Pojazd do wszystkiego

Pojazd do x (Ilustracja)

Vehicle-to-everything ( V2X ) to komunikacja między pojazdem a dowolnym podmiotem, który może mieć wpływ na pojazd lub na który może mieć wpływ. 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-urządzenie ).

Głównymi motywacjami dla V2X są bezpieczeństwo na drogach , wydajność ruchu , oszczędność energii i masowy nadzór . Amerykańska NHTSA szacuje, że wdrożenie systemu V2V spowoduje zmniejszenie liczby wypadków drogowych o co najmniej 13%, co spowoduje zmniejszenie liczby wypadków o 439 000 rocznie. Istnieją dwa typy technologii komunikacji V2X w zależności od używanej technologii bazowej: (1) sieci WLAN i (2) oparta na sieci komórkowej .

Historia

Historia prac nad projektami komunikacji pojazd-pojazd mającymi na celu zwiększenie bezpieczeństwa, zmniejszenie liczby wypadków i wspomaganie kierowcy sięga lat 70. XX wieku wraz z projektami takimi jak amerykański elektroniczny system nawigacji drogowej (ERGS) i japoński CACS. Większość kamieni milowych w historii sieci pojazdów pochodzi ze Stanów Zjednoczonych, Europy i Japonii.

Standaryzacja systemów V2X opartych na sieciach WLAN zastępuje systemy V2X oparte na telefonii komórkowej. IEEE po raz pierwszy opublikowało specyfikację V2X opartego na WLAN ( IEEE 802.11p ) w 2010 roku. Obsługuje bezpośrednią komunikację między pojazdami (V2V) oraz między pojazdami a infrastrukturą (V2I). Technologia ta jest określana jako Dedicated Short Range Communication ( DSRC ). DSRC wykorzystuje podstawową komunikację radiową zapewnianą przez standard 802.11p.

W 2016 roku Toyota jako pierwszy producent samochodów na świecie wprowadziła samochody wyposażone w V2X. Pojazdy te wykorzystują DSRC i są sprzedawane wyłącznie w Japonii. W 2017 roku GM został drugim producentem samochodów, który wprowadził V2X. GM sprzedaje model Cadillaca w Stanach Zjednoczonych, który jest również wyposażony w DSRC V2X.

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

W grudniu 2017 r. europejski producent samochodów ogłosił, że od 2019 r. wdroży technologię V2X opartą na standardzie 802.11p. Niektóre badania i analizy przeprowadzone w latach 2017 i 2018, wszystkie przeprowadzone przez 5G Automotive Association (5GAA) – organizację branżową wspierającą i rozwijającą Technologia C-V2X — wskazuje, że technologia komórkowa C-V2X w trybie komunikacji bezpośredniej przewyższa 802.11p pod wieloma względami, takimi jak wydajność, zasięg komunikacji i niezawodność. Wiele z tych twierdzeń jest kwestionowanych, np. w dokumencie opublikowanym przez NXP, jedna z firm działających w technologii V2X opartej na standardzie 802.11p, ale również publikowanej w recenzowanych czasopismach.

Przegląd technologii

802.11p (DSRC)

Oryginalna komunikacja V2X wykorzystuje technologię WLAN i działa bezpośrednio między pojazdami (V2V), a także pojazdami i infrastrukturą drogową (V2I), które tworzą samochodową sieć ad-hoc , gdy dwa nadajniki V2X znajdują się w swoim zasięgu. Nie wymaga więc żadnej infrastruktury komunikacyjnej, aby pojazdy mogły się komunikować, co jest kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa na terenach odległych lub słabo rozwiniętych. Sieć WLAN jest szczególnie dobrze przystosowana do komunikacji V2X , ze względu na małe opóźnienie. Przesyła komunikaty 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 dotyczący fazy sygnału i synchronizacji (SPAT), komunikat informacyjny o pojeździe (IVI) oraz komunikat żądania usługi (SRM). Ilość danych zawartych w tych wiadomościach jest bardzo mała. Technologia radiowa jest częścią WLAN IEEE 802.11 rodziny standardów i jest znany 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 sieci V2N. To rozszerzenie o V2N zostało osiągnięte w Europie w ramach platformy C-ITS z systemami komórkowymi i systemami nadawczymi (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. Było wiele organizacji branżowych, takich jak 5G Automotive Association (5GAA), promujące C-V2X ze względu na jego zalety w stosunku do V2X opartego na WLAN (bez jednoczesnego uwzględnienia wad). C-V2X jest początkowo zdefiniowany jako LTE w 3GPP Release 14 i jest przeznaczony do pracy w kilku trybach:

  1. Urządzenie z urządzeniem (V2V lub V2I) i
  2. Urządzenie do sieci (V2N).

W 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 pomiędzy pojazdem a innymi urządzeniami (V2V, V2I) odbywa się za pomocą tzw. interfejsu PC5. PC5 odnosi się do punktu odniesienia, w którym Sprzęt Użytkownika (UE), tj. telefon komórkowy, bezpośrednio komunikuje się z innym UE przez kanał bezpośredni. W tym przypadku komunikacja ze stacją bazową Nie jest wymagane. Na poziomie architektury systemu usługa zbliżeniowa (ProSe) jest cechą określającą architekturę bezpośredniej komunikacji pomiędzy UE. W specyfikacjach 3GPP RAN „link boczny” to terminologia odnosząca się do bezpośredniej komunikacji przez PC5. Interfejs PC5 został pierwotnie zdefiniowany w celu zaspokojenia potrzeb komunikacji o znaczeniu krytycznym dla społeczności bezpieczeństwa publicznego (Bezpieczeństwo publiczne-LTE lub PS-LTE) w wersji 13. Motywacją do komunikacji o znaczeniu krytycznym było umożliwienie organom ścigania lub służbom ratowniczym do korzystania z komunikacji LTE nawet wtedy, gdy infrastruktura jest niedostępna, jak np. klęska żywiołowa. W wersji 14 i nowszych interfejs PC5 został rozszerzony, aby sprostać różnym potrzebom rynkowym, takim jak komunikacja z urządzeniami do noszenia, takimi jak inteligentny zegarek . W C-V2X interfejs PC5 jest ponownie zastosowany do komunikacji bezpośredniej w V2V i V2I.

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

Oprócz bezpośredniej komunikacji przez PC5, C-V2X umożliwia również urządzeniu C-V2X korzystanie z połączenia sieci komórkowej w tradycyjny sposób przez interfejs Uu. Uu odnosi się do interfejsu logicznego między UE a stacją bazową. Jest to ogólnie określane jako połączenie pojazdu z siecią (V2N). V2N to wyjątkowy przypadek użycia C-V2X i nie istnieje w V2X opartym na standardzie 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

Dzięki natychmiastowej komunikacji V2X umożliwia zastosowanie takich aplikacji związanych z bezpieczeństwem ruchu drogowego, jak (lista nie jest wyczerpująca):

Raport amerykańskiej Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (NHTSA) „Komunikacja między pojazdami: Gotowość technologii V2V do zastosowania” zawiera listę wstępnych przypadków użycia przewidzianych dla Stanów Zjednoczonych. Europejski organ normalizacyjny ETSI i SAE opublikowały normy dotyczące tego, co uważają za przypadki użycia. Wczesne przypadki użycia koncentrują się na bezpieczeństwie drogowym i wydajności. Organizacje takie jak 3GPP, 5GAA i 5GCAR wprowadzają nowe i zaawansowane przypadki użycia, które 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 mogłyby dołączać do plutonów, tak jak robią to samochody ciężarowe. Wraz z nadejściem połączonej i autonomicznej mobilności dyskusje V2X odgrywają ważną rolę, zwłaszcza w kontekście teleoperacji dla pojazdów autonomicznych i konwojów

Historia normalizacji

IEEE 802.11p

Komunikacja V2X oparta na sieci WLAN jest oparta na zestawie standardów opracowanych przez American Society for Testing and Materials (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 po raz pierwszy do komunikacji V2X użyto akronimu Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE).

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

Około 2007 roku, kiedy IEEE 802.11p ustabilizowało się, IEEE zaczęło rozwijać aplikacje standaryzujące rodzinę standardów 1609.x i ramy bezpieczeństwa (IEEE używa terminu WAVE), a wkrótce potem SAE zaczęło określać standardy dla aplikacji komunikacyjnych V2V. SAE używa terminu DSRC dla tej technologii (tak powstał termin w USA). Równolegle w ETSI powstał komitet techniczny ds. Inteligentnego systemu transportowego (ITS), który zaczął opracowywać standardy dla protokołów i aplikacji (ETSI ukuło termin ITS-G5). Wszystkie te standardy oparte są na technologii IEEE 802.11p.

W latach 2012-2013 Japońskie Stowarzyszenie Branży 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 używanych na całym świecie, obejmujących systemy określone przez ETSI, IEEE, ARIB i TTA (Republika Korei, Stowarzyszenie Technologii Telekomunikacyjnych).

