Транспортное средство ко всему ( V2X ) — это связь между транспортным средством и любым объектом, который может влиять на транспортное средство или подвергаться его воздействию. Это автомобильная система связи , которая включает в себя другие более конкретные типы связи, такие как V2I (автомобиль-инфраструктура), V2N (автомобиль-сеть), V2V ( автомобиль-автомобиль ), V2P (автомобиль-пешеход). , V2D ( от автомобиля к устройству ).
V2X можно разделить на две супергруппы: V2X, использующая общие технологии связи, такие как Bluetooth или мобильные сети, и V2X, использующая специальную специальную технологию связи. Основными мотивами использования специальной технологии V2X являются безопасность дорожного движения , эффективность дорожного движения , экономия энергии и массовое наблюдение . По оценкам NHTSA США, при внедрении системы V2V количество дорожно-транспортных происшествий сократится как минимум на 13%, что приведет к уменьшению количества аварий на 439 000 в год. [1] Аналогичным образом, технология V2X уже используется в таких странах, как Китай, где между транспортными средствами передается различная информация о безопасности для уменьшения дорожно-транспортных происшествий. [2] Существует два стандарта выделенной связи V2X в зависимости от используемой базовой технологии: (1) на основе WLAN и (2) на основе сотовой связи .
Термин V2X содержит следующие подкатегории:
Историю работы над проектами связи между транспортными средствами для повышения безопасности, снижения аварийности и помощи водителю можно проследить с 1970-х годов с такими проектами, как американская электронная система дорожного наведения (ERGS) и японская CACS. [4] Большинство вех в истории автомобильных сетей происходят из США, Европы и Японии. [4]
Стандартизация V2X на базе WLAN заменяет стандартизацию систем V2X на базе сотовой связи. IEEE впервые опубликовал спецификацию V2X на базе WLAN ( IEEE 802.11p ) в 2010 году. [5] Он поддерживает прямую связь между транспортными средствами (V2V), а также между транспортными средствами и инфраструктурой (V2I). Эта технология называется выделенной связью ближнего радиуса действия ( DSRC ). DSRC использует базовую радиосвязь, предоставляемую стандартом 802.11p.
В 2016 году Toyota стала первым автопроизводителем в мире, представившим автомобили, оснащенные системой V2X. В этих автомобилях используется технология DSRC , и они продаются только в Японии. В 2017 году GM стал вторым автопроизводителем, представившим V2X. GM продает в США модель Cadillac, которая также оснащена DSRC V2X.
В 2016 году 3GPP опубликовал спецификации V2X, основанные на LTE в качестве базовой технологии. Ее обычно называют «сотовой V2X» (C-V2X), чтобы отличить ее от технологии V2X на основе 802.11p. Помимо прямой связи (V2V, V2I), C-V2X также поддерживает глобальную связь через сотовую сеть (V2N).
По состоянию на декабрь 2017 года европейский производитель автомобилей объявил о внедрении технологии V2X на базе 802.11p с 2019 года . ) – отраслевая организация, поддерживающая и развивающая технологию C-V2X – указывает, что сотовая технология C-V2X в режиме прямой связи превосходит 802.11p во многих аспектах, таких как производительность, дальность связи и надежность, многие из этих утверждений оспариваются, например, в официальном документе, опубликованном NXP, [8] одной из компаний, активно использующих технологию V2X на основе 802.11p, а также опубликованных в рецензируемых журналах. [9]
Эта технология может быть неправильно использована для дистанционного управления транспортным средством. Полиция Чехии (2024 г.) объявила в сотрудничестве с университетами о разработке системы дистанционной остановки транспортных средств, ссылаясь на то, что такая процедура является законной даже в соответствии с действующим законодательством. [10]
Оригинальная связь V2X использует технологию WLAN и работает напрямую между транспортными средствами (V2V), а также между транспортными средствами и транспортной инфраструктурой (V2I), которые образуют специальную автомобильную сеть , поскольку два отправителя V2X находятся в зоне действия друг друга. Следовательно, для связи транспортных средств не требуется какой-либо коммуникационной инфраструктуры, что является ключом к обеспечению безопасности в отдаленных или малоразвитых районах. WLAN особенно хорошо подходит для связи V2X благодаря низкой задержке. Он передает сообщения, известные как сообщения совместной осведомленности (CAM) или базовое сообщение безопасности (BSM), а также сообщения децентрализованного экологического уведомления (DENM). Другими сообщениями, связанными с придорожной инфраструктурой, являются сообщение о фазе и времени сигнала (SPAT), информационное сообщение в транспортном средстве (IVI) и сообщение с запросом на обслуживание (SRM). Объем данных этих сообщений очень мал. Эта радиотехнология является частью семейства стандартов WLAN IEEE 802.11 и известна в США как Wireless Access in Vehicle Environments (WAVE), а в Европе как ITS-G5. [11] В дополнение к режиму прямой связи автомобили могут быть оснащены традиционными технологиями сотовой связи, поддерживающими услуги на базе V2N. Это расширение с помощью V2N было достигнуто в Европе под эгидой платформы C-ITS [12] с системами сотовой связи и системами вещания (TMC/DAB+).
