L’evoluzione dello Standard 3GPP C-V2X

L’evoluzione dello Standard 3GPP C-V2X
 

L’evoluzione dello Standard 3GPP C-V2X

Introduzione

Il 5G intende rispondere alle esigenze di una molteplicità di settori industriali che fino ad oggi dovevano rivolgersi a soluzioni verticali ad hoc, e intende quindi allargare l’ecosistema radiomobile ai mercati adiacenti, proponendosi come la piattaforma tecnologica della nuova rivoluzione industriale.
Fra gli ambiti applicativi del 5G merita particolare menzione il settore Automotive e in particolare il V2X, ossia la comunicazione fra il veicolo e altre entità quali altri veicoli (V2V), pedoni (V2P), elementi infrastrutturali (V2I) o elementi di rete (V2N), come rappresentato in Figura 1.
L’articolo si focalizza su quanto sviluppato dal 3GPP a partire da LTE, nell’ambito del percorso verso il 5G: dopo avere analizzato i requisiti di servizio, sono approfonditi gli aspetti sia di accesso radio sia di architettura di rete. In particolare, il 3GPP definisce le modalità per trasportare i messaggi V2X, senza entrare nel merito della definizione dei messaggi stessi, e demandando ai livelli applicativi superiori le logiche di servizio.
Anche l’IEEE ha sviluppato una soluzione per l’accesso radio specifica per applicazioni V2X, denominata IEEE 802.11p e adottata in USA per il sistema DSRC e in Europa per lo standard ITS-G5; per un approfondimento si rimanda al box dedicato.

 

Figura 1 - Applicazioni V2X [1]

Requisiti di servizio

Numerosi enti di standardizzazione negli ultimi 15 anni hanno formalizzato le possibili applicazioni per il V2X ed i relativi messaggi (ETSI ITS in Europa, SAE in USA, …). Pur non esistendo una classificazione universalmente accettata, queste possono essere suddivise nelle seguenti tipologie di servizi (Figura 2):

  • servizi di Road Safety, volti ad evitare incidenti e migliorare la sicurezza stradale;
  • servizi di Traffic management & efficiency, pensati per agevolare lo scorrimento del traffico;
  • servizi di Infotainment & Business, per creare valore sia al conducente sia ai passeggeri a bordo.

Quasi tutti i servizi di Road Safety e buona parte dei servizi di Traffic management & efficiency richiedono la trasmissione periodica di messaggi V2V/P/I a bassissima latenza e alta affidabilità (reliability). Un messaggio di Collision Warning, ad esempio, deve poter arrivare correttamente e in un tempo brevissimo a tutti i veicoli presenti nelle immediate vicinanze del veicolo (sarebbe inutile, oltre che uno spreco di capacità, trasmettere l’informazione oltre una certa distanza). Inoltre, è importante che il dato arrivi a tutti i veicoli indipendentemente dall’operatore di rete servente e anche nei casi in cui non sia presente una copertura di rete. Questi messaggi vengono quindi affidati a canali di trasporto diretti, in cui i dati sono trasmessi in broadcast senza dover viaggiare attraverso una rete. Grazie ad appositi meccanismi inseriti a livello applicativo, tali servizi vengono inoltre protetti da attacchi e manipolazioni, a tutela della sicurezza.

 

Figura 2 - Tipologie di servizi V2X

Nel 2015 si è avviato in 3GPP lo studio dell’adattamento della rete LTE a supporto delle applicazioni V2X (Cellular V2X, C-V2X), nell’ottica di specificare un trasporto adeguato sia ai messaggi V2V/P/I sia ai messaggi V2N a garanzia di una completa copertura e continuità di servizio. L’obiettivo del 3GPP è supportare lo sviluppo di nuove opportunità di business per l’industria delle telecomunicazioni arrivando ad un sistema con performance in grado di poter supportare tutti i livelli di autonomia di guida, dalla guida assistita (L1 dello schema SAE, v. Figura 3) fino a quello più sfidante e complesso della guida autonoma (L5), secondo un approccio a fasi incrementali.

