Pojazd do wszystkiego - Vehicle-to-everything

Pojazd do x (ilustracja)

Pojazd do wszystkiego ( V2X ) to komunikacja między pojazdem a dowolnym podmiotem, który może mieć wpływ lub może mieć wpływ na pojazd. Jest to system komunikacji samochodowej, który obejmuje inne, bardziej specyficzne rodzaje komunikacji, takie jak V2I (pojazd-infrastruktura), V2N (pojazd-sieć), V2V ( pojazd-pojazd ), V2P (pojazd-pieszy) , V2D ( pojazd do urządzenia ) i V2G ( pojazd do sieci ).

Głównymi motywacjami dla V2X są bezpieczeństwo na drogach , efektywność ruchu i oszczędność energii . Amerykański NHTSA szacuje, że w przypadku wdrożenia systemu V2V liczba wypadków drogowych o co najmniej 13% zmniejszyłaby liczbę wypadków, co daje o 439 000 mniej wypadków rocznie. Istnieją dwa typy technologii komunikacji V2X w zależności od używanej technologii bazowej: (1) oparta na sieci WLAN i (2) oparta na sieci komórkowej .

Historia

Historia prac nad projektami komunikacji pojazd-pojazd w celu zwiększenia bezpieczeństwa, zmniejszenia liczby wypadków i pomocy kierowcy sięga lat 70. XX wieku dzięki projektom takim jak amerykański system elektronicznego naprowadzania na drogę (ERGS) i japoński CACS. Większość kamieni milowych w historii sieci pojazdów pochodzi ze Stanów Zjednoczonych, Europy i Japonii.

Standaryzacja V2X opartego na sieci WLAN zastępuje standaryzację systemów V2X opartych na sieciach komórkowych. IEEE po raz pierwszy opublikowało specyfikację V2X opartego na sieci WLAN ( IEEE 802.11p ) w 2010 roku. Obsługuje bezpośrednią komunikację między pojazdami (V2V) oraz między pojazdami a infrastrukturą (V2I). Technologia ta jest określana jako dedykowana komunikacja krótkiego zasięgu ( DSRC ). DSRC wykorzystuje podstawową komunikację radiową zapewnianą przez 802.11p.

W 2016 roku Toyota stała się pierwszym producentem samochodów na świecie, który wprowadził samochody wyposażone w V2X. Pojazdy te wykorzystują technologię DSRC i są sprzedawane wyłącznie w Japonii. W 2017 roku GM stał się drugim producentem samochodów, który wprowadził V2X. GM sprzedaje w Stanach Zjednoczonych model Cadillaca, który jest również wyposażony w DSRC V2X.

W 2016 r. 3GPP opublikowało specyfikacje V2X oparte na LTE jako technologii bazowej. Jest ogólnie określany jako „komórkowy V2X” (C-V2X), aby odróżnić się od technologii V2X opartej na 802.11p. Oprócz komunikacji bezpośredniej (V2V, V2I), C-V2X obsługuje również komunikację rozległą przez sieć komórkową (V2N).

Od grudnia 2017 r. europejski producent motoryzacyjny ogłosił wdrożenie technologii V2X opartej na 802.11p od 2019 r. Niektóre badania i analizy przeprowadzone w 2017 i 2018 r. zostały przeprowadzone przez 5G Automotive Association (5GAA) – organizację branżową wspierającą i rozwijającą Technologia C-V2X – wskazuje, że oparta na komórkach technologia C-V2X w trybie komunikacji bezpośredniej jest lepsza od 802.11p w wielu aspektach, takich jak wydajność, zasięg komunikacji i niezawodność, wiele z tych twierdzeń jest kwestionowanych, np. w białej księdze opublikowanej przez NXP, jedna z firm działających w technologii V2X opartej na 802.11p, ale także publikowana przez recenzowane czasopisma.