3GPP

3GPP rozpoczęło prace nad standaryzacją komórkowej V2X (C-V2X) w wydaniu 14 w 2014 r. Opiera się ona na technologii LTE jako podstawowej. Specyfikacje zostały opublikowane w 2017 roku. Ponieważ funkcje C-V2X są oparte na LTE, jest często określany jako LTE-V2X. Zakres funkcjonalności obsługiwanych przez C-V2X obejmuje zarówno komunikację bezpośrednią (V2V, V2I), jak i komunikację w rozległej sieci komórkowej (V2N).

W wydaniu 15 firma 3GPP kontynuowała standaryzację C-V2X w oparciu o technologię 5G. Specyfikacje zostaną opublikowane w 2018 r., gdy wersja 15 dobiegnie końca. Aby wskazać podstawową technologię, termin 5G-V2X jest często używany w przeciwieństwie do V2X opartej na LTE (LTE-V2X). W obu przypadkach 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. Obecnie trwają prace. W ten sposób C-V2X jest z natury przyszłościowy, wspierając ścieżkę migracji do 5G.

Przeprowadzono badania i analizy w celu porównania skuteczności technologii komunikacji bezpośredniej między LTE-V2X PC5 i 802.11p pod kątem uniknięcia wypadków oraz zmniejszenia liczby śmiertelnych i poważnych obrażeń. Z badania wynika, że ​​LTE-V2X osiąga wyższy poziom unikania wypadków i redukcji obrażeń. Wskazuje to również, że LTE-V2X zapewnia wyższy odsetek udanych dostaw pakietów i zasięg komunikacji. Inny wynik symulacji na poziomie łącza i na poziomie systemu wskazuje, że aby osiągnąć taką samą wydajność łącza zarówno w scenariuszach z linią wzroku (LOS), jak i bez linii wzroku (NLOS), niższy stosunek sygnału do szumu (SNR) są osiągalne przez interfejs LTE-V2X PC5 w porównaniu do IEEE 802.11p.

Rozwiązanie V2X oparte na technologii komórkowej daje również możliwość dalszej ochrony innych typów użytkowników dróg (np. pieszych, rowerzystów) dzięki integracji interfejsu PC5 ze smartfonami, skutecznie integrując tych użytkowników dróg z całościowym rozwiązaniem C-ITS. Vehicle-to-person (V2P) obejmuje scenariusze VRU (Vulnerable Road User) do wykrywania pieszych i rowerzystów w celu uniknięcia wypadków i obrażeń z udziałem tych użytkowników dróg.

Ponieważ zarówno komunikacja bezpośrednia, jak i komunikacja w rozległej sieci komórkowej są zdefiniowane w tym samym standardzie (3GPP), oba tryby komunikacji zostaną prawdopodobnie zintegrowane w jednym chipsecie. Komercjalizacja tych chipsetów jeszcze bardziej zwiększa ekonomię skali i otwiera możliwości dla szerszego zakresu modeli biznesowych i usług wykorzystujących oba rodzaje komunikacji.

Historia regulacji

Stany Zjednoczone

W 1999 roku amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) przeznaczyła 75 MHz z zakresu 5,850-5,925 GHz dla inteligentnych systemów transportowych.

Od tego czasu Departament Transportu Stanów Zjednoczonych (USDOT) współpracuje z wieloma zainteresowanymi stronami nad V2X. W 2012 roku zrealizowano projekt przedwdrożeniowy w Ann Arbor w stanie Michigan. Wzięło w nim udział 2800 pojazdów obejmujących samochody osobowe, motocykle, autobusy i samochody ciężarowe różnych marek, wyposażonych w sprzęt różnych producentów. Amerykańska Narodowa Administracja ds. Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (NHTSA) uznała wdrożenie tego modelu 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 argumentowała, że ​​​​technologia między pojazdami została technicznie sprawdzona jako gotowa do wdrożenia. W dniu 20 sierpnia 2014 r. NHTSA opublikowała w Rejestrze Federalnym zawiadomienie o proponowanych przepisach (ANPRM), argumentując, że korzyści w zakresie bezpieczeństwa wynikające z komunikacji V2X można osiągnąć tylko wtedy, gdy znacząca część floty pojazdów zostanie wyposażona. Ze względu na brak natychmiastowych korzyści dla wczesnych użytkowników, NHTSA zaproponowała obowiązkowe wprowadzenie. W dniu 25 czerwca 2015 r. Izba Reprezentantów Stanów Zjednoczonych przeprowadziła przesłuchanie w tej sprawie, podczas którego NHTSA oraz inne zainteresowane strony argumentowały za V2X.