 

Figura 3 - I livelli di guida autonoma del SAE [3]

I primi requisiti per il V2X in LTE (Release 14, [1]) abilitano use case di “basic safety” a supporto della guida assistita, come quelli riportati nel relativo riquadro in Figura 2. I KPI di riferimento per la comunicazione diretta sono fino a 100 ms di latenza, in funzione del servizio, con payload da 50 a 1200 byte, velocità massima di 250 km/h e rate fino a 10 messaggi/s. I messaggi relativi ai servizi con requisiti di latenza meno stringenti ma che necessitano di una diffusione su area più ampia, transitano via rete potendo tollerare ritardi fino a 1s. Dal punto di vista procedurale, la comunicazione diretta deve poter avvenire tra UE di Operatori diversi ed anche nei casi di assenza di copertura, con trasmissioni aventi priorità a richiesta dell’applicazione e, a tutela della privacy, rendendo impossibile a terze parti il tracciamento e la riconoscibilità dell’identità dei terminali V2X.
L’evoluzione del servizio in Release 15 prevede il supporto di use case più complessi quali il “platooning” (incolonnamento dinamico di un gruppo di veicoli a minima distanza di sicurezza), l’“extended sensor” (raccolta di dati da sensori locali o remoti, es. video da altri veicoli, per una rappresentazione comune dell'ambiente circostante), l’”advanced driving” (sincronizzazione e coordinamento delle traiettorie e intenzioni di manovra, a supporto dei livelli L2-L5), ed il “remote driving” (guida con conducente remotizzato). Ne derivano requisiti di performance più stringenti (v. Figura 4) che solo in parte possono essere soddisfatti da un’evoluzione lineare del sistema EPS/LTE (eV2X, [4]) e che più in generale richiedono un ripensamento delle architetture radio e rete in ottica 5G.

 

Figura 4 - KPI significativi per servizi eV2X Release 15 [4]

Infine gli sviluppi più recenti (Release 16, stage 1 in completamento a dicembre 2018) indicano la necessità di una maggiore interazione tra Telco e applicazioni con l’obiettivo di migliorare l’efficacia dei servizi V2X, sia rispetto ai canoni di sicurezza sia in termini di user experience. Risulta fondamentale, a questo proposito, la capacità del sistema di offrire una predizione del livello di QoS a disposizione delle applicazioni V2X.  Ad esempio un’applicazione di rete che assiste un veicolo a guida autonoma potrebbe allertare il conducente a prepararsi al subentro della guida manuale se, in base alla traiettoria pianificata e alla velocità, prevedesse un degrado dei livelli di connettività di rete. Ultimo aspetto altrettanto importante e significativo in termini di business riguarda la valorizzazione dei big data di connettività (es. log temporizzati delle trasmissioni/ricezioni, localizzazione, andamento delle performance…) che potrebbe arricchire in ottica B2B le offerte dei Telco verso le terze parti (ad esempio, case automobilistiche, assicurazioni, ecc. per manutenzione predittiva, profilatura stili di guida, …) nell’interesse di una superiore customer experience per l’utente finale.

 

Aspetti radio e frequenze

L’accesso radio LTE V2X è stato introdotto dal 3GPP in Release 14. Le caratteristiche delle comunicazioni V2X hanno richiesto modifiche all’interfaccia radio LTE, in funzione dei requisiti da soddisfare. In particolare, un elemento chiave che ha guidato i lavori del 3GPP è la presenza o meno della rete nelle aree in cui effettuare le comunicazioni. Questo ha portato alla specifica di due modalità di comunicazione:

  • Comunicazioni V2V/P/I basate sull’interfaccia PC5 – questa interfaccia mette in comunicazione diretta due device, senza prima passare dalla rete: il segnale trasmesso da un device è ricevuto direttamente dagli altri device.
    Questa tipologia si suddivide ulteriormente in due modalità: Mode 3 e Mode 4. Nel Mode 3, le comunicazioni avvengono in copertura di rete e la stazione radio base gestisce le risorse radio in modo da massimizzare le prestazioni radio. Il Mode 4 è richiesto in aree senza copertura cellulare (ma può essere utilizzato anche in presenza di rete); in questa modalità i device gestiscono direttamente l’utilizzo delle risorse radio.
  • Comunicazioni V2N basate sull’interfaccia Uu – questa interfaccia connette i device con la stazione radio base LTE (eNB), operando quindi come nelle normali comunicazioni e potendo anche realizzare comunicazioni di tipo V2N2V/P/I.
 