Przegląd technologii

802.11p ( DSRC )

Oryginalna komunikacja V2X wykorzystuje technologię WLAN i działa bezpośrednio między pojazdami i pojazdami (V2V) oraz infrastrukturą ruchu (V2I), które tworzą sieć ad-hoc dla pojazdów, ponieważ dwa nadajniki V2X znajdują się w swoim zasięgu. Dzięki temu nie wymaga żadnej infrastruktury komunikacyjnej do komunikacji pojazdów, co jest kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa w odległych lub słabo rozwiniętych obszarach. WLAN szczególnie dobrze nadaje się do komunikacji V2X ze względu na niskie opóźnienia. Przesyła wiadomości znane jako Cooperative Awareness Messages (CAM) lub Basic Safety Message (BSM) oraz Decentralized Environmental Notification Messages (DENM). Inne komunikaty związane z infrastrukturą drogową to komunikat fazy sygnału i czasu (SPAT), komunikat informacji w pojeździe (IVI) oraz komunikat żądania usługi (SRM). Ilość danych tych wiadomości jest bardzo mała. Technologia radiowa jest częścią rodziny standardów WLAN IEEE 802.11 i jest znana w USA jako Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE), aw Europie jako ITS-G5. Aby uzupełnić tryb komunikacji bezpośredniej, pojazdy mogą być wyposażone w tradycyjne technologie komunikacji komórkowej, obsługujące usługi oparte na V2N. To rozszerzenie o V2N zostało osiągnięte w Europie pod parasolem platformy C-ITS z systemami komórkowymi i systemami transmisji (TMC/DAB+).

3GPP (C-V2X)

Nowsza komunikacja V2X wykorzystuje sieci komórkowe i jest nazywana komórkową V2X (lub C-V2X), aby odróżnić ją od V2X opartej na WLAN. Istnieje wiele organizacji branżowych, takich jak 5G Automotive Association (5GAA) promujące C-V2X ze względu na jego przewagę nad V2X opartym na WLAN (bez jednoczesnego uwzględniania wad). C-V2X jest początkowo zdefiniowany jako LTE w 3GPP Release 14 i jest przeznaczony do pracy w kilku trybach:

  1. Urządzenie do urządzenia (V2V lub V2I) oraz
  2. Urządzenie do sieci (V2N).

W wersji 3GPP Release 15 funkcje V2X zostały rozszerzone o obsługę 5G . C-V2X obejmuje obsługę zarówno bezpośredniej komunikacji między pojazdami (V2V), jak i tradycyjnej komunikacji opartej na sieci komórkowej. Ponadto C-V2X zapewnia ścieżkę migracji do systemów i usług opartych na 5G, co oznacza niekompatybilność i wyższe koszty w porównaniu z rozwiązaniami opartymi na 4G.

Bezpośrednia komunikacja pojazdu z innymi urządzeniami (V2V, V2I) wykorzystuje tzw. interfejs PC5. PC5 odnosi się do punktu odniesienia, w którym urządzenie użytkownika (UE), tj. telefon komórkowy, bezpośrednio komunikuje się z innym UE przez kanał bezpośredni. W takim przypadku komunikacja ze stacją bazową nie jest wymagana. Na poziomie architektury systemu usługa zbliżeniowa (ProSe) to funkcja, która określa architekturę bezpośredniej komunikacji między UE. W specyfikacjach 3GPP RAN „link boczny” jest terminologią odnoszącą się do bezpośredniej komunikacji przez PC5. Interfejs PC5 został pierwotnie zdefiniowany w celu zaspokojenia potrzeb komunikacji o znaczeniu krytycznym dla społeczności zajmującej się bezpieczeństwem publicznym (Public Safety-LTE lub PS-LTE) w wydaniu 13. Motywacją komunikacji o znaczeniu krytycznym było umożliwienie organom ścigania lub ratownictwa korzystać z komunikacji LTE nawet wtedy, gdy infrastruktura jest niedostępna, np. scenariusz klęski żywiołowej. W wydaniu 14 i nowszych wykorzystanie interfejsu PC5 zostało rozszerzone w celu zaspokojenia różnych potrzeb rynku, takich jak komunikacja z użyciem urządzeń do noszenia, takich jak smartwatch . W C-V2X interfejs PC5 jest ponownie stosowany do bezpośredniej komunikacji w V2V i V2I.

Komunikacja Cellular V2X w trybie 4 opiera się na schemacie alokacji zasobów rozproszonych, a mianowicie na półtrwałym planowaniu opartym na wykrywaniu, które planuje zasoby radiowe w sposób autonomiczny w każdym sprzęcie użytkownika (UE).

Oprócz bezpośredniej komunikacji przez PC5, C-V2X pozwala również urządzeniu C-V2X na korzystanie z połączenia sieci komórkowej w tradycyjny sposób przez interfejs Uu. Uu odnosi się do logicznego interfejsu między UE a stacją bazową. Jest to ogólnie określane jako pojazd do sieci (V2N). V2N jest unikalnym przypadkiem użycia dla C-V2X i nie istnieje w V2X opartym na 802.11p, biorąc pod uwagę, że ten ostatni obsługuje tylko komunikację bezpośrednią. Jednak podobnie jak w przypadku V2X opartego na WLAN, również w przypadku C-V2X, wymagane są dwa radia komunikacyjne, aby móc komunikować się jednocześnie przez interfejs PC5 z pobliskimi stacjami i przez interfejs UU z siecią.

