Đặc trưng và thách thức của mạng truyền thông phương tiện hỗ trợ 5G ứng dụng trong giao thông thông minh

“

Tóm tắt
- Phương tiện thông minh bắt đầu được nghiên cứu từ giữa những năm 1980 và hiện có 5 mức độ phát triển: tự động sơ cấp, lái có hỗ trợ, bán tự lái, tự lái mức độ cao, tự lái hoàn toàn.
- Mạng truyền thông phương tiện hỗ trợ 5G (5G-VCN) là công nghệ hỗ trợ then chốt cho phương tiện thông minh và ITS thế hệ sau.
- Đặc trưng của 5G-VCN: tốc độ dữ liệu cực cao, độ trễ cực thấp và cực kỳ tin cậy cho phương tiện thông minh tự lái.
- Thách thức của 5G-VCN: 5G-VCN vẫn phải đối mặt với khá nhiều thách thức, 3 trong số đó là: việc truyền thông với tốc độ cao, độ trễ thấp giữa các phương tiện; kiến trúc hệ thống vô tuyến cho việc tự lái và công nghệ cảm nhận môi trường.

Bài báo này giới thiệu về mạng truyền thông phương tiện hỗ trợ 5G (5G-VCN) như một yếu tố cốt lõi mang đến sự thành công cho quá trình nghiên cứu phát triển các phương tiện thông minh nói riêng và hệ thống ITS nói chung.

Phương tiện thông minh

Từ khi ITS bắt đầu được nghiên cứu từ giữa những năm 1980, phương tiện thông minh đã trở thành một trong những ứng dụng đáng kể nhất. Sự phát triển của phương tiện thông minh có thể được chia làm hai giai đoạn với năm mức độ như Hình 1: giai đoạn đầu dành cho tự lái có hỗ trợ, giai đoạn sau dành cho tự lái hoàn toàn thay cho người lái.

Xe tự lái là xu hướng phát triển của phương tiện thông minh, nó đã thu hút rất nhiều sự quan tâm và nhiều nghiên cứu trên thế giới. Các công ty lớn trên thế giới như Google, Tesla Motors, Baidu,… đã có nhiều nỗ lực cũng như nguồn lực để thực hiện các dự án liên quan, và có nhiều cuộc trình diễn công nghệ ở Bắc Mỹ, Nhật Bản, và Trung Quốc.

Xét về góc độ kỹ thuật, có hai kiến trúc tự lái cơ bản. Kiến trúc đầu tiên dựa trên nền tảng của phương tiện. Các cảm biến trên phương tiện thực hiện nhận biết môi trường và hợp nhất dữ liệu, sau đó thực hiện quyết định điều khiển phương tiện thông qua đơn vị thực thi phương tiện. Kiến trúc thứ hai dựa trên mạng ad-hoc phương tiện (VANET). Phương tiện nhận dữ liệu môi trường và thông tin bên đường thông qua VANET.

Mạng truyền thông phương tiện hỗ trợ 5G (5G-VCN)

5G-VCN là công nghệ hỗ trợ then chốt cho phương tiện thông minh và ITS thế hệ sau. Để đáp ứng các ứng dụng bao gồm an toàn phương tiện, hiệu quả vận tải và giải trí, VCN cần có đường truyền tin cậy và độ trễ thấp. VANET cũng là một lựa chọn với truyền thông tầm ngắn chuyên dụng (DSRC), nhưng việc phát triển VANET vấp phải nhiều rào cản với những chi phí đầu tư đáng kể cho cơ sở hạ tầng. Trong khi đó, mạng di động tế bào có một sự phát triển rất trưởng thành với mô hình kinh doanh tốt và tiến trình tiêu chuẩn hóa toàn diện.

Từ năm 1983 khi hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên (1G) được chuẩn hóa và phát triển, hệ thống di động đã không ngừng nâng cấp lên các thế hệ tiếp theo sau mỗi thập kỷ. Nhiều năm nay, 4G LTE đã được phát triển rộng rãi và thương mại hóa toàn diện, và là nền tảng hỗ trợ thực sự hiệu quả cho VCN.

