Les voitures parlantes: une enquête sur les protocoles pour la communication entre véhicules connectés

Les voitures deviennent sans doute plus intelligentes et la technologie embarquée s'améliore. Un aspect qui retient particulièrement l'attention est la capacité de la voiture intelligente à communiquer avec ses occupants ainsi qu'avec son environnement.

Jusqu'à présent, la communication dans les voitures s'est principalement concentrée sur les occupants en leur servant du contenu consommable à partir de serveurs distants ou du cloud. Cette livraison de contenu est communément appelée infotainment – où les occupants reçoivent des informations liées à leur voyage (cartes, météo, attractions, lieux d'intérêt, routes encombrées et accidents à proximité) ou avec des options de divertissement (telles que la radio par satellite). musique, connectivité Internet et applications de réseautage social). La connectivité automobile permet également des services tels que la communication d'urgence en cas d'accident ou de panne de la voiture. Le port OBD (II-on-board diagnostics) de la voiture est un moyen efficace d'obtenir des messages sur les performances et la santé de la voiture, et de les fournir au conducteur ou à un technicien pour un dépannage amélioré.

Au cours des dernières années, la communication inter-voiture a suscité beaucoup d'intérêt, notamment dans le domaine de la sécurité, où elle a fait l'objet de nombreuses recherches. Il est maintenant assez bien reconnu que la communication inter-voiture pourrait potentiellement aider à la réduction des décès liés à la circulation, dont plus de 37 000 sur les routes américaines en 2016, selon les données du National Highway Traffic Administration de la sécurité .

S'appuyant sur cette base de la communication inter-voiture, divers cas d'utilisation liés à la communication entre la voiture et ses environs – y compris les piétons et les cyclistes – sont en cours d'évaluation. Avec le progrès rapide de la connectivité dans les voitures – d'autant plus ces dernières années – il est utile de disposer d'un résumé des divers types de technologies de communication disponibles pour les automobiles.

Systèmes de communication pour voitures connectées

Les communications dans les voitures connectées (utilisées indifféremment ici avec des "véhicules connectés") peuvent être classées en termes d'émetteurs et de récepteurs comme suit:

1. Vehicle-to-Environment (V2E)
   • Véhicule-à-véhicule (V2V)
   • Véhicule-à-infrastructure (V2I)
   • Véhicule-à-Piéton (V2P)
2. Véhicule à utilisateur (V2U)
3. Véhicule à réseau (V2N)

Ces systèmes de communication dans les voitures sont capturés sur la Figure 1:

Figure 1: Divers systèmes de communication pour voitures connectées.

Vehicle to Environment (V2E) comprend la communication entre la voiture connectée et son environnement en évolution dynamique (incluant les autres véhicules, cyclistes et piétons) ainsi que la communication entre la voiture et son environnement statique (tels que les feux de circulation, les péages systèmes, parking électronique et routes). Certaines entreprises automobiles et start-up technologiques de premier rang ont manifesté un vif intérêt pour le V2E, en particulier en ce qui concerne les cas d'utilisation de la sécurité, et ont été à l'avant-garde de l'innovation.

Véhicule à utilisateur (V2U) désigne la communication entre la voiture et ses occupants, y compris le conducteur. Cette communication est liée à l'infotainment et à la personnalisation de l'expérience de voyage. Plusieurs équipementiers automobiles se concentrent sur le V2U avec pour objectif principal de créer une expérience pour l'occupant de la voiture qui étend l'expérience numérique de l'homme de la maison et du lieu de travail à la voiture.

La différence majeure entre V2E et V2U réside dans les contraintes de régulation et de réseau. Les communications V2E telles que V2V et V2I qui se concentrent sur les alertes ou les messages liés à la sécurité sont régies par un cadre réglementaire plus strict par rapport au V2U – tout glissement pouvant avoir de graves répercussions sur la sécurité publique. Les messages liés à la sécurité ne peuvent pas être supprimés, ce qui impose des contraintes supplémentaires au protocole de communication et au réseau lui-même. Pour la même raison, le réseau doit avoir une faible latence et un délai minimum. Contrairement à V2E, V2U n'est pas destiné à traiter les applications critiques en termes de temps, car la plupart des applications sont destinées à l'infodivertissement et à la commodité (sauf peut-être pour les appels d'urgence de la voiture). Par conséquent, les exigences réglementaires et de réseau ne sont pas aussi critiques pour le V2U que pour le V2E.