Chociaż 3GPP definiuje funkcje transportu danych, które umożliwiają V2X, nie obejmuje treści semantycznej V2X, ale proponuje wykorzystanie standardów ITS-G5, takich jak CAM, DENM, BSM, itp. zamiast funkcji transportu danych 3GPP V2X.

Przypadków użycia

Poprzez swoją natychmiastową komunikację V2X umożliwia zastosowanie aplikacji bezpieczeństwa ruchu drogowego, takich jak (lista niewyczerpująca):

Raport amerykańskiej Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (NHTSA) „Komunikacja pojazd-pojazd: gotowość technologii V2V do zastosowania” wymienia początkowe przypadki użycia przewidziane dla USA. Europejski organ normalizacyjny ETSI i SAE opublikował normy dotyczące tego, co uważają za przypadki użycia. Wczesne przypadki użycia koncentrują się na bezpieczeństwie drogowym i wydajności. Nowe i zaawansowane przypadki użycia są wprowadzane przez organizacje takie jak 3GPP, 5GAA i 5GCAR, te przypadki użycia dotyczą wysokiego poziomu automatyzacji.

W perspektywie średnioterminowej V2X jest postrzegany jako kluczowy czynnik umożliwiający autonomiczną jazdę, zakładając, że będzie mógł ingerować w rzeczywistą jazdę. W takim przypadku pojazdy będą mogły dołączać do plutonów, tak jak robią to samochody ciężarowe.

Historia normalizacji

IEEE 802.11p

Komunikacja V2X oparta na sieci WLAN opiera się na zestawie standardów opracowanych przez Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM). Seria norm ASTM E 2213 dotyczy komunikacji bezprzewodowej w celu szybkiej wymiany informacji między samymi pojazdami, a także infrastrukturą drogową. Pierwszy standard z tej serii został opublikowany w 2002 roku. Tutaj akronim Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) został po raz pierwszy użyty do komunikacji V2X.

Od 2004 r. Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) rozpoczął prace nad bezprzewodowym dostępem dla pojazdów w ramach rodziny standardów IEEE 802.11 dla bezprzewodowych sieci lokalnych (WLAN). Ich początkowy standard komunikacji bezprzewodowej dla pojazdów znany jest jako IEEE 802.11p i opiera się na pracy wykonanej przez ASTM. Później w 2012 roku IEEE 802.11p został włączony do IEEE 802.11.

Około 2007 roku, gdy IEEE 802.11p ustabilizował się, IEEE zaczął opracowywać rodzinę standardów 1609.x, która standaryzuje aplikacje i ramy bezpieczeństwa (IEEE używa terminu WAVE), a wkrótce po tym, jak SAE zaczęła określać standardy dla aplikacji komunikacyjnych V2V. SAE używa terminu DSRC dla tej technologii (tak powstał termin w USA). Równolegle w ETSI powołano komisję techniczną ds. inteligentnego systemu transportowego (ITS) i rozpoczęto opracowywanie standardów protokołów i aplikacji (ETSI ukuł termin ITS-G5). Wszystkie te standardy są oparte na technologii IEEE 802.11p.

W latach 2012–2013 Japońskie Stowarzyszenie Przemysłu i Przedsiębiorstw Radiowych (ARIB) określiło, również w oparciu o IEEE 802.11, system komunikacji V2V i V2I w paśmie częstotliwości 700 MHz.

W 2015 roku ITU opublikowało podsumowanie wszystkich standardów V2V i V2I stosowanych na całym świecie, obejmujących systemy określone przez ETSI, IEEE, ARIB i TTA (Republika Korei, Stowarzyszenie Technologii Telekomunikacyjnych).

3GPP

3GPP rozpoczęło prace nad standaryzacją komórkowego V2X (C-V2X) w wydaniu 14 w 2014 roku. Jest ono oparte na technologii LTE jako podstawowej. Specyfikacje zostały opublikowane w 2017 roku. Ponieważ ta funkcjonalność C-V2X jest oparta na LTE, jest często określana jako LTE-V2X. Zakres funkcjonalności obsługiwanych przez C-V2X obejmuje zarówno komunikację bezpośrednią (V2V, V2I), jak i szerokopasmową komunikację w sieciach komórkowych (V2N).

