Première démonstration européenne d’une liaison C-V2X

20/10/2018
Auteurs : Patrice Collet
Publication REE REE 2018-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-4:23819
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Première démonstration européenne d’une liaison C-V2X

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32 Z REE N°4/2018 Figure 1 : Vue d’artiste de la communication entre véhicules – Source : Autotalks. La possibilité de connecter des véhicules aux réseaux de communication est offerte par un certain nombre de fabri- cants qui pré-équipent d’ores et déjà certains de leurs véhi- cules d’un terminal mobile intégré. Il permet d’accéder non seulement à des services télématiques et de communication mais également à des services de maintenance ou d’appels en cas de panne. La connexion des véhicules entre eux (V2V), la connexion avec l’infrastructure routière (V2I), voire avec les piétons (V2P) doivent permettre des améliorations en matière de sécurité de la circulation routière, de gestion du trafic routier, ou bien d’efficacité des systèmes de trans- port1 . L’ensemble est connu sous l’acronyme de V2X. La communication de véhicule à véhicule La communication radio V2V permet d’identifier la pré- sence de véhicules ou d’humains qui sont hors de la visi- bilité du conducteur ou de capteurs optiques : couplée à des systèmes de géolocalisation précis et à des capteurs embarqués, elle permet à un véhicule de transmettre pé- riodiquement vers les véhicules voisins sa localisation fine (avec par exemple sa position sur la voie de circulation qu’il occupe), la direction qu’il suit, sa vitesse avec un horodatage très précis. A la réception de ces données par des véhicules voisins, elles sont combinées avec des informations locales propres au véhicule récepteur, telles que sa localisation pré- cise, et permettent en cas d’urgence de décider d’une action de protection ou bien d’informer le conducteur d’un risque potentiel (figure 2). Les données émises peuvent être com- plétées par des informations émanant de capteurs intégrés au véhicule émetteur, comme par exemple l’information d’un changement brutal de file de circulation ou bien celle d’un freinage brutal. Pour que le dispositif soit efficace les données doivent être transmises périodiquement avec une période inférieure à 100 ms. 1 Pour plus de détails sur les véhicules connectés on pourra utilement se reporter au dossier publié dans la REE 2014-4. La communication V2I permet de transmettre des don- nées entre l’infrastructure routière et les véhicules, par exemple les informations de signalisation routière, ou bien l’enregistrement du passage d’un véhicule à un péage. Evidemment, pour être efficaces, ces systèmes doivent s’appuyer sur une infrastructure de communication norma- lisée afin que la communication soit assurée entre tous les véhicules. Elle doit répondre à un certain nombre d’exigences : forte densité de connexions, faible latence, fonctionnement assuré sans infrastructure radio en dehors des équipements des véhicules, portée suffisante. Les échanges de données ap- plicatives doivent eux-mêmes être normalisés pour permettre la communication entre véhicules de marques diverses. Concernant les techniques de communication, on as- siste à une évolution importante : en effet, alors que les travaux menés à travers le monde, Etats-Unis, Europe et Asie, se fondaient sur une technologie dérivée du Wi-Fi, la DSRC, le 3GPP en charge de la normalisation des sys- tèmes cellulaires de communication mobile a défini une nouvelle technique de communication nommée C-V2X fon- dée sur des technologies radio plus récentes que celles qui avaient été normalisées. Cette deuxième possibilité rouvre le Figure 2 : Illustration du concept de V2X – Source : Autotalk. Première démo européenne d’une liaison C-V2X Un nouveau système de communication pour les véhicules ACTUALITÉS REE N°4/2018 Z 33 débat sur la technique à mettre en œuvre dans les véhicules connectés. 802.11p et DSRC Dès 1999, la FCC attribuait 75 MHz à l’intérieur de la bande des 5,9 MHz afin de rendre possibles des services de transport intelligents (ITS). En 2004 l’IEEE a lancé la dé- finition d’un système de communication dérivé du Wi-Fi 802.11a, nommé 802.11p, permettant de fournir des services ITS. Ses spécifications ont été approuvées en 2010. La SAE a ajouté aux couches basses ainsi définies des couches appli- catives spécifiques aux applications ITS. L’ensemble (couches de communication et couches applicatives) est connu sous le nom de DSRC2 et a donné lieu à de nombreux tests sous les auspices du département des transports des États-Unis. En 2008, en Europe, l’ETSI a attribué 30 MHz de la bande des 5,9 GHz à la communication pour les applications ITS. Les spécifications européennes développées par l’ETSI, cou- vrant à la fois les couches de communication et des couches applicatives, sont identifiées sous le nom de ITS-G5. Le Ja- pon utilise également DSRC mais dans la bande 5,8 GHz. Les systèmes DSRC dans les différents continents ne sont pas en général compatibles et sont essentiellement appliqués au télépéage. Comme le Wi-Fi 802.11a, 802.11p utilise le multiplexage OFDM mais la durée des symboles OFDM est deux fois plus longue. Les débits de 802.11p sont deux fois moins impor- tants et atteignent au maximum 27 Mbit/s. Les modulations utilisables sont les mêmes que celles utilisées par 802.11a. En raison de la consommation de débit due aux proto- coles de communication (frais généraux de la communica- tion), le débit utilisable en réel est limité à environ 15 Mbit/s. Par ailleurs, les différents émetteurs n’étant pas coordonnés, les échecs d’accès au medium radio croissent plus vite que 2 DSRC : Dedicated Short Range Communication. le nombre de véhicules par unité de surface. DSRC est donc limité au transfert de données à bas débit dans des zones où la densité et la vitesse des véhicules sont faibles ou au mieux moyennes3 . Des progrès significatifs ayant été faits en matière de tech- nologie radio depuis la conception de 802.11a, des améliora- tions sont en train d’être apportées à 802.11p (sous le nom de 802.11px) : elles portent notamment sur le codage de canal et l’introduction du MIMO. Les débits devraient pouvoir atteindre 60 Mbit/s, débits probablement inférieurs à ceux que nécessiteront les services de transport intelligents du futur. C-V2X4 Le 3GPP a introduit dans les versions 12 et 13 des spé- cifications de LTE les bases de la communication directe de terminal à terminal sous le nom de D2D. Une interface nouvelle entre terminaux appelée PC5 a été définie. C’est sur cette base que C-V2X a été définie dans la version 14 des spécifications où des évolutions importantes ont été apportées pour faire face aux besoins propres aux véhicules connectés. C-V2X utilise la forme d’onde SC-FDM5 comme le canal montant de LTE-A. La communication de véhicule à véhicule est possible sans recours à l’infrastructure cellu- laire. Deux modes de fonctionnement de la coordination et de la gestion des interférences sont possibles : un mode dé- centralisé où elles sont fondées sur un algorithme distribué et un mode commandé par la station de base (eNB) de LTE. Dans les deux cas la synchronisation est assurée par un sys- tème de navigation par satellite. Seul le premier mode est 3 On pourra se reporter à « Multi-radio 5G architecture for connected and autonomous vehicules: application and design insights » de Ioannis Mavromatis and al. University of Bristol (UK). EAI endorsed transac- tions preprint https://arxiv.org/pdf/1801.09510.pdf 4 C-V2X : Cellular Vehicle to anything communication. 5 SC-FDM : Single Carrier Frequency Division Multiplexing. Figure 3 : Exemples d’amélioration de la sécurité rendue possible par la communication V2V en l’absence de visibilité - Source : Qualcomm. ACTUALITÉS 34 ZREE N°4/2018 Figure 4 : Les deux configurations possibles de C-V2X. possible hors couverture cellulaire. Comme 802.11p, C-V2X est conçu pour fonctionner dans la bande des 5,9 GHz. PC5 (en version 14) peut être utilisé par des véhicules dont la vitesse atteint 250 km/h et dans un contexte de forte densité de connexions. La portée de C-V2X est de 60 à 100 % plus longue que celle de 802.11p et C-V2X offre une meilleure fiabilité de transmission des messages. De plus les débits offerts par C-V2X sont significativement plus importants que ceux de 802.11p ouvrant ainsi la porte à de nouvelles familles d’applications. C-V2X ne définit que les couches radio et réutilise les couches applicatives définies pour DSRC. Un des intérêts de C-V2X est sa dynamique d’évolution : des améliorations ont été apportées avec la version 15 et de nouvelles améliorations sont prévues avec la version 16, par exemple une latence de l’ordre de la milliseconde ouvrant la porte à son utilisation dans les véhicules autonomes. D’ores et déjà des composants C-V2X sont disponibles sur le marché et dès juillet un certain nombre de fabricants comme Ford, BMW et PSA ont effectué les premiers tests d’interopérabilité de C-V2X en liaison avec le 5GAA6 et Qualcomm. 6 5GAA : 5G Automotive Association. Association regroupant des indus- triels de l’automobile des industriels des réseaux mobiles promouvant C-V2X. Perspectives d’utilisation des techniques de communication V2V L’arrivée sur le marché de C-V2X et ses perspectives d’évo- lution questionnent les orientations prises à la fois par cer- taines administrations et par l’industrie automobile en faveur de DSRC. De nombreuses comparaisons théoriques des per- formances respectives des deux techniques ont été publiées faisant apparaître un avantage à C-V2X. Elles ont stimulé des travaux d’amélioration de 802.11p (802.11px) dont la mise au point resynchronise le calendrier de disponibilité des deux technologies. Les premiers composants C-V2X sont annon- cés sur le marché pour 2018 (Qualcomm et Autotalks). Au- jourd’hui 5GAA prévoit que les premiers véhicules équipés de C-V2X devraient être disponibles en 2020. DSRC a lui l’avantage d’avoir été largement testé sur le terrain. Les admi- nistrations en charge de la sécurité automobile peuvent-elles autoriser plusieurs systèmes de communication V2V sans ré- duire leur efficacité ? La question du partage de la bande ITS à 5,9 GHz est également posée : comment éviter la perturba- tion d’un système par l’autre ? Comment les deux systèmes peuvent-ils coexister au niveau d’un véhicule ? Pour permettre à l’industrie automobile d’avancer, Auto- talks a développé un composant compatible avec les deux modes de communication, le mode sélectionné étant activé par une commande logicielle. Reste maintenant aux autorités nationales ou régionales à décider des usages à faire des deux technologies. Q Patrice Collet ACTUALITÉS