Vehicle-to-Network (V2N) représente la connectivité entre la voiture et un opérateur de réseau donnant accès à la voiture, peut-être sur plusieurs fréquences. Cette communication peut fournir des informations non critiques mais utiles (telles que les fermetures de routes et la congestion) et des services en nuage qui améliorent l'expérience des occupants, tout en servant de point d'accès à la connectivité Internet.

Véhicules connectés et sécurité

Les voitures autonomes sont une innovation de plus en plus importante en raison de leur prétendue capacité à minimiser les accidents. Une classification importante de la communication est nécessaire ici: communications en visibilité directe (LOS) et non-ligne de visée (NLOS). Les voitures autonomes d'aujourd'hui ont tendance à se concentrer davantage sur les communications LOS. Chaque prototype de voiture autonome est équipé d'une combinaison de caméras, de radars, de LIDAR et de capteurs à ultrasons – qui s'appuient tous sur la communication LOS pour comprendre l'environnement et prendre des décisions qui garantissent une expérience de conduite sûre. En dépit de ces technologies, un objet qui apparaît soudainement à la vue d'une auto-conduite – ou d'une voiture s'approchant d'une intersection sans conducteur «non vue» par une auto-conduite – peut potentiellement conduire à une collision. Pour de telles situations, la communication NLOS fournit une couche de sécurité redondante nécessaire et utile pour la voiture. Le V2E fait partie de la catégorie des communications NLOS pouvant potentiellement améliorer la sécurité des voitures autonomes. Par conséquent, pour qu'une voiture autonome augmente ses capacités de sécurité LOS, il devient nécessaire qu'elle ait également une capacité de communication V2E.

Etat des technologies utilisées pour V2E

Examinons de plus près les technologies qui constitueront l'épine dorsale de l'écosystème des véhicules connectés, spécifiquement liées à V2E: Comment cette communication est-elle activée? Quel est le statut des technologies en termes de préparation à l'écosystème et de probabilité d'adoption massive?

V2E aborde les applications de sécurité cruciales pour des performances rapides, robustes et rapides: tout retard dans la livraison des messages pourrait conduire à collision mortelle. Au fil des ans – et avec la contribution importante des intervenants du secteur des transports – le Comité technique de communication spécialisée à courte portée SAEC (DSRC) a développé un dictionnaire de données SAE J27355 qui définit 16 (et peut-être plus) messages V2X spécifiques. Les applications de sécurité comprennent les avertissements pour les violations de la lumière rouge, les vitesses de courbe, les zones de vitesse et de travail réduites, les feux de freinage électroniques d'urgence, les collisions avant, etc. Tous ces avertissements sont choisis par la voiture la plus proche de leur lieu d'occurrence, puis propagés aux voitures qui l'entourent. Pour la propagation de tels messages, les protocoles de communication suivants sont utilisés:

• DSRC / IEEE802.11p
• LTE-V2X (évoluera probablement vers la 5G à l'avenir)

Communication à courte distance dédiée (DSRC) / IEEE802.11p

Faire partie du cahier des charges Pour la mise en œuvre des réseaux locaux sans fil (WLAN), DSRC pour les applications liées à l'accès sans fil dans les environnements véhiculaires (WAVE) repose sur la norme IEEE 802.11p, qui est un amendement à la norme IEEE 802.11. Pour prendre en charge le protocole de communication DSRC, 75 MHz de spectre ont été attribués dans la bande 5,9 GHz pour une utilisation par ITS. Une caractéristique clé de 802.11p est sa capacité à communiquer pour des vitesses relatives du véhicule de 250 km / h. Plusieurs essais sur le terrain de cette technologie ont été achevés, avec un pilote important à grande échelle financé par le ministère des Transports des États-Unis (DOT) au Wyoming, à Tampa et à New York, qui comprenait plus de 10 000 véhicules. NXP poursuit activement la voie de la technologie DSRC 802.11p pour les applications V2X

DSRC est basé sur la famille 802.11 du protocole CSRI-CA (Carrier Sense Multiple Access avec anticollision). Dans ce protocole, le dispositif écoute le canal avant d'envoyer un paquet, et tout paquet n'est envoyé que si le canal est clair. Cela entraîne un retard dû au temps passé à attendre la disponibilité du canal. De plus, des collisions entre des messages provenant de deux ou plusieurs dispositifs peuvent se produire lorsqu'ils transmettent à des heures qui se chevauchent. Ainsi, un réseau DSRC ne répond pas toujours aux exigences d'une communication de sécurité où aucun message n'est supprimé. De plus, la portée qu'ils supportent est généralement comprise entre 150 et 300 m, ce qui signifie que le véhicule ne captera pas le message à moins qu'il ne se trouve dans cette plage. Pour la communication de sécurité avec les véhicules, DSRC nécessite une infrastructure fixe appelée Road Side Units (RSU). L'installation de ces RSU sur les réseaux routiers est donc un besoin majeur pour l'adoption généralisée réussie de DSRC / IEEE 802.11p.