Более поздняя связь V2X использует сотовые сети и называется сотовой V2X (или C-V2X), чтобы отличать ее от V2X на базе WLAN. Было несколько отраслевых организаций, таких как Автомобильная ассоциация 5G (5GAA), продвигающих C-V2X из-за его преимуществ перед V2X на базе WLAN (без учета недостатков). [13] C-V2X изначально определен как LTE в версии 14 3GPP и предназначен для работы в нескольких режимах:
В версии 3GPP Release 15 функциональные возможности V2X расширены за счет поддержки 5G . C-V2X включает поддержку как прямой связи между транспортными средствами (V2V), так и традиционной связи на основе сотовой сети. Кроме того, C-V2X обеспечивает путь перехода к системам и сервисам на базе 5G, что подразумевает несовместимость и более высокие затраты по сравнению с решениями на базе 4G.
Для прямой связи между автомобилем и другими устройствами (V2V, V2I) используется так называемый интерфейс PC5. PC5 относится к контрольной точке, в которой пользовательское оборудование (UE), то есть мобильная трубка, напрямую связывается с другим UE по прямому каналу. В этом случае связь с базовой станцией не требуется. На уровне системной архитектуры услуга близости (ProSe) является функцией, которая определяет архитектуру прямой связи между UE. В спецификациях 3GPP RAN «боковая линия» — это терминология, обозначающая прямую связь через PC5. Интерфейс PC5 был первоначально определен для удовлетворения потребностей критически важных коммуникаций для сообщества общественной безопасности (Public Safety-LTE или PS-LTE) в выпуске 13. Мотивацией критически важных коммуникаций было обеспечение возможности правоохранительных органов или служб экстренной помощи использовать связь LTE, даже если инфраструктура недоступна, например, в случае стихийного бедствия. Начиная с версии 14, использование интерфейса PC5 было расширено для удовлетворения различных потребностей рынка, таких как связь с использованием носимых устройств, таких как умные часы . В C-V2X интерфейс PC5 повторно применяется для прямой связи в V2V и V2I.
Связь в режиме 4 Cellular V2X основана на схеме распределенного распределения ресурсов, а именно на полупостоянном планировании на основе датчиков, которое планирует радиоресурсы в автономном режиме в каждом пользовательском оборудовании (UE). [14] [15] [16]
В дополнение к прямой связи через PC5, C-V2X также позволяет устройству C-V2X использовать подключение к сотовой сети традиционным способом через интерфейс Uu. Uu относится к логическому интерфейсу между UE и базовой станцией. Обычно это называется «автомобиль-сеть» (V2N). V2N является уникальным вариантом использования для C-V2X и не существует в V2X на базе 802.11p, поскольку последний поддерживает только прямую связь. Однако, как и в случае с V2X на базе WLAN, в случае C-V2X необходимы две радиосвязи, чтобы иметь возможность одновременно взаимодействовать через интерфейс PC5 с близлежащими станциями и через интерфейс UU с сетью.