Hiện tại, 5G đang vươn lên mạnh mẽ với tốc độ lan tỏa rất nhanh trên toàn cầu. Khác với tất cả các thế hệ trước, 5G liệt kê VCN là một trong những kịch bản ứng dụng tiêu biểu như trong Hình 2. Để hỗ trợ các ứng dụng tiềm năng bổ sung liên quan đến các phương tiện trong tương lai, chẳng hạn như phương tiện thông minh và xe tự lái, 5G-VCN đòi hỏi tin cậy cao hơn và độ trễ thấp hơn khi truyền lượng dữ liệu khổng lồ. Do đó, việc nghiên cứu và thiết kế 5G-VCN là rất khó khăn và đang nhận được sự quan tâm đáng kể [1].

Các đặc trưng của 5G-VCN

Các ứng dụng của 5G tập trung vào tốc độ dữ liệu cực cao với độ trễ cực thấp và cực kỳ tin cậy cho phương tiện thông minh tự lái. Quan trọng hơn, các tính năng độc đáo của 5G, chẳng hạn như dịch vụ lân cận (ProSe), mạng được xác định bằng phần mềm (SDN) tách biệt với điều khiển dữ liệu, kiến trúc và cấu hình mạng linh hoạt, điện toán đám mây và xử lý đám mây/sương mù, cũng như thiết kế hướng ứng dụng, khiến nó không chỉ là một công nghệ hỗ trợ quan trọng cho phương tiện thông minh nhưng cũng là một phần tích hợp của hệ thống phương tiện thông minh.

ProSe được phát triển lên từ truyền thông giữa thiết bị với thiết bị (D2D) [2]. Mục đích của ProSe là cung cấp nhận thức bằng cách thăm dò các thiết bị và dịch vụ bằng cách sử dụng thông tin có liên quan trong khu vực. Trong 5G-VCN, ProSe đặc biệt quan trọng đối với tương tác tự phát hoặc cơ hội giao tiếp trong một khoảng cách nhất định [3]. Yếu tố hỗ trợ chính cho các ứng dụng dựa trên ProSe là thông tin vị trí và xu hướng giao tiếp trong các mạng xã hội.

Quan trọng hơn, với khả năng khám phá và giao tiếp mà không cần cơ sở hạ tầng, ProSe có thể được sử dụng làm nền tảng giao tiếp trong các tình huống an toàn nơi công cộng. Ngoài ra, việc phát hiện và liên lạc trực tiếp giữa những người dùng di động sẽ mang tới giải pháp truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao và tính hiệu quả cao trong việc sử dụng tài nguyên, giảm được tắc nghẽn trong mạng lõi.

SDN trong kiến trúc mạng 5G có tính năng phân tách kiểm soát dữ liệu [4]. Điều này giúp giải quyết các vấn đề kiểm soát mạng bằng cách áp đặt một mặt phẳng điều khiển tập trung của các thiết bị mạng riêng lẻ tại một thực thể bên ngoài. Với sự phát triển của SDN cho phương tiện thông minh (IV), độ trễ mạng có thể được cải thiện với các hoạt động tự lái cụ thể được triển khai trên mặt phẳng điều khiển tập trung. SDN biến khả năng điều khiển IV từ xa bằng 5G-VCN thành một việc khả thi.

Ngoài ra, sự tồn tại song song của kiến trúc mạng đám mây tập trung và mạng sương mù/cạnh phân tán trong 5G giúp 5G-VCN có thể thực hiện lưu trữ và xử lý dữ liệu phương tiện thông minh ở ba cấp độ, đó là đám mây, sương mù và trên bo mạch. Tùy thuộc vào đặc điểm dữ liệu và yêu cầu về độ trễ của các dịch vụ phương tiện thông minh khác nhau, 5G-VCN có thể sắp xếp việc lưu trữ và xử lý chúng một cách linh hoạt. Dựa trên nền tảng đám mây và sương mù, 5G-VCN có thể khai thác tốt hơn tính sẵn có của dữ liệu nhiều phương tiện thông minh để hỗ trợ các chức năng học tập khác nhau hiệu quả hơn, từ đó dẫn đến các hành vi tự lái bắt chước tốt hơn hoặc thậm chí vượt qua cả việc lái xe của con người.

