Vehicle-to-Everything - Vehicle-to-everything

Veículo para x (ilustração)

Vehicle-to- Everything ( V2X ) é a comunicação entre um veículo e qualquer entidade que pode afetar, ou pode ser afetada por, o veículo. É um sistema de comunicação veicular que incorpora outros tipos de comunicação mais específicos como V2I (veículo para infraestrutura), V2N (veículo para rede), V2V ( veículo para veículo ), V2P (veículo para pedestre) , V2D ( veículo para dispositivo ) e V2G ( veículo para grade ).

As principais motivações para V2X são a segurança rodoviária , a eficiência do tráfego , e economia de energia . A US NHTSA estima uma redução mínima de 13% em acidentes de trânsito se um sistema V2V for implementado, resultando em 439.000 acidentes a menos por ano. Existem dois tipos de tecnologia de comunicação V2X, dependendo da tecnologia subjacente usada: (1) baseada em WLAN e (2) baseada em celular .

História

A história de trabalho em projetos de comunicação de veículo a veículo para aumentar a segurança, reduzir acidentes e assistência ao motorista pode ser rastreada até a década de 1970 com projetos como o Sistema Eletrônico de Orientação Rodoviária dos EUA (ERGS) e o CACS do Japão. A maioria dos marcos na história das redes de veículos originou-se dos Estados Unidos, Europa e Japão.

A padronização do V2X baseado em WLAN substitui a dos sistemas V2X baseados em celular. O IEEE publicou pela primeira vez a especificação do V2X baseado em WLAN ( IEEE 802.11p ) em 2010. Ele oferece suporte à comunicação direta entre veículos (V2V) e entre veículos e infraestrutura (V2I). Essa tecnologia é conhecida como Comunicação Dedicada de Curto Alcance ( DSRC ). O DSRC usa a comunicação de rádio subjacente fornecida pelo 802.11p.

Em 2016, a Toyota se tornou a primeira montadora globalmente a apresentar automóveis equipados com V2X. Esses veículos usam tecnologia DSRC e estão à venda apenas no Japão. Em 2017, a GM se tornou a segunda montadora a lançar o V2X. A GM vende um modelo Cadillac nos Estados Unidos que também é equipado com DSRC V2X.

Em 2016, o 3GPP publicou especificações V2X baseadas em LTE como a tecnologia subjacente. É geralmente referido como "V2X celular" (C-V2X) para se diferenciar da tecnologia V2X baseada em 802.11p. Além da comunicação direta (V2V, V2I), o C-V2X também oferece suporte à comunicação de área ampla em uma rede celular (V2N).

Em dezembro de 2017, um fabricante automotivo europeu anunciou a implantação da tecnologia V2X baseada em 802.11p a partir de 2019. Enquanto alguns estudos e análises em 2017 e 2018, todos realizados pela 5G Automotive Association (5GAA) - a organização da indústria que apoia e desenvolve o Tecnologia C-V2X - indica que a tecnologia C-V2X baseada em celular no modo de comunicação direta é superior a 802.11p em vários aspectos, como desempenho, alcance de comunicação e confiabilidade, muitas dessas reivindicações são contestadas, por exemplo, em um white paper publicado por NXP, uma das empresas ativas na tecnologia V2X baseada em 802.11p, mas também publicada por periódicos revisados ​​por pares.

Visão geral da tecnologia

802.11p ( DSRC )

