Associer la 5G et la technologie V2X avec protocole DSRC dans les véhicules autonomes de demain

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Synthèse

Il est aujourd’hui évident que les communications entre véhicules représentent une étape décisive vers la conduite automatisée. Pendant longtemps, les différents acteurs du secteur se sont toutefois demandé si le mode de communications sans fil requis devait utiliser la technologie cellulaire C-V2X (Cellular Vehicule to Everything) ou la technologie d’accès dédié à courte portée DSRC (Dedicated Short Range Communications). Dans le présent article, nous allons montrer que les futurs cas d’usage de la conduite autonome nécessiteront l’association de ces deux approches, en coordination ou en coopération. Les appareils de haute technologie standard qui utilisent plusieurs protocoles de communications sans fil (multi-wireless) s’appuient sur différents modules correspondant à différentes technologies, de sorte que faute de pouvoir compter sur une interface normalisée capable de gérer les différents protocoles sans fil (inter-wireless), la création d’un système coopératif semble compliquée. Cet article présente une solution monolithique récemment lancée sur le marché par ADI et qui permet de mettre en œuvre un système de communications véhiculaires bibande prenant en charge les deux standards de communications sans fil. Ce circuit intégré complet est capable de transmettre et recevoir simultanément des données sur plusieurs bandes. Bien que cet émetteur-récepteur ne soit pas qualifié pour les applications automobiles, une telle technologie pourrait être utilisée par les constructeurs automobiles pour différencier leurs produits et améliorer la qualité de service.

Introduction

Le présent article fait le point sur le développement des solutions de communications entre véhicules, une technologie appelée V2X (Vehicles to Everything) en effectuant un tour d’horizon des scénarios possibles et en présentant les deux technologies d’accès sans fil actuellement disponibles à cet effet. Dans le cadre d’une brève introduction à la technologie V2X, nous expliquerons comment l’utilisation d’un réseau cellulaire pour piloter les communications V2X — une approche baptisée «?V2X cellulaire (C-V2X) — peut s’ajouter à d’autres technologies d’accès sans fil dans des bandes de fréquence dédiées et sans licence, par exemple, les communications dédiées à courte portée (DSRC) ou la norme IEEE?802.11p. Dans cette optique, il est nécessaire de rapprocher les exigences des cas d’usage de la nécessité de tirer parti des avantages qu’apportent les technologies à accès multiples. Pour réaliser une solution V2X multistandard, il est actuellement possible d’utiliser plusieurs modules en implémentant séparément les parties logiciel/firmware. Toutefois, ce type d’approche limite le potentiel de coopération et de coordination entre les technologies d’accès. Nous en étudierons les limites au chapitre intitulé Utilisation d’un unique circuit intégré RF (ADRV9026) dans les futurs systèmes V2X. Le circuit proposé par ADI sous la référence ADRV9026 est un émetteur-récepteur radiofréquence (TRx) de la gamme RadioVerse® qui opère dans la plage de fréquence inférieure à 6?GHz. Cette technologie d’émission-réception multivoies et multibandes pourrait permettre la mise en place d’une solution de communications V2X fonctionnant dans plusieurs bandes.

Communications entre les véhicules et leur environnement (V2X)

Le secteur de l’automobile innove rapidement pour atteindre un niveau d’automatisation intégral dans tous les scénarios, manœuvres et situations de conduite possibles et imaginables. À ce titre, il ne fait aucun doute que la connectivité sans fil est l’une des technologies fondamentales qui permettront de parvenir à une automatisation complète, mais également de piloter des niveaux d’automatisation moins élevés. Par exemple, les applications critiques pour la sécurité qui équiperont les véhicules autonomes dépendront dans une large mesure de la connectivité sans fil. Il est capital de pouvoir effectuer des manœuvres en toute sécurité avec une fiabilité maximale, c’est-à-dire de 99,999?%, en présence de différentes entités évoluant dans l’espace de conduite ou dans le cadre du système de circulation. Le terme «?entité?» désigne d’autres véhicules, mais également les piétons, les systèmes de transport ou les réseaux de gestion du trafic. C’est pourquoi il est indispensable que chaque véhicule soit doté de moyens de connectivité sans fil pour échanger des informations, coopérer et se coordonner avec les autres usagers du système.