LTE-V2X

Évolution à long terme – La communication véhicule vers X (LTE-V2X) englobe V2V, V2I, V2P et V2N, de sorte que les types de messages et services activés transcenderont probablement les combinaisons disponibles dans SAE J2735. En présence d'un réseau, LTE-V2X peut s'appuyer sur des années d'innovation dans le domaine cellulaire offrant une alternative convaincante aux communications basées sur DSRC. Aucune infrastructure supplémentaire n'est nécessaire, car LTE-V2X peut utiliser l'infrastructure cellulaire existante. L'avantage du LTE-V2X est que, en l'absence de connexion réseau, il s'appuie sur la même fréquence de communication V2V pour la communication des messages de sécurité. Qualcomm poursuit ce travail depuis plusieurs années dans le contexte des technologies Cellular V2X (C-V2X).

Le LTE-V2X fonctionne sur une communication synchrone avec des exigences élevées de synchronisation d'horloge, ce qui nécessite un matériel meilleur ou plus coûteux. La synchronisation de l'horloge garantit qu'aucun message n'est supprimé et que les messages numériques sont capturés sur le bord ou le niveau d'une horloge. Par conséquent, la synchronisation (fréquence et correspondance de phase) entre le message et l'horloge est nécessaire pour que les messages soient toujours capturés. Cependant, cette synchronisation est généralement établie à l'aide de signaux GNSS (Global Navigation Satellite System), qui peuvent ne pas être disponibles partout (par exemple, dans les tunnels et les parkings souterrains). Comme la norme DSRC 802.11p exige le déploiement d'unités RSU et que la norme LTE-V2X nécessite un matériel de synchronisation d'horloge, il est probable que l'un ou l'autre déploiement entraînera des coûts, qui devront être supportés par l'utilisateur final ou le gouvernement.

LTE-V2X prend en charge des vitesses relatives de 500 km / h ou plus. De plus, la plage de LTE-V2X est supérieure à 450 m, ce qui permet au conducteur d'avoir un temps de réaction plus long que dans les communications 802.11p. L'évolution prévue de LTE-V2X en 5G apportera des améliorations majeures attendues en termes de latence et de bande passante.

5G

La 5G apportera toute une gamme d'avantages pour un écosystème de voitures connectées, notamment: des bandes passantes qui supportent un transfert de données important, un support natif pour la communication pair-à-pair, une fiabilité accrue faible latence et fonctionnalités de tolérance aux pannes. La 5G servira de catalyseur pour toute une série de nouveaux cas d'utilisation afin d'accroître la sécurité dans le transport des véhicules, ce qui permettra d'accroître la capacité de transfert de données. Celles-ci comprennent le partage de données de capteurs entre les voitures, le positionnement amélioré en utilisant le support large bande et le partage de cartes haute définition pour les cas d'utilisation de conduite autonome. Une alliance intersectorielle de grandes entreprises – composée de grands constructeurs automobiles tels qu'Audi, BMW et Daimler, avec les fournisseurs de services et d'équipements de télécommunications Ericsson, Huawei et Nokia et les sociétés de semi-conducteurs Intel et Qualcommm – s'associe pour développer, tester et promouvoir la 5G communications pour voitures connectées. D'ici 2020, ce réseau prendra en charge 212 milliards de capteurs connectés et 50 milliards d'appareils connectés.

Perspectives: une approche hybride

Compte tenu des avantages et des inconvénients de chaque protocole de communication pour la communication V2E, une combinaison de protocoles – une approche hybride – pourrait finalement être un modèle idéal pour la communication véhiculaire. Une approche hybride peut combiner les avantages de chaque technologie pour aboutir à une solution plus robuste.

La solution idéale pour l'avenir sera probablement: de combiner les avantages du réseau cellulaire qui fournit une connectivité à plus longue portée entre les véhicules et entre les véhicules et le nuage; le déploiement progressif d'unités RSU nécessaires à la communication DSRC pour une communication entre homologues à courte portée entre véhicules; et l'adoption de LTE-V2X ainsi que l'évolution de la 5G pour la connectivité entre les voitures.

Figure 2: Une approche hybride pour la communication voiture-tout.