Хотя 3GPP определяет функции транспортировки данных, обеспечивающие V2X, он не включает семантический контент V2X, но предлагает использовать стандарты ITS-G5, такие как CAM, DENM, BSM и т. д., поверх функций транспортировки данных 3GPP V2X. [17]
Благодаря мгновенной связи V2X позволяет использовать такие приложения для обеспечения безопасности дорожного движения, как (неисчерпывающий список):
В отчете Национальной администрации безопасности дорожного движения США (NHTSA) «Связь между транспортными средствами: готовность технологии V2V к применению» [18] перечислены первоначальные варианты использования, предусмотренные для США. Европейские органы по стандартизации ETSI и SAE опубликовали стандарты, которые они считают вариантами использования. [19] [20] Первые варианты использования ориентированы на безопасность и эффективность дорожного движения. [21] Новые и расширенные варианты использования представлены такими организациями, как 3GPP, 5GAA и 5GCAR. Эти варианты использования касаются высокого уровня автоматизации. [4]
В среднесрочной перспективе V2X воспринимается как ключевой фактор автономного вождения, при условии, что ему будет разрешено вмешиваться в реальный процесс вождения. В этом случае транспортные средства смогут объединяться во взводы, как это делают грузовые автомобили. С появлением подключенной и автономной мобильности обсуждения V2X, как представляется, играют важную роль, особенно в контексте телеопераций для автономных транспортных средств [22] и взводов [23] [24].
Связь V2X на основе WLAN основана на наборе стандартов, разработанных Американским обществом испытаний и материалов (ASTM). Серия стандартов ASTM E 2213 рассматривает беспроводную связь для высокоскоростного обмена информацией между самими транспортными средствами, а также дорожной инфраструктурой. Первый стандарт этой серии был опубликован в 2002 году. Здесь впервые была использована аббревиатура «Беспроводной доступ в транспортных средствах» (WAVE) для связи V2X.
С 2004 года Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) начал работу над беспроводным доступом для транспортных средств в рамках своего семейства стандартов IEEE 802.11 для беспроводных локальных сетей (WLAN). Их первоначальный стандарт беспроводной связи для транспортных средств известен как IEEE 802.11p и основан на работе, проделанной ASTM. Позже, в 2012 году, IEEE 802.11p был включен в IEEE 802.11.
Примерно в 2007 году, когда IEEE 802.11p стал стабильным, IEEE начал разрабатывать семейство стандартов 1609.x, стандартизирующее приложения и структуру безопасности [25] (IEEE использует термин WAVE), и вскоре после этого SAE начал определять стандарты для приложений связи V2V. SAE использует для этой технологии термин DSRC (именно так этот термин был придуман в США). Параллельно в ETSI был основан технический комитет по интеллектуальной транспортной системе (ITS), который начал разрабатывать стандарты для протоколов и приложений [26] (ETSI ввёл термин ITS-G5). Все эти стандарты основаны на технологии IEEE 802.11p.
В период с 2012 по 2013 год Японская ассоциация радиопромышленности и бизнеса (ARIB) определила, также на основе IEEE 802.11, систему связи V2V и V2I в полосе частот 700 МГц. [27]
В 2015 году МСЭ опубликовал сводку всех стандартов V2V и V2I, используемых во всем мире, включая системы, определенные ETSI, IEEE, ARIB и TTA (Республика Корея, Ассоциация телекоммуникационных технологий). [28]
3GPP начал работу по стандартизации сотовой связи V2X (C-V2X) в версии 14 в 2014 году. Она основана на LTE в качестве базовой технологии. Спецификации были опубликованы в 2017 году. Поскольку функциональные возможности C-V2X основаны на LTE, его часто называют LTE-V2X. Объем функциональных возможностей, поддерживаемых C-V2X, включает как прямую связь (V2V, V2I), так и связь по глобальной сотовой сети (V2N).