À cette fin, des organes tels que l’Institut européen des normes de télécommunications (ETSI) ont jeté les bases de systèmes de transport intelligents (STI) pour l’automobile. Des initiatives similaires ont vu le jour aux quatre coins du monde, notamment en Amérique et en Asie-Pacifique. Ces systèmes intelligents définissent et spécifient les nœuds, l’architecture et les protocoles de communications, ainsi que les messages, en fonction d’un large éventail d’applications et de cas d’usage. Une nouvelle infrastructure est nécessaire pour améliorer les applications basées sur le protocole DSRC dans les bandes de fréquences dédiées ou sans licence. Le processus de déploiement de l’infrastructure est déjà actif dans de nombreuses régions par le biais d’initiatives baptisées «?routes intelligentes?» ou «?villes intelligentes?». Dans le cas des communications C-V2X, l’infrastructure cellulaire existante est utilisée. La figure?1 représente les interfaces grâce auxquelles un véhicule connecté à un système de transport intelligent peut communiquer avec d’autres véhicules ou d’autres entités appartenant au système de transport. Les interfaces se présentent comme suit?:

• communications V2V (Vehicle-to-Vehicle)?: à l’origine, le protocole V2V concernait uniquement la diffusion de messages. À présent, les véhicules peuvent également diffuser des messages destinés à un ou plusieurs destinataires (unicast/multicast). Cette interface peut être utilisée pour échanger directement toutes sortes d’informations entre véhicules, par exemple en cas de freinage d’urgence.

• communications V2P (Vehicle-to-Pedestrian)?: grâce à cette interface, les véhicules et les usagers de la route (pedestrians pour piétons) peuvent communiquer, sous réserve que leurs smartphones disposent d’une application V2X. Par exemple, un piéton vulnérable pourra être averti de l’approche d’un véhicule.

• communications V2N/V2I (Vehicle-to-Network ou Vehicle-to-Infrastructure)?: cette interface peut être utilisée pour échanger des informations dans le contexte d’un système de transport intelligent.

Figure?1. Entités, infrastructure routière et interfaces d’un système de communications V2X.
Figure?1. Entités, infrastructure routière et interfaces d’un système de communications V2X.

Technologies d’accès sans fil pour le V2X

La figure?2 représente l’architecture en couches d’un système de transport intelligent (STI) complet. La couche applicative supérieure contient la définition de cas d’usage tels que l’avertissement de freinage d’urgence, l’évitement de collisions aux intersections, ou la durée des feux de circulation1. Les autres couches fournissent des services de support (informations et communications), par exemple la géolocalisation, les messages d’information contextuelle (Awareness Messages) et les notifications. Enfin, ces messages de protocole doivent être transmis par voie hertzienne (OTA) en mode sans fil.

Le protocole de communications à courte portée DSRC a déjà été mis en place aux États-Unis pour les communications entre véhicules, l’Europe ayant établi dans le même but un accès sans fil basé sur la norme IEEE?802.11p. Cependant, ces technologies sans fil sont des déclinaisons de la norme Wi-Fi IEEE?802.11x pour les communications «?ad hoc?».2 Résultat, outre une portée limitée, elles sont confrontées aux mêmes problèmes de congestion et de qualité de service (QoS) que les systèmes qui utilisent la norme Wi-Fi. De plus, le déploiement d’une infrastructure routière couverte par l’ensemble des serveurs de gestion de la circulation nécessitera de lourds investissements. Enfin, l’accès sans fil par le biais d’un réseau radio mobile terrestre public, c’est-à-dire d’un système de communications cellulaire, apporte une solution aux deux problèmes que constituent la couverture et la qualité de service. Le réseau cellulaire couvre d’ores et déjà la plupart des routes, et un accès programmé contrôlé par le réseau est programmé, garantissant la qualité de service tout en évitant les encombrements ou l’interruption des appels.

Le service V2X est déjà prévu dans la norme de communications cellulaires 4G LTE (Long-Term Evolution).3 Cependant, cette norme cible principalement les cas d’usage axés sur la sécurité de base, alors que la 5G vise des scénarios où la sécurité et la fiabilité revêtent une plus grande importance. L’expression C-V2X (V2X cellulaire) désigne le service V2X fourni par le réseau mobile, que ce soit avec la 4G ou la 5G. Cette vue globale des systèmes de communications véhiculaires permet d’envisager l’utilisation conjointe de plusieurs technologies et normes, non seulement dans différentes régions, mais également dans différentes bandes de fréquence. La situation devient un peu plus complexe si l’on considère les différents spectres de fréquence dans les différentes régions et pour les différentes normes.

Figure?2. Système de transport intelligent (STI) représenté sous la forme de couches de communications.
Figure?2. Système de transport intelligent (STI) représenté sous la forme de couches de communications.