Một tính năng quan trọng khác của 5G là sự tồn tại đồng thời theo cấp bậc của các mạng không đồng nhất [5]. Ở đây, tính không đồng nhất không chỉ là các ô có kích thước khác nhau mà còn liên quan đến các giao thức và tiêu chuẩn khác nhau. Do đó, 5G-VCN có thể hỗ trợ tốt hơn khả năng kết nối mạng tốc độ cao ổn định của phương tiện thông minh.

Ví dụ: các bản tin điều khiển của phương tiện thông minh có thể được duy trì bởi các trạm gốc macrocell với vùng phủ sóng rộng để đảm bảo kết nối ổn định với tính di động cao, trong khi việc trao đổi dữ liệu lớn có thể được thực hiện bởi microcell và femtocell thông qua công nghệ phổ biến dữ liệu tiên tiến và D2D, sao cho có thể đảm bảo độ trễ thấp và độ tin cậy cao.

Cuối cùng, 5G-VCN có thể gửi bản đồ 3D độ phân giải cao và dữ liệu giao thông thời gian thực tới phương tiện thông minh để hỗ trợ định vị với độ chính xác cao và định tuyến thời gian thực tương ứng. Điều này sẽ bổ sung cho những hạn chế của cảm biến tích hợp trên phương tiện và do đó cải thiện cả độ tin cậy và độ bền của phương tiện thông minh.

Đồng thời, điều này cũng có thể làm giảm bớt sự phụ thuộc của phương tiện thông minh vào thiết bị cảm biến đắt tiền tích hợp trên phương tiện và do đó giảm chi phí phương tiện, đồng thời rút ngắn thời gian đưa ra thị trường.

Thách thức của 5G-VCN

Mặc dù 5G-VCN được coi là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các ứng dụng phương tiện thông minh trong tương lai, nhưng nó vẫn phải đối mặt với khá nhiều thách thức. Ba trong số đó là việc truyền thông với tốc độ cao, độ trễ thấp giữa các phương tiện; kiến trúc hệ thống vô tuyến cho việc tự lái và công nghệ cảm nhận môi trường.

Đối với các phương tiện tự động di chuyển ở chế độ tự lái tốc độ cao, việc trao đổi thông tin động nhanh chóng và theo thời gian thực phải được tạo điều kiện thuận lợi giữa các phương tiện và giữa các phương tiện với sương mù và đám mây. Những thông tin này bao gồm cả dữ liệu nhỏ (chẳng hạn như tốc độ, vị trí và hướng của các phương tiện lân cận) và dữ liệu lớn (chẳng hạn như video về môi trường xung quanh và/hoặc bản đồ 3D có độ phân giải cao).

Độ trễ cực thấp thường yêu cầu độ trễ thời gian tính bằng micro giây và tốc độ trao đổi dữ liệu là 10 lần mỗi giây. Mặc dù nhiều kỹ thuật trong hệ thống 5G (ví dụ: Massive MIMO, truyền thông mmWave, truyền thông D2D, v.v..) đã được đề xuất và thử nghiệm để đạt được tốc độ dữ liệu cực cao và truyền thông có độ trễ cực thấp, nhưng các cuộc điều tra hoặc thử nghiệm chủ yếu dựa trên trong các tình huống tĩnh hoặc di động thấp. Các tình trạng kênh và kiến trúc mạng trong mạng phương tiện khá khác so với các mạng di động truyền thống. Do tính di động cao trong các mạng dành cho phương tiện giao thông, liên lạc dành cho phương tiện giao thông phải đối mặt với nhiễu liên sóng mang (ICI) nghiêm trọng và các kênh Fading thay đổi theo thời gian nhanh chóng, điều này sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của các kỹ thuật liên lạc 5G hiện tại.