В версии 15 3GPP продолжил стандартизацию C-V2X на основе 5G. Спецификации будут опубликованы в 2018 году, когда будет завершена работа над выпуском 15. Для обозначения базовой технологии часто используется термин 5G-V2X в отличие от V2X на базе LTE (LTE-V2X). В любом случае C-V2X — это общая терминология, которая относится к технологии V2X, использующей сотовую технологию, независимо от конкретного поколения технологии.
В версии 16 3GPP еще больше расширяет функциональность C-V2X. Работа в настоящее время продолжается. Таким образом, C-V2X по своей сути ориентирован на будущее, поддерживая путь перехода на 5G.
Исследование и анализ были проведены [6] [7] для сравнения эффективности технологий прямой связи между LTE-V2X PC5 и 802.11p с точки зрения предотвращения несчастных случаев и снижения количества смертельных и серьезных травм. Исследование показывает, что LTE-V2X обеспечивает более высокий уровень предотвращения несчастных случаев и снижения травматизма. [6] Это также указывает на то, что LTE-V2X обеспечивает более высокий процент успешной доставки пакетов и большую дальность связи. Другой результат моделирования на уровне канала и на уровне системы показывает, что для достижения одинаковой производительности канала как для сценариев прямой видимости (LOS), так и для сценариев отсутствия прямой видимости (NLOS), необходимо более низкое отношение сигнал/шум. (SNR) достижимы с помощью интерфейса LTE-V2X PC5 по сравнению с IEEE 802.11p. [7]
Решение V2X на основе сотовой связи также обеспечивает возможность дальнейшей защиты других типов участников дорожного движения (например, пешеходов, велосипедистов) за счет интеграции интерфейса PC5 в смартфоны, что эффективно интегрирует этих участников дорожного движения в общее решение C-ITS. Связь между транспортным средством и человеком (V2P) включает сценарии уязвимых участников дорожного движения (VRU) для обнаружения пешеходов и велосипедистов во избежание несчастных случаев и травм с участием этих участников дорожного движения.
Поскольку и прямая связь, и связь по глобальной сотовой сети определены в одном и том же стандарте (3GPP), оба режима связи, вероятно, будут интегрированы в один набор микросхем. Коммерциализация этих наборов микросхем еще больше усиливает эффект масштаба и открывает возможности для более широкого спектра бизнес-моделей и услуг с использованием обоих типов связи.
В 1999 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) выделила 75 МГц в диапазоне 5,850–5,925 ГГц для интеллектуальных транспортных систем. [29]
С тех пор Министерство транспорта США (USDOT) работает над V2X с рядом заинтересованных сторон. В 2012 году проект предварительного развертывания был реализован в Анн-Арборе, штат Мичиган. В нем приняли участие 2800 автомобилей, мотоциклов, автобусов и грузовых автомобилей разных марок на оборудовании разных производителей. [30] Национальное управление безопасности дорожного движения США (NHTSA) рассматривало внедрение этой модели как доказательство того, что безопасность дорожного движения может быть улучшена и что стандартная технология WAVE совместима. В августе 2014 года НАБДД опубликовало отчет, в котором утверждалось, что технология связи между транспортными средствами технически доказана и готова к развертыванию. [18] 20 августа 2014 года НАБДД опубликовало в Федеральном реестре предварительное уведомление о предлагаемых нормах (ANPRM), [31] утверждая, что преимущества безопасности связи V2X могут быть достигнуты только в том случае, если значительная часть парка транспортных средств будет оборудована таким оборудованием. Из-за отсутствия немедленной выгоды для первых пользователей, НАБДД предложило обязательное введение. 25 июня 2015 года Палата представителей США провела слушания по этому вопросу, [32] на которых НАБДД, а также другие заинтересованные стороны снова выступили в защиту V2X. [33]