W wydaniu 15 3GPP kontynuowało standaryzację C-V2X, opierając się na 5G. Specyfikacje zostały opublikowane w 2018 roku, gdy wersja 15 dobiega końca. Aby wskazać podstawową technologię, termin 5G-V2X jest często używany w przeciwieństwie do V2X opartego na LTE (LTE-V2X). W każdym przypadku C-V2X to ogólna terminologia odnosząca się do technologii V2X wykorzystującej technologię komórkową niezależnie od konkretnej generacji technologii.

W wydaniu 16 3GPP dodatkowo rozszerza funkcjonalność C-V2X. Prace są w toku. W ten sposób C-V2X jest z natury odporny na przyszłość, wspierając ścieżkę migracji do 5G.

Przeprowadzono badania i analizy w celu porównania skuteczności technologii komunikacji bezpośredniej między LTE-V2X PC5 i 802.11p z punktu widzenia uniknięcia wypadków i zmniejszenia liczby śmiertelnych i poważnych obrażeń. Badanie pokazuje, że LTE-V2X osiąga wyższy poziom unikania wypadków i zmniejszenia obrażeń. Wskazuje również, że LTE-V2X zapewnia wyższy procent udanej dostawy pakietów i zasięgu komunikacji. Kolejny wynik symulacji na poziomie łącza i na poziomie systemu wskazuje, że aby osiągnąć tę samą wydajność łącza zarówno w scenariuszach z linią widzenia (LOS), jak i bez widoczności (NLOS), należy obniżyć stosunek sygnału do szumu (SNR) są osiągalne przez interfejs LTE-V2X PC5 w porównaniu do IEEE 802.11p.

Komórkowe rozwiązanie V2X daje również możliwość dalszej ochrony innych typów użytkowników dróg (np. pieszych, rowerzystów) poprzez zintegrowanie interfejsu PC5 ze smartfonami, skutecznie integrując tych użytkowników dróg z ogólnym rozwiązaniem C-ITS. Pojazd do osoby (V2P) obejmuje scenariusze Narażonego Użytkownika Drogi (VRU) służące do wykrywania pieszych i rowerzystów w celu uniknięcia wypadków i obrażeń z udziałem tych użytkowników dróg.

Ponieważ zarówno komunikacja bezpośrednia, jak i komunikacja przez sieć komórkową rozległego obszaru są zdefiniowane w tym samym standardzie (3GPP), oba tryby komunikacji będą prawdopodobnie zintegrowane w jednym chipsecie. Komercjalizacja tych chipsetów dodatkowo zwiększa ekonomię skali i prowadzi do możliwości szerszego zakresu modeli biznesowych i usług wykorzystujących oba rodzaje komunikacji.

Historia przepisów

Stany Zjednoczone

W 1999 roku amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) przeznaczyła 75 MHz w paśmie 5,850-5,925 GHz dla inteligentnych systemów transportowych. Od tego czasu Departament Transportu Stanów Zjednoczonych (USDOT) współpracuje z szeregiem interesariuszy nad V2X. W 2012 roku w Ann Arbor w stanie Michigan wdrożono projekt przedwdrożeniowy. Wzięło w nim udział 2800 pojazdów obejmujących samochody, motocykle, autobusy i samochody ciężarowe różnych marek, wykorzystujące sprzęt różnych producentów. Amerykańska Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (NHTSA) uznała ten model za dowód na to, że można poprawić bezpieczeństwo na drogach i że standardowa technologia WAVE jest interoperacyjna. W sierpniu 2014 r. NHTSA opublikowała raport, w którym argumentuje, że technologia pojazd-pojazd została technicznie sprawdzona jako gotowa do wdrożenia. W dniu 20 sierpnia 2014 r. NHTSA opublikowała zawiadomienie o proponowanym tworzeniu przepisów (ANPRM) w Rejestrze Federalnym, argumentując, że korzyści związane z bezpieczeństwem komunikacji V2X można osiągnąć tylko wtedy, gdy znaczna część floty pojazdów jest wyposażona. Z powodu braku natychmiastowych korzyści dla wczesnych użytkowników, NHTSA zaproponowała obowiązkowe wprowadzenie. W dniu 25 czerwca 2015 r. Izba Reprezentantów Stanów Zjednoczonych przeprowadziła przesłuchanie w tej sprawie, na którym ponownie NHTSA, a także inni interesariusze, argumentowali w sprawie V2X.