A comunicação V2X original usa tecnologia WLAN e funciona diretamente entre veículos e veículos (V2V) e infraestrutura de tráfego (V2I), que formam uma rede ad-hoc veicular à medida que dois remetentes V2X ficam dentro do alcance um do outro. Portanto, não requer nenhuma infraestrutura de comunicação para os veículos se comunicarem, o que é fundamental para garantir a segurança em áreas remotas ou pouco desenvolvidas. A WLAN é particularmente adequada para comunicação V2X , devido à sua baixa latência. Ele transmite mensagens conhecidas como Mensagens de Conscientização Cooperativa (CAM) ou Mensagem de Segurança Básica (BSM) e Mensagens de Notificação Ambiental Descentralizada (DENM). Outras mensagens relacionadas à infraestrutura de beira de estrada são Mensagem de fase de sinal e tempo (SPAT), Mensagem de informação no veículo (IVI) e Mensagem de solicitação de serviço (SRM). O volume de dados dessas mensagens é muito baixo. A tecnologia de rádio faz parte da família de padrões WLAN IEEE 802.11 e é conhecida nos Estados Unidos como Acesso sem fio em ambientes veiculares (WAVE) e na Europa como ITS-G5. Para complementar o modo de comunicação direta, os veículos podem ser equipados com tecnologias tradicionais de comunicação celular, suportando serviços baseados em V2N. Esta extensão com V2N foi alcançada na Europa sob o guarda-chuva da plataforma C-ITS com sistemas celulares e sistemas de broadcast (TMC / DAB +).

3GPP (C-V2X)

A comunicação V2X mais recente usa redes celulares e é chamada de V2X celular (ou C-V2X) para diferenciá-la do V2X baseado em WLAN. Existem várias organizações do setor, como a 5G Automotive Association (5GAA), promovendo o C-V2X devido às suas vantagens sobre o V2X baseado em WLAN (sem considerar as desvantagens ao mesmo tempo). C-V2X é inicialmente definido como LTE no 3GPP Versão 14 e é projetado para operar em vários modos:

  1. Dispositivo a dispositivo (V2V ou V2I), e
  2. Dispositivo para rede (V2N).

No 3GPP Release 15, as funcionalidades V2X são expandidas para suportar 5G . C-V2X inclui suporte para comunicação direta entre veículos (V2V) e comunicação tradicional baseada em rede celular. Além disso, C-V2X fornece um caminho de migração para sistemas e serviços baseados em 5G, o que implica incompatibilidade e custos mais altos em comparação com soluções baseadas em 4G.

A comunicação direta entre o veículo e outros dispositivos (V2V, V2I) usa a chamada interface PC5. PC5 refere-se a um ponto de referência onde o Equipamento do Usuário (UE), ou seja, o telefone móvel, se comunica diretamente com outro UE através do canal direto. Neste caso, a comunicação com a estação base não é necessária. No nível da arquitetura do sistema, o serviço de proximidade (ProSe) é o recurso que especifica a arquitetura da comunicação direta entre os UEs. Nas especificações 3GPP RAN, "sidelink" é a terminologia para se referir à comunicação direta pelo PC5. A interface PC5 foi originalmente definida para atender às necessidades de comunicação de missão crítica para a comunidade de segurança pública (Segurança Pública-LTE, ou PS-LTE) na versão 13. A motivação da comunicação de missão crítica era permitir que agências de aplicação da lei ou resgate de emergência usar a comunicação LTE mesmo quando a infraestrutura não estiver disponível, como em um cenário de desastre natural. Na versão 14 em diante, o uso da interface PC5 foi expandido para atender a várias necessidades do mercado, como comunicação envolvendo dispositivos vestíveis, como smartwatch . No C-V2X, a interface PC5 é reaplicada à comunicação direta em V2V e V2I.

A comunicação Cellular V2X modo 4 depende de um esquema de alocação de recursos distribuído, nomeadamente programação semipersistente baseada em detecção que programa recursos de rádio de forma autônoma em cada equipamento de usuário (UE).

Além da comunicação direta pelo PC5, o C-V2X também permite que o dispositivo C-V2X use a conexão de rede celular da maneira tradicional pela interface Uu. Uu refere-se à interface lógica entre o UE e a estação base. Isso geralmente é conhecido como veículo para rede (V2N). V2N é um caso de uso exclusivo para C-V2X e não existe no V2X baseado em 802.11p, visto que o último suporta apenas comunicação direta. No entanto, semelhante ao V2X baseado em WLAN também no caso do C-V2X, dois rádios de comunicação são necessários para se comunicarem simultaneamente por meio de uma interface PC5 com estações próximas e por meio da interface UU com a rede.

Embora 3GPP defina os recursos de transporte de dados que habilitam o V2X, ele não inclui o conteúdo semântico V2X, mas propõe o uso de padrões ITS-G5 como CAM, DENM, BSM, etc. sobre os recursos de transporte de dados 3GPP V2X.

Casos de uso

Por meio de sua comunicação instantânea, o V2X permite aplicações de segurança viária como (lista não exaustiva):

O relatório da Administração Nacional de Segurança de Tráfego Rodoviário dos EUA (NHTSA) “Comunicações de veículo a veículo: Prontidão da tecnologia V2V para aplicação“ lista os casos de uso iniciais previstos para os EUA. Os organismos europeus de normalização ETSI e SAE publicaram normas sobre o que consideram casos de uso. Os primeiros casos de uso se concentram na segurança e eficiência no trânsito. Casos de uso novos e avançados são introduzidos por organizações como 3GPP, 5GAA e 5GCAR, esses casos de uso abordam altos níveis de automação.

A médio prazo, o V2X é percebido como um capacitador-chave para a direção autônoma, supondo que seria permitido intervir na direção real. Nesse caso, os veículos poderiam entrar em pelotões, como fazem os HGVs.

Histórico de padronização

IEEE 802.11p

A comunicação V2X baseada em WLAN é baseada em um conjunto de padrões elaborado pela American Society for Testing and Materials (ASTM). A série de padrões ASTM E 2213 analisa a comunicação sem fio para troca de informações em alta velocidade entre os próprios veículos, bem como a infraestrutura rodoviária. O primeiro padrão desta série foi publicado em 2002. Aqui, o acrônimo Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) foi usado pela primeira vez para comunicação V2X.

De 2004 em diante, o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) começou a trabalhar no acesso sem fio para veículos sob a égide de sua família de padrões IEEE 802.11 para Redes Locais Sem Fio (WLAN). Seu padrão inicial para comunicação sem fio para veículos é conhecido como IEEE 802.11p e é baseado no trabalho realizado pela ASTM. Mais tarde, em 2012, o IEEE 802.11p foi incorporado ao IEEE 802.11.

Por volta de 2007, quando o IEEE 802.11p ficou estável, o IEEE começou a desenvolver os aplicativos de padronização da família de padrões 1609.x e uma estrutura de segurança (o IEEE usa o termo WAVE), e logo após o SAE começou a especificar os padrões para aplicativos de comunicação V2V. SAE usa o termo DSRC para essa tecnologia (é assim que o termo foi cunhado nos Estados Unidos). Paralelamente, no ETSI, foi fundado o comitê técnico do Sistema Inteligente de Transporte (ITS), que começou a produzir padrões para protocolos e aplicações (o ETSI cunhou o termo ITS-G5). Todos esses padrões são baseados na tecnologia IEEE 802.11p.

Entre 2012 e 2013, a Associação Japonesa de Indústrias e Negócios de Rádio (ARIB) especificou, também com base no IEEE 802.11, um sistema de comunicação V2V e V2I na faixa de frequência de 700 MHz.

Em 2015, a ITU publicou um resumo de todos os padrões V2V e V2I em uso no mundo todo, incluindo os sistemas especificados pela ETSI, IEEE, ARIB e TTA (República da Coréia, Telecommunication Technology Association).

3GPP

3GPP iniciou o trabalho de padronização do celular V2X (C-V2X) na versão 14 em 2014. Ele é baseado em LTE como tecnologia subjacente. As especificações foram publicadas em 2017. Como as funcionalidades deste C-V2X são baseadas em LTE, muitas vezes é referido como LTE-V2X. O escopo de funcionalidades suportadas pelo C-V2X inclui comunicação direta (V2V, V2I), bem como comunicação de rede celular de área ampla (V2N).

Na versão 15, o 3GPP continuou sua padronização C-V2X com base no 5G. As especificações são publicadas em 2018 quando a versão 15 chega à conclusão. Para indicar a tecnologia subjacente, o termo 5G-V2X é freqüentemente usado em contraste com V2X baseado em LTE (LTE-V2X). Em qualquer caso, C-V2X é a terminologia genérica que se refere à tecnologia V2X usando a tecnologia celular, independentemente da geração específica da tecnologia.

Na versão 16, o 3GPP aprimora ainda mais a funcionalidade C-V2X. O trabalho está em andamento. Dessa forma, o C-V2X é inerentemente preparado para o futuro, oferecendo suporte ao caminho de migração para 5G.

Estudo e análise foram feitos para comparar a eficácia das tecnologias de comunicação direta entre LTE-V2X PC5 e 802.11p na perspectiva de acidentes evitados e redução de lesões fatais e graves. O estudo mostra que o LTE-V2X atinge um nível mais alto de prevenção de acidentes e redução de lesões. Também indica que o LTE-V2X executa uma porcentagem mais alta de entrega de pacotes e alcance de comunicação bem-sucedidos. Outro resultado de simulação de nível de link e nível de sistema indica que, para atingir o mesmo desempenho de link para cenários de linha de visão (LOS) e sem linha de visão (NLOS), menor relação sinal-ruído (SNR) são alcançáveis ​​pela interface LTE-V2X PC5 em comparação com IEEE 802.11p.

A solução V2X baseada em celular também leva à possibilidade de proteger ainda mais outros tipos de usuários da estrada (por exemplo, pedestre, ciclista), tendo a interface PC5 para ser integrada aos smartphones, integrando efetivamente esses usuários da estrada na solução C-ITS geral. Vehicle-to-person (V2P) inclui cenários Vulnerable Road User (VRU) para detectar pedestres e ciclistas para evitar acidentes e lesões envolvendo os usuários da estrada.

Como a comunicação direta e a comunicação de rede celular de área ampla são definidas no mesmo padrão (3GPP), ambos os modos de comunicação provavelmente serão integrados em um único chipset. A comercialização desses chipsets aumenta ainda mais a economia de escala e leva a possibilidades de uma gama mais ampla de modelos de negócios e serviços usando os dois tipos de comunicação.

História regulatória

Estados Unidos

Em 1999, a Federal Communications Commission (FCC) dos Estados Unidos alocou 75 MHz no espectro de 5,850-5,925 GHz para sistemas de transporte inteligentes. Desde então, o Departamento de Transporte dos EUA (USDOT) tem trabalhado com uma série de partes interessadas no V2X. Em 2012, um projeto de pré-implantação foi implementado em Ann Arbor, Michigan. Participaram 2800 veículos entre automóveis, motocicletas, ônibus e HGV de diversas marcas, com equipamentos de diversos fabricantes. A Administração Nacional de Segurança de Tráfego Rodoviário dos Estados Unidos (NHTSA) viu a implantação desse modelo como prova de que a segurança no trânsito poderia ser melhorada e que a tecnologia padrão WAVE era interoperável. Em agosto de 2014, a NHTSA publicou um relatório argumentando que a tecnologia de veículo a veículo foi tecnicamente comprovada como pronta para implantação. Em 20 de agosto de 2014, a NHTSA publicou uma Notificação Antecipada de Proposta de Regulamentação (ANPRM) no Federal Register, argumentando que os benefícios de segurança da comunicação V2X só poderiam ser alcançados se uma parte significativa da frota de veículos fosse equipada. Por causa da falta de um benefício imediato para os adotantes iniciais, o NHTSA propôs uma introdução obrigatória. Em 25 de junho de 2015, a Câmara dos Representantes dos EUA realizou uma audiência sobre o assunto, onde novamente a NHTSA, bem como outras partes interessadas, defenderam o caso da V2X.

Europa

Para adquirir o espectro de toda a UE, as aplicações de rádio requerem uma norma harmonizada, no caso de ITS-G5 ETSI EN 302 571, publicada pela primeira vez em 2008. Uma norma harmonizada, por sua vez, requer um Documento de Referência do Sistema ETSI, aqui ETSI TR 101 788. Decisão da Comissão 2008/671 / EC harmoniza o uso da faixa de frequência 5 875-5 905 MHz para aplicações de ITS de segurança de transporte. Em 2010, foi adotada a Diretiva STI 2010/40 / UE. Tem como objetivo garantir que as aplicações de ITS sejam interoperáveis ​​e possam operar além das fronteiras nacionais, define áreas prioritárias para a legislação secundária, que abrange o V2X e exige que as tecnologias sejam maduras. Em 2014, a parte interessada da indústria da Comissão Europeia “C-ITS Deployment Platform” começou a trabalhar em uma estrutura regulatória para V2X na UE. Ele identificou as principais abordagens para uma infraestrutura de chave pública (PKI) de segurança V2X em toda a UE e proteção de dados, além de facilitar um padrão de mitigação para evitar a interferência de rádio entre o V2X baseado em ITS-G5 e os sistemas de tarifação rodoviária. A Comissão Europeia reconheceu o ITS-G5 como a tecnologia de comunicação inicial no seu Plano de Ação 5G e no documento explicativo que o acompanha, para formar um ambiente de comunicação que consiste em ITS-G5 e comunicação celular, conforme previsto pelos Estados-Membros da UE. Existem vários projetos de pré-implantação a nível da UE ou dos Estados-Membros da UE, como o SCOOP @ F, o Testfeld Telematik, o banco de ensaio digital Autobahn, o Corredor ITS Rotterdam-Viena, Nordic Way, COMPASS4D ou C-ROADS. Existem cenários reais de implementação do padrão V2X também. O primeiro projeto comercial em que o padrão V2X é usado para o caso de uso de auxílio de movimento de interseção. Foi realizado na cidade de Brno / República Tcheca, onde 80 unidades de cruzamentos são controlados pelo padrão de comunicação V2X de veículos de transporte público do município de Brno.

Alocação de espectro

A alocação de espectro para C-ITS em vários países é mostrada na tabela a seguir. Devido à padronização de V2X em 802.11p anterior à padronização de C-V2X em 3GPP , a alocação de espectro foi originalmente planejada para o sistema baseado em 802.11p. No entanto, as regulamentações são neutras em termos de tecnologia, de modo que a implantação do C-V2X não está excluída.

País Espectro (MHz) Largura de banda alocada (MHz)
Austrália 5855 - 5925 70
China 5905 - 5925 (tentativas) 20
Europa 5875 - 5905 30
Japão 755,5-764,5 e 5770-5850 9 e 80
Coréia 5855 - 5925 70
Cingapura 5875 - 5925 50
EUA 5850-5925 75

Consideração no período de transição

A implantação da tecnologia V2X (produtos baseados em C-V2X ou 802.11p) ocorrerá gradualmente ao longo do tempo. Os carros novos serão equipados com qualquer uma das duas tecnologias a partir de 2020 e sua proporção na estrada deverá aumentar gradualmente. O Volkswagen Golf 8ª geração foi o primeiro carro de passageiros a ser equipado com a tecnologia V2X movida pela tecnologia NXP. Nesse ínterim, os veículos existentes (legados) continuarão a existir na estrada. Isso implica que os veículos com capacidade V2X precisarão coexistir com veículos não-V2X (legados) ou com veículos V2X de tecnologia incompatível.

Os principais obstáculos à sua adoção são as questões jurídicas e o fato de que, a menos que quase todos os veículos a adotem, sua eficácia é limitada. O semanário britânico "The Economist" argumenta que a direção autônoma é mais impulsionada por regulamentações do que por tecnologia.

Porém, estudo mais recente indica que há benefícios na redução de acidentes de trânsito mesmo durante o período de transição em que a tecnologia está sendo adotada no mercado.

Veja também

Referências

links externos