Figura 5 - Comunicazione V2X utilizzando a) l’interfaccia PC5 e b) l’interfaccia Uu [5]

Le diverse metodologie sono illustrate in Figura 6. La soluzione basata su interfaccia Uu non differisce dal normale processo di comunicazione tra device e stazione radio base. I vantaggi sono molteplici: il riutilizzo di terminali commerciali senza necessità di modifiche, il riutilizzo dell’infrastruttura di rete esistente e throughput paragonabile a quello delle comunicazioni commerciali. Il vantaggio principale però è nel permettere un raggio di comunicazione più ampio, anche al di fuori della stretta prossimità e in caso di non visibilità diretta tra i terminali (es. nel caso di edifici che possono bloccare la ricezione del segnale PC5). Lo svantaggio principale è dato dal fatto che la latenza è maggiore rispetto al caso PC5, in quanto la comunicazione deve transitare per la rete. La modalità PC5 minimizza la latenza, in quanto non è mediata dalla rete, ma presenta una serie di svantaggi: necessità di terminali “ad-hoc”, ovvero che supportino la modalità di comunicazione diretta; raggio di comunicazione limitato ad alcune centinaia di metri; difficoltà di comunicazione tra terminali non in visibilità diretta; gestione non ottimizzata delle risorse radio.
La modalità PC5 è progettata per poter operare in bande non licenziate e richiede tecniche di sincronizzazione dei terminali basati su ausili esterni (ad es. il GPS). Da studi effettuati in 3GPP [6] risulta infatti che la coesistenza tra modalità PC5 ed Uu comporta un forte degrado del throughput sia per le comunicazioni V2X sia per quelle “commerciali”. Per ovviare a questo inconveniente, il 3GPP ha specificato la possibilità di trasmettere simultaneamente in modalità PC5 in banda non licenziata ed in modalità Uu in banda licenziata. Questa tecnica permette di segregare le due modalità di trasmissione eliminando i problemi di interferenza reciproca, aumentare il throughput e sfruttare i vantaggi di entrambe le modalità.
Anche relativamente all’accesso radio, durante la Release 15 il 3GPP ha introdotto miglioramenti tecnologici, essenzialmente per ridurre la latenza ed aumentare il throughput. In Release 16 è iniziato a giugno 2018 il lavoro per specificare soluzioni V2X (basate sia su PC5 sia su Uu) con la tecnologia NR. Il principio è quello di complementare i servizi offerti con LTE, sfruttando la miglior efficienza spettrale di NR e quindi offrire migliori prestazioni radio.

 

Frequenze radio

Il 3GPP ha definito una banda ad hoc per le trasmissioni PC5, ovvero la banda 47 da 5855 a 5925 MHz. Questa è una banda non licenziata per cui altre tecnologie possono coesistere e quindi creare interferenza, e include la banda 5875-5905 MHz individuata a livello EC per le applicazioni ITS relative alla sicurezza. In particolare, un’altra tecnologia che è prevista utilizzare questa banda è DSRC/G5, basata sull’accesso radio IEEE 802.11p e specificata in Europa da ETSI ITS (v. box dedicato). Il 3GPP ha effettuato anche valutazioni di coesistenza tra ITS-G5 e LTE PC5, analizzando i livelli di mutua interferenza fra i due sistemi e concludendo che sono da considerarsi “buoni vicini”.

Tuttavia la coesistenza dei due sistemi non è accettata dai sostenitori della tecnologia ITS-G5, i quali asseriscono che il relativo standard è pronto da circa dieci anni e quindi l’uso dello spettro dovrebbe essere riservato alla tecnologia “incumbent”.
Il tema è ancora in fase di discussione nei diversi tavoli normativi, ed è in discussione anche una possibile soluzione di compromesso: la banda 5875 – 5905 MHz potrebbe essere suddivisa in tre canali da 10 MHz, per cui sarebbe possibile effettuare una segregazione delle due tecnologie su canali diversi, come illustrato in Figura 6. Questa soluzione rappresenterebbe un compromesso non ideale in quanto entrambe le tecnologie vedrebbero ridotte le risorse a loro disposizione. D’altro canto permetterebbe un periodo di coesistenza iniziale, in attesa che il mercato, o un eventuale pronunciamento regolatorio, decida la tecnologia vincente.
Un’altra soluzione per mitigare i problemi di coesistenza potrebbe essere quella di estendere la banda dedicata alle applicazioni ITS. A livello europeo è infatti prevista la possibilità di individuare per ITS ulteriori 20 MHz per applicazioni safety (5905-5925 MHz), oltre alla possibilità di ulteriori 20 MHz (5855-5875 MHz) per altre applicazioni ITS. Questa però non sarebbe una soluzione attuabile nel brevissimo termine, in quanto richiederebbe l’armonizzazione dell’uso dello spettro a livello europeo, con la definizione delle relative regole di utilizzo.

 

Figura 6 - Proposta di segregazione dei canali radio per minimizzare l’interferenza tra DSRC e LTE V2X

Architettura di rete

L’architettura V2X 3GPP sviluppata come estensione dell’architettura LTE/EPC in Release 14 è stata completata a settembre 2016 (la definizione dei protocolli è terminata a marzo 2017). Le principali novità architetturali consistono nell’introduzione di un nuovo server V2X Control Function nella Home PLMN e di uno o più Application Server V2X, di proprietà anche di terze parti.
L’architettura in Figura 7 rappresenta il caso più generale di uno UE V2X (sottoscritto alla PLMN A e in roaming sulla PLMN C) che comunica con un altro UE V2X (sottoscritto alla PLMN B) via PC5, e con un Application Server V2X via rete (LTE-Uu). Mentre le comunicazioni in uplink verso l’Application Server avvengono sempre in unicast, quelle in downlink possono avvenire sia in unicast sia in broadcast utilizzando MBMS (non mostrato in figura). 

 

Figura 7 - Proposta di segregazione dei canali radio per minimizzare l’interferenza tra DSRC e LTE V2X

Il V2X Control Function gestisce le autorizzazioni e i parametri di provisioning del servizio di ogni UE, tramite reference point V3. In particolare, il V2X Control Function autorizza l’uso della comunicazione PC5 nei casi di assenza di copertura di rete e comunica la lista delle PLMN in cui è consentita la trasmissione via PC5 nei casi di copertura di rete. I parametri di provisioning includono le informazioni necessarie allo UE per trasmettere/ricevere (es. frequenze radio da usare per la trasmissione PC5 o set di canali MBMS su cui “sintonizzarsi”) e per interagire con i livelli applicativi superiori (es. mapping tra servizi V2X e indirizzi di destinazione).
Gli Application Server di rete, invece, ospitano le applicazioni V2X che dialogano con le rispettive istanze sullo UE, tramite reference point V1 (non specificato da 3GPP in quanto nel dominio applicativo). Per minimizzare il ritardo ed aumentare la reliability delle trasmissioni, gli Application Server possono essere dispiegati in prossimità dell’accesso radio, ad una distanza tale da minimizzare la densità di apparati per area geografica senza ulteriore degrado delle prestazioni. È per tale motivo che le applicazioni V2X si candidano naturalmente ad essere ospitate su piattaforme di edge computing (MEC), aspetto approfondito nell’apposito riquadro.
Il requisito di comunicazione tra UE di Operatori diversi implica che i messaggi trasmessi dagli UE dell’operatore A debbano essere ricevuti da tutti gli altri UE, indipendentemente dall’operatore di appartenenza, e viceversa. Per la comunicazione diretta in Mode 4 è necessario per questo pre-configurare le risorse radio da utilizzare direttamente sugli UE V2X (o sulle USIM, se presenti), oppure scaricarle dal server V2X Control Function. Per le comunicazioni via rete, invece, il requisito di comunicazione inter-operatore implica che i messaggi inviati all’Application Server V2X siano ritrasmessi da questo a tutti gli UE presenti in una certa area geografica. Il traffico downlink generato dall’Application Server potrà quindi essere instradato direttamente verso i gateway di riferimento delle PLMN partecipanti al servizio, oppure prima verso gli Application Server di riferimento delle singole PLMN e poi da questi ai rispettivi gateway. Nel caso gli Application Server risiedano su piattaforme di edge computing, occorrerà dunque abilitare interconnessioni IP all’edge di rete.
Come accennato sopra, è anche prevista la possibilità di servizio senza USIM. In questo caso lo UE potrà usare solo la comunicazione PC5 su spettro non licenziato. Le comunicazioni via LTE-Uu potrebbero essere sostituite da comunicazioni V2I tra UE e Road Side Unit (RSU), con RSU connesse direttamente alle piattaforme di servizio di rete.
In Release 15, il 3GPP non ha prodotto modifiche sostanziali all’architettura appena descritta. Al momento della stesura di questo articolo è in corso di studio una nuova architettura basata sul sistema 5G, che dovrebbe essere finalizzata nell’ambito della Release 16 entro il 2019. Le novità principali includeranno:

  • il riuso dell’architettura service-based della 5G Core e del network slicing, per dispiegare agilmente reti virtualizzate a supporto di diversi servizi e scenari V2X;
  • l’evoluzione del server V2X Control Function in una 5G Network Function di puro controllo, per migliorare la scalabilità del sistema al crescere del numero degli UE, ed infine
  • una separazione più spinta del piano controllo da quello dati, per consentire dispiegamenti più flessibili che, ad esempio, distribuiscano su edge data center le applicazioni V2X mantenendo centralizzate le funzioni di controllo.

 

Conclusioni

Le comunicazioni V2X stanno assumendo un’importanza sempre maggiore, come testimonia la crescente attenzione sui media. Le comunicazioni V2X sono infatti alla base dei prossimi sviluppi dell’industry automotive verso le auto connesse e i nuovi modelli di mobilità, e catalizzano quindi gli interessi di molteplici settori industriali.
Il 3GPP ha definito, nell’ambito del percorso verso il 5G, una soluzione in grado di rispondere sia ai requisiti delle comunicazioni dirette fra i veicoli e gli altri utenti della strada, sia alle esigenze dei servizi che richiedono una più ampia diffusione dei messaggi e quindi l’utilizzo della rete. In questo modo la soluzione C-V2X del 3GPP intende portare nel mondo automotive i benefici dell’intero ecosistema mobile e in particolare del 5G.

 

Bibliografia

  1. 3GPP TS 22.185 Service requirements for V2X services.
  2. 3rd Generation Partnership Project, http://www.3gpp.org
  3. Society of Automotive Engineers, https://www.sae.org
  4. 3GPP TS 22.186 Service requirements for enhanced V2X scenarios
  5. 3GPP TR 21.914 Release description; Release 14
  6. 3GPP TR 36.785 “Vehicle to Vehicle (V2V) services based on LTE sidelink; User Equipment (UE) radio transmission and reception”
  7. 3GPP TS 23.285 Architecture enhancements for V2X services
  8. Intelligent Transport Systems, https://portal.etsi.org/TBSiteMap/ITS/ITSToR
  9. ETSI EN 302 663 - ITS-G5 Access layer specification for Intelligent Transport Systems operating in the 5 GHz frequency band
  10. ETSI EN 302 637 - Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 2: Specification of Cooperative Awareness Basic Service
  11. ETSI EN 302 637 - Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 3: Specifications of Decentralized Environmental Notification Basic Service.
  12. ETSI GR MEC 022 v 2.1.1 (2018-09) - Multi-access Edge Computing (MEC); Study on MEC Support for V2X Use Cases.
 

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