông minh dựa trên thuật toán 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 Conceição, Hugo Mendes, Nuno Jordão [3].
VTL được tạo ra bởi một thuật toán phân phối đòi 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 toán VTL sẽ cho ra các quyết định khác nhau hoặc xe được phép đi qua giao lộ hoặc dừng lại. Lưu lượng lưu thông trong mạng VANET có thể được tối ưu hóa tốt hơn do sự dàn xếp thời gian thực và hợp lí của thuật toán VTL tùy theo tình trạng ùn tắc tại khu vực giao lộ. Công việc chính của luận văn là cài đặt thuật toán VTL trên phần mềm mô phỏng Matlab để tiến hành mô phỏng.
Các mô 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 toán 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 thông 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 mô hình mô 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 công 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 thông. 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 công 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 công nghệ đã được đề xuất bởi C2C-CC là cơ sở tài liệu tham khảo cho đề tài này.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 vô tuyến trong một mô 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 thông vận tải, cho phép sự hình thành một lớp mới của các mạng không 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 thông 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 tô cũng như từ các cơ quan chính phủ và các tổ chức tiêu chuẩn hóa.
Trong bối cảnh này, công 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 toàn đường bộ và tính hiệu quả trong giao thông. Nhiệm vụ của C2C-CC là chuẩn hóa giao diện và giao thức truyền thông không dây giữa các phương tiện giao thông. 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 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 soát 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 thông tin giao thông đang nổi lên với các hình thức trao đổi thông tin In-Car, C2C và C2I, đang nhanh chóng trở thành hiện thực.