Technologie V2X cellulaire (C-V2X)

Les opérateurs de communications mobiles ne sont pas en mesure d’assurer une couverture réseau cellulaire intégrale, et un «?trou?» dans la couverture radio peut avoir des conséquences plus graves pour la conduite connectée et autonome qu’un nid de poule. C’est pourquoi la technologie C-V2X a été dotée de fonctions perfectionnées qui lui permettent de fonctionner, même lorsque la couverture réseau est insuffisante. La figure?3a présente un scénario où les véhicules communiquent sans couverture réseau. Deux possibilités existent?:
• l’option 1 consiste à utiliser l’interface?Uu classique (ainsi baptisée par le 3rd Generation Partnership Project (3GPP) pour désigner la liaison radio entre les terminaux des utilisateurs finals et la station de base radio), où le réseau cellulaire relie deux nœuds V2X.
• L’option 2 utilise une nouvelle interface nommée PC5 qui assure la communication directe entre les véhicules et l’infrastructure routière. Elle est également connue sous l’appellation «?liaison latérale?» (SideLink — SL).

La couverture réseau n’est pas représentée à la figure?3b. Cependant, l’utilisation de l’interface PC5 permet aux nœuds V2X de communiquer. Dans le scénario de couverture, le réseau peut utiliser n’importe quelle bande cellulaire allouée. Le chapitre suivant s’intéresse à la bande de fréquence utilisée sans couverture réseau.

Figure?3. Utilisation des ressources de fréquences cellulaires pour les communications V2X avec ou sans couverture cellulaire.
Figure?3. Utilisation des ressources de fréquences cellulaires pour les communications V2X avec ou sans couverture cellulaire.

Table 1. Bandes de fréquence?Uu-PC5 pour fonctionnement V2X simultané en 4G LTE et 5G NR (Nouvelle Radio)

Attribution du spectre V2X

Un spectre dédié opérant d’de 70?MHz a été attribué en Europe aux communications entre véhicules dans la bande de?5,9?GHz.4 Des mesures sont actuellement prises pour l’allouer à l’échelle mondiale. En outre, des travaux d’harmonisation ont lieu pour permettre l’utilisation des technologies ITS-G5 et C-V2X dans cette bande. Dans le contexte de la technologie C-V2X, le service pourrait d’ores et déjà utiliser plusieurs bandes cellulaires en association avec les interfaces PC5 et Uu. La norme cellulaire étudie le fonctionnement simultané de deux bandes avec la technologie V2X. Sur la base des spécifications 3GPP5,6, la table?1 ci-dessus propose quelques exemples de combinaisons de bandes pour l’exploitation simultanée du service V2X avec les technologies d’accès radio cellulaire 4G LTE et 5G NR (Nouvelle?Radio). Les lignes en surbrillance sont exclusivement réservées à la 5G NR.

Systèmes V2X bibande et double technologie d’accès radio

Lorsque plusieurs technologies d’accès radio (TAR) sont présentes et qu’il est possible de communiquer dans plusieurs bandes de fréquence, les équipementiers du secteur automobile doivent faire un choix. Au moment où nous écrivons cet article, la FCC américaine penchait pour l’utilisation d’un accès sans fil basé sur le protocole DSRC7,8, tandis que la région Asie-Pacifique privilégiait le développement et le déploiement de la technologie C-V2X.9 Pour leur part, les Européens prônent une approche sans fil technologiquement neutre.10 À cet égard, certaines études avancent les avantages de l’approche ITS-G5/DSRC par rapport à la technologie C-V2X, tandis que d’autres soulignent les atouts de la seconde par rapport à la première. Ce qui amène certains partenaires des secteurs de l’automobile et des télécommunications élaborer en collaboration une solution où le service V2X peut tirer parti des avantages offerts par les technologies d’accès sans fil dans les spectres sous licence et sans licence11.

La figure?4 représente une version modifiée de la figure?2 où nous avons complété la couche d’accès en ajoutant une sous-couche entre l’accès radio et l’accès par paquets pour la gestion de l’accès sans fil (WAM — Wireless Access Management). Cette couche sert à optimiser la fourniture du service V2X depuis le réseau jusqu’au niveau radio. En fonction du cas d’usage (exigences de latence, qualité de service, etc.), du trafic (congestion) et de la liaison (qualité radio), cette sous-couche peut sélectionner différentes technologies d’accès sans fil en coordination (diversité) ou en coopération (débit plus élevé). Par exemple, si un certain niveau de congestion est détecté sur l’interface hertzienne ITS-G5, le même message pourra être envoyé en utilisant le protocole PC5 en utilisant la technologie C-V2X, ce qui permettra de gagner en diversité tout en garantissant un haut niveau de fiabilité. Dans un scénario où les véhicules échangent des données cartographiques haute densité, l’interface?Uu peut être utilisée en coopération avec l’interface PC5 ou ITS-G5 afin d’atteindre le débit requis.

L’IEEE?12,13 présente de façon détaillée les avantages de concepts similaires (voir figure?4) par le biais de méthodes analytiques et de simulations. Dans le cadre de la technologie C-V2X (voir table), les organismes de normalisation des systèmes cellulaires étudient déjà l’exploitation simultanée des bandes Uu?4G?LTE et Uu?5G?NR avec les interfaces PC5 et ITS-G5 dans la bande de 5,9?GHz. Ainsi, grâce à l’exploitation simultanée des deux bandes et aux concepts expliqués précédemment, nous pouvons affirmer que les organismes de normalisation et la communauté de la recherche industrielle appliquée ont jeté les bases d’un système V2X à double bande, voire à double système d’accès radio (TAR). À présent, il est temps que l’industrie automobile découvre les implémentations matérielles optimales qui lui permettront de tirer pleinement parti des atouts des concepts V2X bibande et à double système d’accès radio (TAR).

Figure?4. Coopération et coordination entre plusieurs technologies radio dans la couche d’accès STI.

ADRV9026, un circuit intégré RF monolithique conçu pour les systèmes V2X de demain

Les terminaux sans fil actuellement en service prennent déjà en charge plusieurs normes de communications sans fil mises en œuvre à l’aide d’un module ou d’un élément matériel spécifique. La plupart de ces modules apportent une solution complète, du niveau RF à la couche applicative. Dans de telles architectures, la mise en œuvre d’un système V2X bibande et la fourniture d’un mécanisme de coordination et de coopération sont deux opérations complexes, étant donné que les fabricants et les fournisseurs de ces modules n’offrent pas le degré de liberté nécessaire pour accéder aux couches intermédiaires — ce qui est indispensable pour assurer la coordination ou la coopération entre différentes normes. Des interfaces externes normalisées seront par conséquent requises pour réaliser ces implémentations en utilisant les modules sans fil disponibles.

Une solution permettant de mettre en œuvre un tel système s’avère par conséquent indispensable. La conception d’émetteurs et de récepteurs radio utilisant la technologie de radio logicielle SDR?(Software-Defined Radio) offre un niveau de liberté total pour accéder aux données numériques et les traiter à n’importe quel niveau. La gamme RadioVerse proposée par ADI comprend de nombreux émetteurs-récepteurs radio à large bande qui transforment les signaux RF en bits et les bits en signaux RF. Cette conversion du signal vers (ou depuis) la bande RF et la bande de base s’appuie sur une architecture à fréquence intermédiaire nulle ZIF (Zero Intermediate Frequency) qui consomme moins d’énergie que la conversion basée sur l’échantillonnage RF direct, tous les circuits fonctionnant dans une bande nettement plus étroite. En outre, l’architecture ZIF facilite la réalisation d’un circuit frontal RF simplifié et moins onéreux dans la mesure où elle assouplit les exigences de filtrage au niveau de l’émetteur comme du récepteur.

Le circuit ADRV9026 a récemment rejoint la famille RadioVerse en tant que radio logicielle bibande. Ce circuit RF monolithique entièrement intégré possède quatre voies de transmission et quatre voies de réception pouvant être programmées et commandées indépendamment pour transmettre et recevoir n’importe quelle porteuse entre 75?MHz et 6?GHz. La bande passante en réception peut atteindre 200?MHz, contre 450?MHz pour la bande passante de synthèse de l’émetteur. Des chemins d’observation intégrés, dont la largeur de bande individuelle peut atteindre 450?MHz, sont également fournis pour assurer la linéarisation des amplis de puissance dans les scénarios de transmission à forte puissance. La figure?5 présente le synoptique complet de l’émetteur-récepteur ADRV9026.

Figure?5. Synoptique complet du frontal RF ADRV9026 (4 voies en émission et 4 voies en réception) proposé par Analog Devices.14
Figure?5. Synoptique complet du frontal RF ADRV9026 (4 voies en émission et 4 voies en réception) proposé par Analog Devices.14
Figure?6. Le frontal ADRV9026 peut transmettre et recevoir des signaux simultanément dans plusieurs bandes.
Figure?6. Le frontal ADRV9026 peut transmettre et recevoir des signaux simultanément dans plusieurs bandes.

Grâce à l’architecture avancée de l’oscillateur local, l’ADRV9026 peut transmettre et recevoir des signaux simultanément dans plusieurs bandes de fréquences au-dessous de 6?GHz. La figure?6 représente un exemple de transmission et réception simultanées dans différentes bandes ou avec différentes technologies d’accès sans fil à l’aide d’un unique circuit RF ADRV9026. Ici, trois combinaisons de bandes ont été sélectionnées. Il convient de souligner que l’ADRV9026 est capable de fonctionner dans n’importe quelle bande de fréquence entre 75?MHz et 6?GHz. La présence de quatre voies RF indépendantes sur l’ADRV9026 permet par ailleurs de réaliser une fonction MIMO 2×2 pour chaque bande ou technologie spécifique. L’utilisation de l’ADRV9026 apporte de nombreux avantages?:
• nous pouvons choisir n’importe quelle bande dans la plage C-V2X, une flexibilité qui n’induit aucun surcoût pour la certification? ;
• l’utilisation de plusieurs technologies d’accès radio (TAR) en coopération nécessite une meilleure synchronisation. Cette synchronisation sera simplifiée avec l’ADRV9026, car les deux bandes sont contrôlées par le même circuit intégré RF. Au chapitre Systèmes V2X double bande et double technologie d’accès radio, nous avons étudié les concepts d’un système V2X bibande et la façon dont un unique circuit RF peut être utilisé à cet effet. Nous présenterons prochainement l’architecture et la conception d’un tel dispositif V2X bibande de façon détaillée?;
• avec l’ADRV9026, la conversion RF-bits peut être effectuée à proximité de l’antenne, ce qui évite les pertes de signal RF dans les câbles coaxiaux, lesquelles sont relativement élevées dans les bandes V2X de 5,9?GHz? ;
• en ce qui concerne les performances RF, l’ADRV9026 répond aux exigences des stations de base sans fil. Les modules sans fil existants sont architecturés autour de circuits intégrés pour applications spécifiques (ASIC) développés pour les équipements installés chez les utilisateurs (UE). L’ADRV9026 offre donc des performances RF plus élevées, avec à la clé une latence inférieure, une fiabilité accrue et une qualité de service optimale. Ces différents critères permettent de fonctionner à des débits de transmission de données et par voie hertzienne (OTA) plus élevés, avec pour conséquence une expérience améliorée, pour le conducteur comme pour ses passagers, ainsi qu’un niveau de sécurité accru? ;
• avec des débits supérieurs et une latence plus faible, les cas d’usage liés à la sécurité sont mieux gérés, car ils réduisent le délai de réaction des conducteurs ou des systèmes de conduite autonome. Par exemple, dans un scénario de circulation haute densité où les ressources radio dédiées/sans licence atteignent leurs limites en matière de congestion, un système coopératif/coordonné, tel que présenté au chapitre Systèmes V2X double bande et double technologie d’accès radio peut assurer une fiabilité plus élevée et un niveau de sécurité accru par rapport à un système autonome ou à accès unique.

Il est par conséquent essentiel de répondre aux exigences des cas d’usage V2X en associant une approche coopérative/coordonnée dotée d’une intelligence cognitive à un unique circuit RF. Analog?Devices réunit la technologie nécessaire sur un seul composant, le frontal ADRV9026.

Conclusion

Dans cet article, nous avons présenté une synthèse de l’évolution actuelle des communications V2X, une technologie essentielle vers la conduite autonome. Dans cet espace, deux technologies sans fil peuvent se compléter afin de répondre aux exigences critiques de la technologie V2X. Ces deux technologies, baptisées C-V2X et DSRC/ITS-G5, peuvent être exploitées dans des bandes dédiées (sous licence) et sans licence. Plusieurs options permettent de réaliser un système V2X coordonné/coopératif. Analog Devices dispose de la technologie nécessaire pour prendre en charge les normes bibande et sans fil double bande avec des performances RF supérieures, une latence inférieure, un débit de transmission de données accru et une plus grande fiabilité. Nous avons étudié la façon de concevoir un système de communications V2X utilisant ce circuit intégré RF pour fournir un accès sans fil simultané aux deux technologies V2X dans deux bandes radio différentes. Dans le prochain article, nous étudierons la manière dont un design basé sur l’ADRV9026 peut être utilisé pour communiquer avec la technologie V2X multibandes.

Par Danish Aziz, Ingénieur d’application, Chris Bohm, ingénieur de conception numérique, et Fionn Hurley, responsable du marketing, Analog Devices

Source : com-trail.fr