18 ноября 2020 года FCC перераспределила 45 МГц в диапазоне 5,850–5,895 ГГц для Wi-Fi , а остальную часть диапазона V2X — для C-V2X, сославшись на неспособность DSRC запуститься. [34] Правозащитные организации ITS America и Американская ассоциация государственных служащих шоссейных дорог и транспорта подали в суд на FCC, утверждая, что это решение наносит вред пользователям DSRC; 12 августа 2022 года федеральный суд разрешил продолжить назначение. [35]
Для получения спектра в масштабах ЕС радиоприложения требуют гармонизированного стандарта, как в случае ITS-G5 ETSI EN 302 571, [36] , впервые опубликованного в 2008 году. Гармонизированный стандарт, в свою очередь, требует Справочного документа системы ETSI, здесь ETSI TR 101 788. [37] Решение Комиссии 2008/671/EC согласовывает использование полосы частот 5875–5905 МГц для приложений ИТС, обеспечивающих безопасность перевозок . [38] В 2010 году была принята Директива ITS 2010/40/EU [39] . Он направлен на обеспечение совместимости приложений ИТС и их возможности работать через национальные границы. Он определяет приоритетные области для вторичного законодательства, которое охватывает V2X и требует зрелости технологий. В 2014 году отраслевая заинтересованная сторона Европейской комиссии «C-ITS Deployment Platform» начала работу над нормативной базой для V2X в ЕС. [40] Он определил ключевые подходы к общеевропейской инфраструктуре открытых ключей (PKI) безопасности V2X и защите данных, а также способствовал разработке стандарта смягчения последствий [41] для предотвращения радиопомех между V2X на базе ITS-G5 и системами взимания платы за проезд. Европейская комиссия признала ITS-G5 в качестве исходной коммуникационной технологии в своем Плане действий 5G [42] и сопроводительном пояснительном документе [43] для формирования коммуникационной среды, состоящей из ITS-G5 и сотовой связи, как это предусмотрено государствами-членами ЕС. [44] На уровне ЕС или государств-членов ЕС существуют различные проекты предварительного развертывания, такие как SCOOP@F, Testfeld Telematik, цифровой испытательный автобан, коридор ITS Роттердам-Вена, Nordic Way, COMPASS4D или C-ROADS. [45] Существуют и реальные сценарии внедрения стандарта V2X. Первый коммерческий проект, в котором стандарт V2X используется для системы помощи при движении на перекрестке. Он был реализован в городе Брно / Чешская Республика , где 80 перекрестков контролируются стандартом связи V2X от транспортных средств общественного транспорта муниципалитета Брно. [46]
Распределение спектра для C-ITS в различных странах показано в следующей таблице. Поскольку стандартизация V2X в 802.11p предшествовала стандартизации C-V2X в 3GPP , распределение спектра изначально предназначалось для системы на основе 802.11p. Однако правила технологически нейтральны, поэтому использование C-V2X не исключено.
В 2022 году федеральные суды США сообщили FCC, что они могут перераспределить 45 МГц спектра V2X операторам беспроводной и сотовой связи, сославшись на годы неиспользования компонентами V2X.
Внедрение технологии V2X (продукты на базе C-V2X или 802.11p) будет происходить постепенно. Новые автомобили будут оснащены любой из двух технологий примерно с 2020 года, и ожидается, что их доля на дорогах будет постепенно увеличиваться. Volkswagen Golf 8-го поколения стал первым легковым автомобилем, оснащенным технологией V2X на основе технологии NXP. [47] Тем временем существующие (устаревшие) транспортные средства будут продолжать существовать на дорогах. Это означает, что автомобили с поддержкой V2X должны будут сосуществовать с автомобилями, не поддерживающими V2X (устаревшие), или с автомобилями V2X с несовместимой технологией.
Основными препятствиями на пути его принятия являются юридические вопросы и тот факт, что, если его не примут почти все транспортные средства, его эффективность будет ограничена. [48] Британский еженедельник The Economist в 2016 году утверждал, что автономное вождение в большей степени обусловлено правилами, чем технологиями. [49]
Однако исследование 2017 года [6] показало, что снижение дорожно-транспортных происшествий дает преимущества даже в переходный период, когда эта технология внедряется на рынке.
На эту тему написано множество книг и статей: