Comunicazioni V2X – le tecnologie LTE e DSRC a confronto

Con tutto il clamore che circonda i veicoli a guida autonoma basati sull’intelligenza artificiale (AI), sul riconoscimento delle immagini e sui sensori sofisticati, è facile dimenticare un'altra importante tecnologia ad essi collegata che promette anch’essa di contribuire a rivoluzionare la guida.  Essa è infatti destinata a diventare un fattore critico nella realizzazione dei veicoli autonomi. Nota con l'acronimo V2X, essa riguarda le comunicazioni sia da veicolo a veicolo (V2V), sia da veicolo verso l’infrastruttura (V2I).

Introduzione

La sigla V2X si riferisce in generale ad un insieme di standard e di tecnologie che permetteranno ai veicoli di interagire con gli utenti delle strade pubbliche e con altri utenti della strada, non necessariamente dovendo ricorrere all'uso di hardware elettronico all'avanguardia, ma potenzialmente attraverso protocolli di rete e tecnologie collaudate e testate. Nonostante la loro relativa semplicità, i sistemi V2X rendono possibili una moltitudine di applicazioni interessanti, compresi livelli superiori di assistenza alla guida, un uso più efficiente della strada la prevenzione delle collisioni.

Per molti anni, le soluzioni V2X più importanti sono state le tecnologie di comunicazione a corto raggio (DSRC) sviluppate degli Stati Uniti e i sistemi di trasporto intelligenti cooperativi Europei (C-ITS). La National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) sta attualmente finalizzando una proposta per rendere la tecnologia V2X una dotazione obbligatoria dei veicoli statunitensi, forse già entro il 2020, e la tecnologia DSRC dovrebbe essere la soluzione su cui si basa. Tuttavia, sebbene i sistemi V2X abbiano un potenziale, l’adozione e la messa a punto degli standard V2X locali dedicati è stata sorprendentemente lenta e ha richiesto ben oltre un decennio. È stata infatti così lenta che il settore delle comunicazioni mobili ha recentemente colto l'occasione per spingere aggressivamente con il proprio standard V2X, il Cellular-V2X (C-V2X).

Nel Gennaio 2017, quando l’NHTSA formulò la propria proposta di rendere lo standard V2X un obbligo di legge per tutti i futuri progetti di veicoli negli Stati Uniti, indicò le tecnologie DSRC come propria opzione preferita, tuttavia si impegnò fortemente a dichiarare che avrebbe considerato favorevolmente altre tecnologie che avrebbero potuto eguagliare o superare le capacità delle tecnologie DSRC, pur rimanendo compatibili con le funzionalità critiche per la sicurezza di queste ultime. La lunga maratona dello standard V2X si è di conseguenza trasformata di colpo in uno sprint e il traguardo si sta ora avvicinando rapidamente. La tecnologia apripista di una volta ha forse subito troppo ritardi e finirà per perdere l’occasione?

Le tecnologie consolidate: C-ITS e DSRC

C-ITS e DSRC utilizzano entrambe delle varianti degli standard Wi-Fi  IEEE 802.11 familiari come strato fisico e strato di accesso al mezzo di comunicazione del proprio stack di protocollo. Per la tecnologia DSRC, questo strato di protocollo è definito dallo standard IEEE 802,11p, mentre C-ITS usa lo standard simile ITS-G5 definito dall'ETSI, che è essenzialmente una versione dello standard 802,11p adattata per soddisfare le normative Europee. Mentre a livello superiore sono presenti differenze significative nel funzionamento  di C-ITS e DSRC, entrambe possono girare su hardware in larga misura compatibile e possono risiedere pressoché nello stesso intervallo di frequenze. Entrambi questi sistemi V2X sono in grado di assicurare efficacemente la comunicazione tra veicoli in rapido movimento lungo una distanza di almeno 300 m e con velocità di trasferimento dati che vanno da circa 3 Mbps fino a 27 Mbps (figura 1).

Figura 1: le comunicazioni tra veicoli

Nel 1999, la US FCC allocò la banda attorno a 5,850-5,925 GHz per applicazioni ad alta priorità per la sicurezza sulle strade e la gestione del traffico e la Commissione Europea ha dedicato la banda 5,875-5,905 GHz per funzioni simili. Gli standard IEEE 802,11p e ITS-G5 sono pensati per operare in questi rispettivi intervalli. Per renderli meglio ottimizzati per l'ambiente automotive, in rapida e confusa evoluzione, gli standard presentano modifiche nell’utilizzo delle frequenze tipiche dell’IEEE 802.11 Wi-Fi, le quali riducono l'impatto degli spostamenti Doppler e dell’affievolimento del segnale dovuto a cammini multipli.

Una delle differenze principali tra questi protocolli automotive e altri membri della famiglia 802.11 è che il periodo iniziale di handshake e di associazione può essere ridotto al minimo. Il protocollo può inviare dati pressoché immediatamente e può anche rinviare l'autenticazione, la crittografia e l'identificazione completa verso protocolli di livello superiore. Di conseguenza, i veicoli e le infrastrutture possono iniziare a scambiare nell’arco di decine di millisecondi i dati essenziali sulla velocità e sulla posizione per rilevare reciprocamente la presenza. Ciò è ovviamente ideale per applicazioni quali la prevenzione delle collisioni ed è nettamente differente rispetto alle negoziazioni di handshaking comuni in altre varianti di Wi-Fi, che possono durare diversi secondi.

Mentre C-ITS e DSRC sono molto simili a livello di accesso agli strati MAC/PHY, a parte ciò, essi divergono in modo significativo a livello di rete e di trasporto. Entrambe supportano TCP/UDP su IPv6, ma per quanto riguarda gli aspetti critici per le temporizzazioni, esse dispongono ciascuna del proprio standard di messaggistica specializzato a basso costo. La tecnologia DSRC utilizza il Wave Short Message Protocol (WSMP), che viene definito come parte dello standard IEEE 1609. Tuttavia, C-ITS si avvale di un più ambizioso sistema multi-hop di instradamento dei segnali, il protocollo di trasporto di base (BTP) sopra il servizio di GeoNetworking, come definito dalla serie di norme ETSI EN 302 636. Il GeoNetworking è una tecnica di instradamento dei segnali sensibile alla posizione geografica, che stabilisce una rete ad hoc, la quale è organizzata in modo efficiente in base alle posizioni fisiche dei nodi.

C-V2X: il candidato per il settore mobile

C-V2X è il nuovo nome dello standard V2X che è stato inizialmente lanciato come LTE-V2X da parte dell’autorevole organismo internazionale di standardizzazione per le comunicazioni mobili 3rd Generation Partnership Project (3GPP), nella sua versione 3GPP 14. Il cambiamento del nome riflette il fatto che C-V2X ora promette un percorso di aggiornamento da LTE verso il tanto atteso standard mobile 5G.

Per le comunicazioni dirette in modalità da dispositivo a dispositivo, C-V2X utilizza lo stesso spettro attorno a 5,9 GHz delle tecnologie DSRC e C-ITS. Tuttavia, i dispositivi C-V2X funzionano anche all’interno delle bande mobili tradizionali per comunicare con la rete mobile nella cosiddetta modalità da veicolo a rete (V2N).  Le comunicazioni C-V2X da dispositivo a dispositivo non richiedono una scheda SIM, un abbonamento mobile o una qualsiasi infrastruttura di rete mobile.

C-V2X è una tecnologia molto più giovane rispetto a DSRC o CITS ed è ancora in fase di sviluppo, ma i primi test hanno dimostrato che alle velocità di trasmissione dati richieste per le applicazioni V2X, C-V2X raggiunge un raggio operativo paragonabile ai 300m della tecnologia DSRC alla velocità di guida in un contesto urbano e assicura un  raggio operativo migliore del 20-30% a velocità più elevate.

C-V2X e gli operatori storici a confronto

I sostenitori dei protocolli DSRC e C-ITS affermeranno che essi sono molto più adatti per le applicazioni V2X rispetto alla tecnologia C-V2X perché sono stati attentamente costruiti a partire dai principi di base per uno scopo ben definito, piuttosto che essere incastonati in uno standard esistente. Ad esempio, essi sosterranno che DSRC e C-ITS sono progettati per assicurare un sovraccarico minimo alla rete e una bassa latenza. La latenza è un aspetto chiave per la comunicazione V2X. Funzioni come la prevenzione delle collisioni richiederanno latenze sul percorso di andata e ritorno al di sotto di 50ms. L’NHTSA ritiene che "In questo momento, la tecnologia DSRC è l'unica opzione di comunicazione matura che soddisfa i requisiti di latenza per supportare la comunicazione veicolare basata sulla prevenzione delle collisioni",  anche se ha chiaramente tenuto la porta aperta ad altre piattaforme tecnologiche. Inoltre, i promotori fanno notare che le tecnologie DSRC e C-ITS sono in fase di sviluppo da circa vent'anni e ciò significa che sono stabili e sicure. Sono in corso test su larga scala in varie località. Nel frattempo, la 5G Automotive Association (5GAA), il principale organismo dell’industria che promuove la tecnologia C-V2X, promette che essa "potrà essere pronta per la commercializzazione entro il 2018."

Gli oppositori delle tecnologie DSRC e C-ITS diranno che proprio il fatto che queste tecnologie sono state in fase di sviluppo per quasi due decenni, senza raggiungere il mercato di massa in una qualsiasi misura significativa, suggerisce chiaramente che esse potrebbero non essere mai pronte per il mercato. Inoltre esse si basano su una  tecnologia datata che è sprovvista di un valido percorso di aggiornamento. Si può anche sottolineare che, sebbene le tecnologie LTE e 5G potrebbero non essere state originariamente progettate con la comunicazione V2X in mente, C-V2X può sfruttare le economie di scala che presenta il mercato globale delle telecomunicazioni mobili al fine di ridurre i costi per l'hardware, il software e lo sviluppo.

Gli standard vecchi e nuovi possono coesistere?

Il 5GAA afferma che la tecnologia C-V2X non deve essere un sostituto completo delle soluzioni C-ITS e DSRC. Essa è progettata per essere in grado di condividere lo spettro disponibile con i sistemi V2X basati su protocollo 802,11p commutando verso canali non occupati all'interno della banda attorno a 5,9 GHz. Inoltre, essa può supportare i livelli superiori di protocollo delle tecnologie C-ITS e DSRC, sostituendo efficacemente solo lo strato radio MAC e PHY IEEE 802.11 con strati equivalenti specificati dal 3GPP, consentendo al contempo ai protocolli specializzati di messaggistica V2X di livello superiore dei sistemi DSRC e C-ITS di operare come al solito. Con queste funzionalità, la tecnologia C-V2X pare soddisfare i requisiti obbligatori dell’NHTSA per i dispositivi V2X.

Forse la questione su quale tecnologia sia la migliore non è in realtà così critica come sembra. Gli OEM in campo automotive potrebbero scegliere la tecnologia sottostante che preferiscono, o persino ridurre i rischi provvedendo a supportare entrambe: il fornitore di IC Qualcomm, per esempio, ha annunciato di recente il proprio chipset C-V2X 9150 che fa proprio questo.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore Autorizzato

 

 

 

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