18 listopada 2020 r. FCC przeniosła 45 MHz w zakresie 5,850–5,895 GHz do Wi-Fi , a resztę pasma V2X do C-V2X, powołując się na niepowodzenie startu DSRC. Organizacje rzecznicze ITS America i Amerykańskie Stowarzyszenie Urzędników ds. Autostrad i Transportu pozwały FCC, argumentując, że decyzja szkodzi użytkownikom DSRC; 12 sierpnia 2022 r. sąd federalny zezwolił na przeniesienie.

Europa

Aby uzyskać widmo w całej UE, aplikacje radiowe wymagają zharmonizowanej normy, w przypadku ITS-G5 ETSI EN 302 571, opublikowanej po raz pierwszy w 2008 r. Z kolei zharmonizowana norma wymaga dokumentu referencyjnego systemu ETSI, tutaj ETSI TR 101 788. Decyzja Komisji Dyrektywa 2008/671/WE harmonizuje wykorzystanie zakresu częstotliwości 5 875–5 905 MHz do zastosowań ITS związanych z bezpieczeństwem transportu. W 2010 roku została przyjęta Dyrektywa ITS 2010/40/UE. Ma na celu zapewnienie interoperacyjności aplikacji ITS i ich działania ponad granicami państw, określa obszary priorytetowe dla prawa wtórnego, które obejmują V2X i wymaga dojrzałości technologii. W 2014 r. 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 ułatwiono standard łagodzenia, aby zapobiegać zakłóceniom radiowym między systemami V2X opartymi na ITS-G5 a systemami opłat drogowych. Komisja Europejska uznała ITS-G5 za początkową technologię komunikacyjną w swoim planie działania 5G i towarzyszącym dokumencie wyjaśniającym, aby stworzyć środowisko komunikacyjne składające się z ITS-G5 i komunikacji komórkowej, zgodnie z wizją państw członkowskich UE. Na poziomie UE lub państwa członkowskiego istnieją różne projekty przedwdrożeniowe, takie jak SCOOP@F, Testfeld Telematik, cyfrowe stanowisko testowe Autobahn, korytarz ITS Rotterdam-Wiedeń, Nordic Way, COMPASS4D lub C-ROADS. Istnieją również realne scenariusze wdrożenia standardu V2X. Pierwszy komercyjny projekt, w którym standard V2X jest używany do przypadku użycia wspomagania ruchu na skrzyżowaniu. Został zrealizowany w Miasto Brno / Republika Czeska , gdzie 80 szt. skrzyżowań jest kontrolowanych standardem komunikacji V2X z pojazdów komunikacji miejskiej gminy Brno.

Alokacja widma

Przydział widma na potrzeby C-ITS w różnych krajach przedstawiono w poniższej tabeli. Ze względu na standaryzację V2X w 802.11p poprzedzającą standaryzację C-V2X w 3GPP , alokacja widma była pierwotnie przeznaczona dla systemu opartego na standardzie 802.11p. Przepisy są jednak neutralne pod względem technologicznym, więc wdrożenie C-V2X nie jest wykluczone.

W 2022 roku amerykańskie sądy federalne powiedziały FCC, że może przenieść 45 MHz widma V2X do operatorów bezprzewodowych i komórkowych, powołując się na lata nieużywania przez składniki V2X.

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 5895 - 5925 30

Rozpatrzenie w okresie przejściowym

Wdrażanie technologii V2X (produkty oparte na C-V2X lub 802.11p) będzie następować stopniowo. Nowe samochody będą wyposażone w jedną z dwóch technologii począwszy od około 2020 r., a ich udział na drogach ma stopniowo rosnąć. Volkswagen Golf 8. generacji był pierwszym samochodem osobowym wyposażonym w technologię V2X napędzaną technologią NXP. W międzyczasie istniejące (starsze) pojazdy będą nadal jeździć po drogach. Oznacza to, że pojazdy obsługujące V2X będą musiały współistnieć z pojazdami innymi niż V2X (starszymi) lub z pojazdami V2X o niekompatybilnej technologii.

Główną przeszkodą w jego przyjęciu są kwestie prawne oraz fakt, że jeśli prawie wszystkie pojazdy go nie przyjmą, jego skuteczność będzie ograniczona. Brytyjski tygodnik „The Economist” przekonuje, że autonomiczną jazdę napędzają bardziej przepisy niż technologia.

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

Dalsza lektura

Na ten temat napisano wiele książek i artykułów:

  • W kierunku niezawodnego i skalowalnego Internetu pojazdów: analiza wydajności i zarządzanie zasobami.


Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Vehicle-to-everything&oldid=1144239279 ”