Ngoài ra, do tính di động cao của phương tiện, cấu trúc liên kết không đồng nhất và thường xuyên thay đổi cũng như các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) linh hoạt, các thiết kế truy cập tài nguyên và phổ biến dữ liệu trong VCN đều đặt ra những thách thức đáng kể [6].

Các đặc điểm dịch vụ và mô hình hành vi người dùng cho ngành công nghiệp ô tô khác với truyền thông thông thường. Chúng ta cần phân tích cẩn thận và sắp xếp các yêu cầu cụ thể của các phương tiện khác nhau và dịch vụ cũng như các ứng dụng của chúng, sau đó thiết kế kiến trúc hệ thống 5G-VCN.

Để thích ứng với các yêu cầu liên lạc thời gian thực và để thực hiện việc trao đổi thông tin và điều khiển phối hợp giữa các thiết bị trên phương tiện, các đơn vị bên đường và nền tảng liên lạc trên phương tiện, một kiến trúc hệ thống phân tán đầy đủ mà tập trung vào mạng lưới điều phối phương tiện-đường phải được thiết kế toàn diện. Kiến trúc như vậy phải là một mạng mở, an toàn và hiệu quả cao, có tính năng phát dữ liệu, lưu trữ luồng dữ liệu từ đầu đến cuối và tự tổ chức, truyền và kiểm soát các nút mạng có tính di động cao. Trong khi đó, khả năng mở rộng của một mạng như vậy cũng rất quan trọng để đảm bảo khả năng tích hợp trong tương lai với lưới điện thông minh với các phương tiện chạy điện là xu hướng tất yếu.

5G-VCN dự kiến sẽ giúp cung cấp thông tin môi trường ngoài tầm nhìn cho phương tiện thông minh. Nói cách khác, 5G về cơ bản đóng vai trò là cảm biến ảo hay cảm biến từ xa cho phương tiện thông minh.

Mặt khác, có nhiều cảm biến khác nhau tích hợp trên phương tiện, bao gồm LiDAR đa tia, radar milimet và máy quay video. Sự kết hợp tối ưu của các cảm biến không đồng nhất cục bộ và từ xa này với các mức độ phân giải và độ trễ khác nhau là một nhiệm vụ quan trọng khác của 5G-VCN. Một khi được giải quyết ổn thỏa, cấu hình được tối ưu hóa như vậy có thể nâng cao đáng kể nhận thức về môi trường của từng phương tiện thông minh, đồng thời chuyển chi phí thiết bị cho mỗi phương tiện thông minh cao nhưng thừa thãi sang các cơ sở dùng chung bên đường thông qua thu thập, hợp nhất và chia sẻ. Đây là điều then chốt trong việc cho ra những chiếc phương tiện thông minh tự lái an toàn nhưng giá cả phải chăng./.

“

Tài liệu tham khảo:

1. X. Cheng et al., “5G-Enabled Vehicular Communications and Networking,” Springer 2019.

2. X. Lin et al., “An Ov erview of 3GPP Device-to-Device Proximity Services,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 4, Apr. 2014, pp. 40–48.

3. S. A. A. Shah, E. Ahmed, M. Imran and S. Zeadally, “5G for Vehicular Communications,” IEEE Communications Magazine, vol. 56, no. 1, pp. 111–117, Jan. 2018.

4. D. Kreutz et al., “Software-Defined Networking: A Comprehensive Survey,” Proc. IEEE, vol. 103, no. 1, 2015, pp. 14–76.

5. F. Gabry, V. Bioglio, and I. Land, “On Energy-Efficient Edge Caching in Heterogeneous Networks,” IEEE J. Selected Areas in Comm., vol. 34, no. 12, 2016, pp. 3288–3298.

6. X. Cheng, R. Zhang, L. Yang, “Wireless Towards the Era of Intelligent Vehicles,” Submitted to Internet of Things Journal.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 5 tháng 5/2023)