Europa

Aby pozyskać widmo w całej UE, zastosowania radiowe wymagają zharmonizowanej normy, w przypadku ITS-G5 ETSI EN 302 571, opublikowanej po raz pierwszy w 2008 r. Zharmonizowana norma z kolei wymaga dokumentu referencyjnego systemu ETSI, tutaj ETSI TR 101 788. Decyzja Komisji 2008/671/WE harmonizuje wykorzystanie zakresu częstotliwości 5875-5 905 MHz na potrzeby zastosowań ITS związanych z bezpieczeństwem transportu. W 2010 roku przyjęto Dyrektywę ITS 2010/40/UE. Ma on na celu zapewnienie, że aplikacje ITS są interoperacyjne i mogą działać ponad granicami krajowymi, określa priorytetowe obszary prawodawstwa wtórnego, które obejmuje V2X i wymaga dojrzałych technologii. W 2014 roku branżowy interesariusz Komisji Europejskiej „C-ITS Deployment Platform” rozpoczął prace nad ramami regulacyjnymi dla V2X w UE. Zidentyfikowano kluczowe podejścia do ogólnounijnej infrastruktury klucza publicznego (PKI) bezpieczeństwa V2X i ochrony danych, a także uproszczenie standardu łagodzenia w celu zapobiegania zakłóceniom radiowym między V2X opartym na ITS-G5 a systemami opłat drogowych. Komisja Europejska uznała ITS-G5 za początkową technologię komunikacyjną w swoim planie działania 5G i towarzyszącym mu dokumencie wyjaśniającym, w celu utworzenia środowiska komunikacyjnego składającego się z ITS-G5 i komunikacji komórkowej, zgodnie z wizją państw członkowskich UE. Różne projekty przedwdrożeniowe istnieją na poziomie UE lub państw członkowskich UE, takie jak SCOOP@F, Testfeld Telematik, cyfrowe stanowisko testowe Autobahn, korytarz Rotterdam-Wiedeń ITS, Nordic Way, COMPASS4D lub C-ROADS. Istnieją również realne scenariusze wdrożenia standardu V2X. Pierwszy komercyjny projekt, w którym standard V2X jest używany do wspomagania ruchu skrzyżowania. Zrealizowano go w mieście Brno / Czechy, gdzie 80 sztuk skrzyżowań jest kontrolowanych przez standard komunikacji V2X z pojazdów komunikacji miejskiej gminy Brno.

Przydział widma

Poniższa tabela przedstawia alokację widma dla C-ITS w różnych krajach. Ze względu na standaryzację V2X w 802.11p poprzedzającą standaryzację C-V2X w 3GPP , przydział widma był pierwotnie przeznaczony dla systemu opartego na 802.11p. Przepisy są jednak neutralne pod względem technologicznym, więc wdrożenie C-V2X nie jest wykluczone.

Kraj Widmo (MHz) Przydzielona przepustowość (MHz)
Australia 5855 – 5925 70
Chiny 5905 - 5925 (próby) 20
Europa 5875 – 5905 30
Japonia 755,5-764,5 i 5770 – 5850 9 i 80
Korea 5855 – 5925 70
Singapur 5875 – 5925 50
USA 5850-5925 75

Rozpatrzenie w okresie przejściowym

Wdrażanie technologii V2X (produktów opartych na C-V2X lub 802.11p) będzie następować stopniowo z biegiem czasu. Nowe samochody będą wyposażone w jedną z tych dwóch technologii od około 2020 r., a ich udział na drogach ma się stopniowo zwiększać. Volkswagen Golf 8. generacji był pierwszym samochodem osobowym wyposażonym w technologię V2X napędzaną technologią NXP. W międzyczasie na drogach będą nadal istniały istniejące (starsze) pojazdy. Oznacza to, że pojazdy obsługujące V2X będą musiały współistnieć z pojazdami innymi niż V2X (starsze) lub z pojazdami V2X o niezgodnej technologii.

Głównymi przeszkodami w jego przyjęciu są kwestie prawne oraz fakt, że o ile nie przyjmą go prawie wszystkie pojazdy, jego skuteczność jest ograniczona. Brytyjski tygodnik „The Economist” przekonuje, że autonomiczną jazdę bardziej napędzają przepisy niż technologia.

Jednak nowsze badania wskazują, że zmniejszenie liczby wypadków drogowych przynosi korzyści nawet w okresie przejściowym, w którym technologia jest wprowadzana na rynek.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki