Abilitare 5G e V2X DSRC nei Veicoli a Guida Autonoma

I casi d’uso futuri della guida autonoma richiederanno l'utilizzo coordinato o cooperativo di entrambe le tecnologie Premessa

  • Entità, infrastrutture e interfacce per un sistema di comunicazione V2X
    Entità, infrastrutture e interfacce per un sistema di comunicazione V2X
  • Un ITS raffigurato sotto forma di livelli di comunicazione
    Un ITS raffigurato sotto forma di livelli di comunicazione
  • Utilizzo delle risorse di frequenza della rete cellulare per la comunicazione V2X, con o senza copertura di rete
    Utilizzo delle risorse di frequenza della rete cellulare per la comunicazione V2X, con o senza copertura di rete
  • Realizzazione della cooperazione e del coordinamento tra più tecnologie radio nel livello di accesso ITS
    Realizzazione della cooperazione e del coordinamento tra più tecnologie radio nel livello di accesso ITS
  • Schema a blocchi funzionale dell’IC RF ricetrasmettitore a quattro canali ADRV9026 di Analog Devices
    Schema a blocchi funzionale dell’IC RF ricetrasmettitore a quattro canali ADRV9026 di Analog Devices
  • Abilitare 5G e V2X DSRC nei Veicoli a Guida Autonoma
    Abilitare 5G e V2X DSRC nei Veicoli a Guida Autonoma

Introduzione

L'obiettivo di questo articolo è lo sviluppo di dispositivi per la comunicazione veicolare (V2X). Verrà presentata una panoramica degli scenari applicativi V2X insieme alle due tecnologie di accesso wireless che potrebbero essere utilizzate per effettuare queste comunicazioni. Con l'aiuto della breve introduzione al V2X, inizieremo a comprendere come l'accesso wireless per le comunicazioni V2X controllato dalla rete cellulare (noto anche come cellulare V2X, o C-V2X) potrebbe integrare altri sistemi di accesso wireless candidati in bande di frequenza libere e dedicate, come la comunicazione a corto-raggio dedicata (Dedicated Short-Range Communication, DSRC) o IEEE 802.11p. A tal fine, è necessario mettere insieme i requisiti dei casi d'uso e la necessità di sfruttare i vantaggi delle tecnologie ad accesso multiplo. Quando si tratta di realizzare un dispositivo V2X multistandard, al momento è possibile utilizzare più moduli con implementazione software/firmware separata per ciascuno di essi. Tuttavia, questo limita il potenziale della funzione cooperativa/coordinata delle tecnologie di accesso. I limiti verranno discussi nel capitolo "Introduzione di un singolo IC RF (ADRV9026) per i futuri sistemi V2X” che segue. L’ADRV9026 è un transceiver (TRx) a radio frequenza del portafoglio di prodotti ADI RadioVerse® che copre la banda di frequenza sub-6 GHz. Questa tecnologia di transceiver multicanale, multibanda potrebbe permettere di realizzare un dispositivo di comunicazione V2X multibanda.

Comunicazioni Veicolari Verso Ogni Cosa (V2X)

Il mondo automotive si sta innovando rapidamente, per ottenere la piena automazione in tutti i possibili scenari di guida, manovre e situazioni. È stato assodato che la connettività wireless sarà necessaria come una delle tecnologie fondamentali per consentire non solo l’automazione completa, ma anche i suoi livelli inferiori. In particolare, le applicazioni a sicurezza critica dei veicoli con guida autonoma saranno fortemente basate sulla connettività wireless. In presenza di più entità che condividono lo spazio di guida o il sistema di traffico, è essenziale eseguire manovre sicure con un livello di affidabilità massimo (99,999%). Tali entità possono includere altri veicoli, persone, sistemi di trasporto su strada o una rete di gestione del traffico. Pertanto, ai fini dello scambio di informazioni, della cooperazione e del coordinamento con le altre entità del sistema, è essenziale che ogni veicolo venga dotato di connettività wireless.

A tale scopo, gli organi di governo Europei (ad esempio, ETSI) hanno posto le fondamenta dei sistemi di trasporto intelligente per automotive (Intelligent Transportation Systems, ITS). Sistemi simili sono stati sviluppati in tutto il mondo, in America e Asia Pacifico. L’ITS ha definito e specificato nodi di comunicazione, architettura, protocolli e messaggi per una varietà di applicazioni e casi d'uso. Per migliorare le applicazioni basate su DSRC in bande di frequenza libere o dedicate, è necessaria una nuova infrastruttura. Il processo di implementazione delle infrastrutture è già attivo in molte regioni, nell'ambito delle iniziative sulle autostrade intelligenti e sulle città intelligenti. Nel caso del C-V2X, viene utilizzata l'infrastruttura cellulare esistente. La Figura 1 mostra le interfacce con cui un veicolo ITS può comunicare con altri veicoli o altre entità nel sistema di trasporto. Di seguito viene riportata una descrizione di ciascuna interfaccia:

Comunicazioni V2V (Vehicle-to-Vehicle): inizialmente era dedicata solo alla trasmissione di messaggi, ma ora i veicoli possono anche eseguire messaggistica di tipo unicast o multicast. Questa interfaccia potrebbe essere utilizzata per propagare qualsiasi informazione direttamente da un veicolo ad un altro entro il raggio di comunicazione, ad esempio in caso di frenata di emergenza.

Comunicazioni V2P (Vehicle-to-Pedestrian): Utilizzando questa interfaccia veicoli e pedoni potrebbero comunicare, supponendo che gli smartphone di quest'ultimi abbiano un'applicazione V2X installata. Ad esempio, in caso di avvicinamento di un veicolo un pedone vulnerabile potrebbe essere avvertito.

Comunicazioni V2N/V2I (Vehicle-to-Network o Vehicle-to-Infrastructure): questa interfaccia potrebbe essere utilizzata per qualsiasi informazione faciliti il trasporto smart.

Tecnologie di Accesso Wireless per il V2X

La Figura 2 mostra l'architettura a livelli per un ITS completo. Il livello superiore dell'applicazione contiene la definizione dei casi d'uso quali la segnalazione della frenatura di emergenza, di anti-collisione agli incroci e della durata dei cicli semaforici. Altri livelli forniscono i servizi di supporto di comunicazione e di informazione quali posizione/località, avvisi e notifiche. Alla fine, questi messaggi di protocollo dovrebbero essere trasmessi via etere utilizzando una tecnologia wireless.

Negli Stati Uniti, per le comunicazioni veicolari è già stato creato il DSRC, mentre allo stesso scopo l'Europa ha formulato l’accesso wireless basato su IEEE 802.11p. Tuttavia, queste tecnologie wireless sono state sviluppate sulla base dello standard Wi-Fi IEEE 802.11x per le comunicazioni ad-hoc.2 Pertanto, hanno una portata limitata e soffrono degli stessi problemi di congestione e qualità del servizio (QoS, Quality of Service) di altri sistemi basati su Wi-Fi. Inoltre, la realizzazione di infrastrutture stradali per garantire la copertura dei server di gestione del traffico richiederà ingenti investimenti di capitale. D'altra parte, l'accesso wireless attraverso l’infrastruttura radiomobile pubblica, nota anche come sistema di comunicazione cellulare, fornisce una soluzione sia ai problemi di copertura che al QoS. La rete cellulare sta già coprendo la maggior parte dei percorsi stradali e dispone di un accesso programmato e controllato via rete, che garantisce il QoS evitando la congestione o le cadute di linea.

Il servizio V2X viene già fornito dallo standard del sistema cellulare 4G LTE (Long-Term Evolution) di quarta generazione. Tuttavia, nel 4G LTE, l'obiettivo principale sono i casi d’uso di sicurezza a livello base. La 5a generazione (5G) si rivolge a casi d'uso più critici per la sicurezza e ad alta affidabilità. Il termine “cellulare V2X” (C-V2X) viene utilizzato per il servizio V2X fornito dalla rete mobile, sia con 4G LTE che 5G. Questo quadro complessivo di sistemi di comunicazione veicolare consente la possibilità d’uso di più tecnologie e standard non solo in diverse regioni, ma anche su diverse bande di frequenza. Il quadro generale diventa un po' più complicato quando consideriamo diverse bande di frequenza nello spettro, in regioni diverse e per standard differenti.

Rete Cellulare V2X (C-V2X)

Fornire una copertura di rete cellulare del 100% è una sfida molto difficile per qualsiasi operatore di rete mobile. D'altra parte, per la guida connessa e automatizzata, l’effetto di un “buco” di copertura radio potrebbe essere peggiore di un buco sull’asfalto. Pertanto, il C-V2X è stato dotato di funzionalità avanzate con le quali può anche operare in assenza di copertura di rete. Nella Figura 3a viene mostrato uno scenario in cui i veicoli comunicano in presenza di copertura di rete. Per la comunicazione dei veicoli ci sono due opzioni:

L’Opzione 1 è con l’utilizzo dell’interfaccia classica Uu (definita 3GPP per il collegamento radio tra il dispositivo dell’utente finale e la stazione radio base) in cui la rete cellulare viene coinvolta tra due nodi V2X intercomunicanti.

L’Opzione 2 consiste nell'utilizzare una nuova interfaccia, nota come PC5, che offre la comunicazione diretta tra i nodi V2X. Questa comunicazione viene anche definita “sidelink” (SL).

Nella Figura 3b la copertura della rete cellulare è assente. Tuttavia, con l'utilizzo dell'interfaccia PC5, i nodi V2X sono ancora in grado di comunicare. In uno scenario dove la copertura è presente, la rete può utilizzare qualsiasi banda cellulare allocata. La prossima sezione di questo articolo riguarderà la scelta della banda da utilizzare in assenza di copertura di rete.

Allocazione dello Spettro V2X

Per consentire le comunicazioni veicolari nella banda dei 5,9 GHz, in Europa è stato assegnato uno spettro dedicato con una larghezza di banda di 70 MHz. Inoltre sono in corso lavori di armonizzazione per consentire, in questa stessa banda, l'uso di ITS-G5 e C-V2X. Nel contesto del C-V2X, il servizio potrebbe già utilizzare più bande cellulari, assieme alla combinazione delle interfacce PC5 e Uu. Lo standard cellulare sta studiando il funzionamento simultaneo dual-band per il V2X. Basandoci sulle specifiche 3GPP, abbiamo creato la Tabella 1, per riassumere al titolo di esempio alcune combinazioni di bande per il funzionamento simultaneo del servizio V2X, utilizzando rispettivamente le tecnologie di accesso cellulare con interfaccia 4G LTE e 5G New Radio (5G NR). Le righe evidenziate sono a uso esclusivo per 5G NR.

Sistemi V2X Dual-Band e Dual-RAT

In presenza di tecnologie di accesso radio multiple (Radio Access Technologies, RAT) e della possibilità di comunicare in più bande dello spettro, gli OEM del settore automotive devono decidere quali adottare. Negli Stati Uniti (al momento della redazione di questo articolo), la FCC è orientata all'uso di accesso wireless basato su DSRC, mentre la regione Asia-Pacifico sta favorendo lo sviluppo e la distribuzione del C-V2X. In Europa, la tendenza è di mantenere neutrale la tecnologia di accesso wireless. A questo proposito, sono stati presentati alcuni studi che delineano i vantaggi di ITS-G5/ DSRC sul C-V2X. Studi analoghi tendono a sostenere il C-V2X rispetto al ITS-G5. Di conseguenza, i partner del settore automotive e delle telecomunicazioni stanno lavorando per sviluppare una soluzione in cui il servizio V2X possa sfruttare i vantaggi offerti dalle tecnologie di accesso wireless, sia nello spettro concesso con licenza che in quello libero.

La Figura 4 è una versione modificata della Figura 2 dove abbiamo elaborato il livello di accesso introducendo un nuovo sottolivello tra l'accesso radio e l'accesso ai pacchetti. La chiamiamo gestione wireless degli accessi (Wireless Access Management, WAM). La funzione di questo sottolivello è quella di garantire l'erogazione del servizio V2X ottimizzato dalla rete al livello radio. Sulla base di casi d'uso (requisiti di latenza, QoS, ecc.), delle condizioni di traffico (congestione) e di collegamento (qualità della radio), potrebbe selezionare diverse tecnologie di accesso wireless in coordinamento (diversità) o in cooperazione (maggiore flusso). Ad esempio, se viene rilevata una congestione di traffico sull'interfaccia aerea ITS-G5, lo stesso messaggio potrebbe essere inviato mediante PC5 utilizzando C-V2X. Questo fornirà un guadagno di diversità e garantirà l'affidabilità di comunicazione. In un caso d'uso in cui dei veicoli si scambiano dati geografici ad alta densità, al fine di soddisfare l'elevata produttività richiesta potrebbe essere utilizzata l'interfaccia Uu in cooperazione con PC5 o ITS-G5.

Come illustrato nella Figura 4, i rapporti dell’IEEE presentano e discutono i vantaggi di concetti di questo genere, con dovizia di dettagli ricavati con l'aiuto di metodi analitici e di simulazione. Come descritto in precedenza utilizzando la Tabella 1, all'interno del framework C-V2X gli enti di standardizzazione dei sistemi cellulari stanno già studiando il funzionamento simultaneo nelle bande 4G LTE Uu e 5G NR Uu con PC5 e ITS-G5 nella banda dei 5,9 GHz. Quindi, con il funzionamento contemporaneo delle bande e i concetti spiegati in precedenza, possiamo affermare che gli enti di standardizzazione e la comunità di ricerca industriale applicata hanno gettato le basi per un sistema V2X dual-band e anche dual-RAT. Ora è il momento che l'industria automotive scopra le implementazioni hardware ottimali con cui poter sfruttare i vantaggi dei concetti V2X dual-band e dual-RAT.

Introduzione di un Singolo IC RF (ADRV9026) per i Sistemi V2X del Futuro

I dispositivi wireless attuali sono già dotati di molteplici standard, ognuno dei quali viene implementato utilizzando un proprio modulo o un componente hardware unico. Per lo più, questi moduli forniscono una soluzione dal livello RF a quello dell'applicazione. L'implementazione di tale sistema V2X dual-band e la realizzazione di un meccanismo di coordinamento e cooperazione non sono facili in simili architetture, in quanto i produttori o i venditori di tali moduli non permettono l’accesso accesso ai livelli intermedi, necessario per attuare il coordinamento o la cooperazione tra i diversi standard. Per realizzare queste implementazioni, utilizzando i moduli wireless disponibili, saranno necessarie delle interfacce esterne standardizzate.

Perciò abbiamo bisogno di un progetto che consenta l'attuazione di tale sistema. La progettazione di trasmettitori e ricevitori radio che utilizzano radio definite via software (Software-Defined Radio, SDR) ci offre piena libertà nell'accesso e nell'elaborazione dei dati digitali a qualsiasi livello. Il portafoglio di prodotti ADI RadioVerse comprende molti transceiver radio a banda larga che trasformano l’RF in bit e i bit in RF. Questa conversione del segnale nella (o dalla) banda RF e la banda-base si basa sull'architettura a frequenza intermedia zero (Zero Intermediate Frequency, ZIF). Fondamentalmente, rispetto alla conversione basata sul campionamento RF diretto richiede una potenza molto più bassa, poiché tutti i circuiti operano a una larghezza di banda molto più stretta. Inoltre, permette di avere un front-end RF molto più semplice e più economico, in quanto ZIF rende meno stringenti i requisiti di filtraggio sia sul trasmettitore che sul ricevitore.

L'ADRV9026 è una recente espansione del portafoglio RadioVerse nella dimensione degli SDR dual-band. È un circuito integrato RF a singolo chip completamente integrato. Ha quattro canali di trasmissione e quattro di ricezione, che possono essere programmati e controllati in modo indipendente per trasmettere e ricevere qualsiasi frequenza portante tra 75 MHz e 6 GHz. La larghezza di banda di ricezione arriva a un massimo di 200 MHz, mentre la larghezza di banda di sintesi del trasmettitore raggiunge un massimo di 450 MHz. Per supportare la linearizzazione degli amplificatori di potenza in scenari di trasmissione ad alta potenza sono anche presenti percorsi di osservazione on-chip, ciascuno con una larghezza di banda fino a 450 MHz. Nella Figura 5 è illustrato lo schema a blocchi funzionale del ricetrasmettitore completo.

Utilizzando l'architettura evoluta dell'oscillatore locale, l'ADRV9026 può trasmettere e ricevere simultaneamente in bande di frequenza multiple inferiori a 6 GHz. La Figura 6 mostra un esempio di trasmissione e ricezione simultanee in diverse bande o diversi accessi wireless, mediante un singolo RF IC ADRV9026. Nell’immagine abbiamo selezionato solo tre combinazioni di bande. Vogliamo sottolineare che l'ADRV9026 è in grado di operare in qualsiasi banda tra 75 MHz e 6 GHz. Con l’ADRV9026, grazie alla presenza di quattro canali RF indipendenti, possiamo anche realizzare una funzione 2 x 2 MIMO per ogni singola banda o tecnologia.

Quando usiamo l’ADRV9026 ne vediamo i molteplici vantaggi.

  • È possibile scegliere in modo flessibile qualsiasi banda del C-V2X, e questa flessibilità non comporta alcun costo aggiuntivo per la certificazione.
  • L'uso di RAT multipli in cooperazione richiederà un livello di sincronizzazione più elevato. Ottenere quest'ultimo con l'ADRV9026 sarà più semplice, dato che entrambe le bande vengono controllate dall'unico IC RF. Nel capitolo “Sistemi V2X Dual-Band e Dual-RAT,” abbiamo discusso i concetti per un sistema V2X dual-band e il modo di utilizzare un singolo IC RF a questo scopo. In futuro presenteremo qualche dettaglio in più sull'architettura e sul progetto di un dispositivo dual-band V2X di questo genere.
  • Con l'ADRV9026, la conversione dall’RF al bit si può eseguire molto vicino all’antenna. Ciò può evitare perdite di segnale RF nei cavi coassiali, che nelle bande V2X a 5,9 GHz sono molto più elevate.
  • Riguardo alle prestazioni RF, l'ADRV9026 risponde ai requisiti della stazione base wireless. I moduli wireless attuali sono basati su ASIC, i quali sono stati sviluppati per apparati end-user. Per questo, l'ADRV9026 fornisce prestazioni RF più elevate, il ché implica latenza più bassa, maggiore affidabilità e QoS più alto. Tutte queste caratteristiche forniscono una maggiore velocità di trasmissione e flusso dati “over-the-air”, che si riflettono nel miglioramento dell'esperienza di guida e di viaggio con un livello di sicurezza più elevato.
  • Con velocità di trasmissione dati più elevate e latenza inferiore, i casi d'uso correlati alla sicurezza vengono supportati più efficacemente, dato che forniscono tempi di reazione più brevi sia ai guidatori che ai sistemi di guida autonoma. Ad esempio, in uno scenario di traffico pesante, nel quale i canali radio liberi o con licenza stanno raggiungendo i propri limiti di congestione, un sistema cooperativo/coordinato come quello presentato nel capitolo “Sistemi V2X Dual-Band e Dual-RAT” può fornire affidabilità più elevata e standard di sicurezza migliori in confronto a un sistema stand-alone o ad accesso singolo.

Perciò è essenziale rispondere ai requisiti dei casi d'uso V2X utilizzando un'implementazione cooperativa/coordinata con intelligenza cognitiva e il supporto di un singolo IC RF. Analog Devices possiede la tecnologia per raggiungere questo obiettivo con un unico dispositivo come l'ADRV9026.

Conclusione

In questo articolo abbiamo presentato un resoconto dell'attuale sviluppo delle comunicazioni V2X, che rappresentano un fattore essenziale per i veicoli a guida autonoma. In questo ambiente esistono due tecnologie wireless che potrebbero risultare complementari nel soddisfare i requisiti critici del servizio V2X: sono C-V2X e DSRC/ITS-G5, utilizzabili sia in bande libere che con licenza. Per la realizzazione di un sistema V2X coordinato/cooperativo esistono diverse opzioni. Analog Devices dispone delle tecnologie necessarie a supportare gli standard dual-band e dual-wireless con prestazioni RF più elevate, tempi di latenza inferiori, maggiore velocità di trasmissione dati e affidabilità migliore. Abbiamo discusso di come sia possibile progettare un dispositivo di comunicazione V2X utilizzando questo IC RF, che potrebbe fornire contemporaneamente l’accesso wireless alle due tecnologie V2X in due bande radio differenti. Nel prossimo articolo approfondiremo come utilizzare un progetto basato su ADRV9026 per dimostrare il supporto per la comunicazione V2X multibanda.

 

Danish Aziz, Staff Field Applications Engineer,
Chris Bohm, Digital Design Engineer e
Fionn Hurley, Marketing Manager, Analog Devices

Rossana Saullo si laurea prima in Lettere Moderne presso l’Università della Calabria di Cosenza, successivamente consegue la laurea magistrale in Letteratura, Filologia e Linguistica Italiana presso l’Università degli Studi di Torino. Nel 2020 consegue il Master Professione Editoria Cartacea e Digitale presso l’Università Cattolica di Milano. Da settembre 2020 lavora in TIMGlobal Media.

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