C-V2X y DSRC

El desarrollo y la implementación de la tecnología de automóviles conectados y vehículos autónomos se está acelerando actualmente y conlleva la expectativa de una gran transformación de la forma en que se utilizan los vehículos y la infraestructura de transporte. El concepto de introducir la conectividad inalámbrica en vehículos, autopistas y otras estructuras al borde de la carretera es ambicioso y está respaldado por el desarrollo de Sistemas Cooperativos de Transporte Inteligente (C-ITS). Con la implementación de este tipo de comunicación, las ciudades inteligentes e incluso los coches autónomos tienen el potencial de materializarse. Este compendio echa un vistazo a las dos tecnologías competidoras que soportan C-ITS: C-V2X y DSRC y aborda cómo funcionan, sus aplicaciones clave y cuál de las dos tiene más probabilidades de convertirse en dominante en la era del transporte inteligente.

¿Qué es C-V2X?

Cellular Vehicle to Everything o Cellular V2X es un estándar de tecnología celular ideado por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) que especifica la conectividad celular y las comunicaciones entre vehículos y otros objetos en red adecuados.

C-V2X es una forma de vehículo conectado a todo lo relacionado con la comunicación o V2X.

V2X es un sistema de comunicación vehicular inalámbrico de corto alcance que implica la transferencia de datos entre un vehículo en red y los objetos físicos y el entorno con el que se encuentra o interactúa. Es una amalgama de varios módulos distintos de comunicación vehicular, que incluyen:

• Vehículo a vehículo (V2V): un sistema de conectividad directa entre vehículos para mejorar los sensores a bordo y los mecanismos de alerta temprana en red.
• Vehicle to network (V2N) que proporciona conectividad entre los vehículos y el espectro móvil con licencia para "infoentretenimiento": noticias, música en streaming y entretenimiento, así como gestión de rutas y alertas de red.
• El vehículo a la infraestructura (V2I) conecta un automóvil preparado con la infraestructura de carretera que lo rodea, como señales, señalización, semáforos y cabinas de peaje.
• Vehículo a peatón (V2P) que permite alertar a un vehículo sobre personas cercanas que llevan o están en posesión de un dispositivo compatible.

La tecnología V2X se concibió inicialmente con el objetivo de mejorar la seguridad vial y la utilidad y eficiencia de las infraestructuras de transporte. En 2016, en un documento titulado 'Tecnología de comunicación de vehículo a vehículo para vehículos ligeros', la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) sugirió que se podría lograr una caída de al menos el 13% en el número anual de accidentes de tráfico con la implementación de este tipo de tecnología. Mediante la conexión de vehículos y la creación de sistemas de transporte inteligentes cooperativos, se pueden diseñar soluciones ágiles y receptivas a problemas como la contaminación y la congestión del tráfico para mejorar significativamente el uso de las carreteras.

El consorcio 3GPP creó C-V2X como una alternativa impulsada por celulares al estándar IEEE V2X 802.11p que utiliza W-LAN. C-V2X fue precedido por este sistema W-LAN, que también se conoce como Comunicaciones Dedicadas de Corto Alcance (DSRC).

En su lugar, C-V2X utiliza  la evolución a largo plazo y la tecnología e infraestructura celular 5G para la conectividad necesaria de los vehículos en línea con los requisitos de V2X. Donde se usa LTE, se llama LTE-V2X, pero se espera que evolucione para utilizar el despliegue global de 5G que está en curso. La comunicación celular se utiliza para enviar y recibir paquetes de datos de señales de tráfico, otros usuarios de la carretera y servicios basados en la nube. No depende de una red específica para su funcionamiento y tiene una cobertura que supera el kilómetro.

C-V2X tiene dos modos de funcionamiento clave. El primer modo supervisa la comunicación directa entre los vehículos compatibles, los usuarios de la carretera y la infraestructura dentro de las proximidades del vehículo. Esta comunicación no requiere conectividad de red celular. En segundo lugar, el vehículo puede acceder a una red de telefonía móvil para acceder a alertas de información sobre las condiciones del tráfico.

Aplicaciones notables de C-V2X:

1. Conducción cooperativa. La conectividad C-V2X se puede utilizar para crear un ecosistema vehicular en el que las comunicaciones V2V entre vehículos les permitiera trabajar juntos transmitiendo la intención del conductor, promoviendo un espaciado óptimo y limitando maniobras inesperadas como frenadas bruscas o cambios de carril.
2. Platooning. Los convoyes semiautónomos e incluso autónomos de vehículos pesados pueden formarse y controlarse mediante C-V2X. La conectividad celular e inalámbrica involucrada se puede utilizar para espaciar los vehículos de cerca y regular sincrónicamente la velocidad, el frenado y el consumo de combustible, lo que hace que el transporte sea más eficiente desde el punto de vista energético y rentable.
3. Prevención de colisiones. El uso C-V2X de la banda de Sistemas Inteligentes de Transporte tiene como objetivo mejorar la seguridad vial. La comunicación V2X tiene la capacidad de manejar el intercambio de información entre múltiples vehículos e infraestructura, agregando datos para la creación de mapas en tiempo real que pueden identificar el riesgo de colisión para los usuarios de la carretera.
4. Aviso de cola. Las alertas en tiempo real pueden actualizar a los usuarios de la carretera sobre la próxima congestión o colas, lo que significa que los conductores pueden frenar suavemente o cambiar de dirección o carril de manera oportuna.

C-V2X cuenta con un importante apoyo de la industria del automóvil, que percibe especialmente que C-V2X es ventajoso por las razones que se analizan más adelante en este artículo.

La primera especificación basada en LTE se lanzó en 2016 y se llevaron a cabo investigaciones y desarrollos posteriores con el respaldo de la Asociación Automotriz 5G (5GAA) de 60 miembros. El impulso de C-V2X ha sido un esfuerzo de colaboración entre las industrias automotriz y de telecomunicaciones y los organismos gubernamentales y reguladores regionales, incluido el Gobierno Federal de EE. UU. y la Unión Europea. Más de 800 operadores móviles también están participando en la facilitación de despliegues globales generalizados de conformidad con el estándar C-V2X del 3GPP. Aunque la implementación se encuentra en una etapa incipiente, C-V2K ha obtenido el apoyo de los fabricantes de automóviles con numerosos proyectos precomerciales en curso. El objetivo a largo plazo es que C-V2X se convierta en una tecnología implementada a nivel mundial que podría allanar el camino para vehículos totalmente autónomos o autónomos.

¿Qué es DSRC?

Dedicated Short Range Communications es la tecnología V2X alternativa que proporciona transferencia de datos inalámbrica simple o bidireccional diseñada específicamente para la industria automotriz. Se basa en el estándar IEEE 802.11, 802.12p que se refiere específicamente a las aplicaciones de Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Esta variante de Wi-Fi especifica un sistema de comunicación entre los vehículos y la infraestructura y los objetos circundantes que es:

• seguro
• Alta velocidad
• Baja latencia
• directo

Su distinción más importante y la supuesta ventaja es que no depende de las redes celulares a pesar de su movilidad. La creación de este sistema de conectividad vehicular se remonta a 1999 con la designación de la Comisión Federal de Comunicaciones de 75 MHz en la banda de 5.9 GHz para uso de Sistemas Inteligentes de Transporte, con asignaciones similares realizadas a nivel internacional. Pronto siguieron las aplicaciones de esta conectividad basada en W-LAN, como las recogidas de peajes y las alertas de la red de tráfico y la notificación a los servicios de emergencia en caso de accidente.

¿Cómo funciona DSRC?

DSRC se basa en dos componentes clave:

1. Equipo de a bordo (OBE): Este es el hardware para DSRC que se encuentra dentro del vehículo y comprende la configuración de radiofrecuencia  necesaria para ejecutar esta tecnología, así como una interfaz frontal para que la use el conductor. Por lo general, se instala en el tablero del vehículo.
2. Equipos de carretera (RSE): se instalan muy cerca de la carretera y consisten en el equipo de radiocomunicaciones necesario para el intercambio de datos con la EFC de un vehículo.

Las señales de radio intercambiadas entre la OBE y la RSE se pueden utilizar para señalización, alertas o, por lo general, para el procesamiento seguro de pagos en las autopistas de peaje. Ambas clases de dispositivos de comunicación por radio están autorizadas y reguladas por la FCC.

Dos variantes regionales clave de DSRC que actualmente no son compatibles entre sí:

1. La versión estadounidense de 802.11p conocida como Acceso inalámbrico en entornos vehiculares (WAVE)
2. ETSI ITS-G5, que es la versión de la Unión Europea que cubre las comunicaciones inalámbricas de corto alcance en vehículos.

Las comunicaciones DRSC se ven favorecidas debido a su seguridad y privacidad, ya que las comunicaciones entre los vehículos y la infraestructura u objetos deben autenticarse y no se pueden rastrear hasta vehículos específicos. Sin embargo, los vehículos en red transmitirán su ubicación, velocidad y dirección hasta 10 veces por segundo. Estas transmisiones pueden ser captadas por vehículos cercanos, peatones o infraestructura de transporte para ayudar a reducir el riesgo de colisión u otros peligros.

Aplicaciones clave que utilizan DSRC

Cobro electrónico de tarifas (EFC). Las autopistas de peaje son un medio clave para aumentar los ingresos de las entidades públicas y privadas, así como para reducir la congestión y la contaminación. En Europa, el DSRC se ha utilizado con éxito para una serie de sistemas de tarificación vial en los que los conductores tienen un vehículo compatible. DSRC permite que los cargos de los usuarios de la carretera se cobren automáticamente, sin necesidad de que el vehículo disminuya la velocidad o se detenga, y puede admitir una variedad de estrategias de precios y pago. Los pagos electrónicos de estacionamiento también se pueden obtener de la misma manera.

El control de acceso puede ser necesario en fincas o carreteras privadas, o en caso de emergencia en la que sea necesario desviar el tráfico. DSRC se puede utilizar para alertar a los conductores sobre tramos restringidos de la carretera o como parte de un sistema de barrera automática. DSRC se puede usar de manera similar para advertencias en intersecciones de carreteras y ferrocarriles.

Prioridad de señal de vehículos de emergencia DRSC es deseable como una solución para el control de tráfico inteligente que prioriza el acceso para vehículos de emergencia. Estos sistemas utilizan semáforos adaptativos que se pueden controlar a través de semáforos habilitados para DSRC y unidades de carretera para advertir a los conductores que se acercan que un vehículo de emergencia está cerca o alterar los semáforos para priorizar un vehículo de emergencia en tránsito.

Las señales escolares son un ejemplo notable de cómo se puede utilizar DSRC de manera efectiva en beneficio tanto de los usuarios de la carretera como de los peatones. Por lo general, son señales iluminadas y colocadas estratégicamente que parpadean para los conductores cuando exceden los límites de velocidad establecidos en las proximidades de las escuelas. DSRC se puede utilizar para alertar directamente a los conductores en una interfaz de tablero de la necesidad de reducir la velocidad a través de balizas de seguridad de zona escolar adecuadamente mejoradas. En junio de 2020, la FCC concedió a la empresa estadounidense Applied Information una licencia ITS a nivel nacional para desarrollar soluciones V2I, que incluyen balizas escolares.

La implementación de DSRC ha sido liderada principalmente por EE. UU. con comunicación V2V y V2I, pero en 2017 Toyota se convirtió en el primer fabricante de automóviles del mundo en construir automóviles con conectividad DSRC para el mercado japonés. Chrysler siguió con un Cadillac equipado con DSRC en 2018.

Frecuencias utilizadas para la comunicación de Vehicle to Everything.

Tanto C-V2X como DSRC operan a la frecuencia de 5,9 GHz en una banda que ha sido designada internacionalmente como la banda del Sistema de Transporte Inteligente. Los reguladores han reservado una parte específica de esta banda de frecuencias, normalmente entre 5 875 y 5 905 MHz, para las comunicaciones radioeléctricas relacionadas con la seguridad realizadas por V2X. Una banda de frecuencia por debajo de 6 GHz es adecuada para la cobertura de área amplia necesaria para la conectividad V2X.

En 2017, el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSMA, por sus siglas en inglés) insistió en que la designación de la banda de frecuencia debía ser neutral desde el punto de vista tecnológico y capaz de hacer frente a los rápidos avances en las soluciones de transporte inteligente. En la actualidad, ni C-V2X ni DSRC han sido exigidos por los reguladores regionales, y actualmente se están explorando soluciones para la coexistencia funcional de ambas formas de V2X dentro de la banda ITS.

De 3,4 a 3,8 GHz

Se ha sugerido utilizar el espectro en la gama de 3,4 a 3,8 GHz para aplicaciones automotrices basadas en la seguridad, ya que aún no se ha asignado para un propósito específico en varios países. El uso de esta banda de frecuencia también permitiría utilizar más espectro en el rango de 5-6 GHz para la expansión y mejora de WiFi. Esta frecuencia más baja también se considera más favorable y robusta para aplicaciones que requieren movilidad, donde una o ambas partes conectadas están en tránsito y la línea de visión es limitada. Además, las antenas ITS utilizadas para esta frecuencia no serían prohibitivamente grandes. Pero el uso de la banda de 3,4 a 3,8 GHz en lugar de 5,9 GHz, que ya se ha asociado con ITS, podría reducir el ancho de banda disponible para los próximos despliegues de 5G.

5,9 GHz

Esta frecuencia también tiene algunas limitaciones clave que deberán superarse para obtener la máxima utilidad de V2X en un entorno complejo del "mundo real".

En primer lugar, la alta frecuencia portadora de esta banda es susceptible a comportamientos ópticos durante la propagación, tales como:

• Reflexiones
• refracción
• difracción
• polarización
• dispersión
• absorción

La longitud de onda de 5 cm de las señales de radiofrecuencia en esta banda puede verse afectada por obstrucciones durante la transmisión con poca penetración de edificios y vegetación densa. La línea de visión entre las antenas V2X emisoras y receptoras es preferible, pero no siempre se puede lograr, especialmente en entornos urbanos. Sin una línea de visión y con el desafío adicional de la movilidad, V2X a esta frecuencia depende en gran medida de un fuerte multitrayecto para una transferencia de datos efectiva.

Consideraciones sobre la antena V2x

Lo mejor es usar una antena combinada que tenga varias antenas internas; cada antena interna tiene un cable de antena con un conector que puede conectar a su dispositivo. Esto ahorra mucho espacio en la superficie de su vehículo o en la superficie de una carcasa o caja a prueba de agua. Las antenas combinadas pueden tener, por ejemplo, una o dos antenas LTE internas, una antena GPS interna y una o dos antenas de 5,9 GHz para C-V2X y/o DSRC. Data Alliance ofrece antenas combinadas que incluyen de dos a siete antenas internas con dos a siete cables a SMA o conectores o su elección.

La instalación de la antena es fundamental para que V2X funcione de manera óptima a 5,9 GHz.

La longitud de onda y la propagación de la señal de RF a 5,9 GHz son los factores que afectan a la colocación de la antena en lugar del uso de la tecnología C-V2X o DSRC.

La ubicación adecuada de la antena en muchos tipos de vehículos puede ser difícil debido al tamaño del vehículo o a la curvatura de sus techos. Por ejemplo, los vehículos pesados (HGV) tienen un remolque que tiene una altura mayor que la cabina y pueden tener una cobertura de radio limitada si hay una antena montada en la cabina, ya que el remolque obstruirá la línea de visión desde detrás de la antena. Es posible que se necesiten varias antenas para proporcionar una cobertura adecuada en este escenario.

Los techos curvos de muchos modelos de automóviles son conocidos por los problemas que causan con el despliegue de la antena, especialmente cuando se ubican cerca de la base del techo. La antena de aleta de tiburón en muchos modelos de vehículos no proporciona el rendimiento necesario para adquirir y transmitir señales entre objetos en movimiento. Al igual que las antenas GPS, el centro del techo sería una posición preferible para una antena V2X. Las altas tasas de atenuación de  la señal a esta frecuencia también significan que la distancia entre una antena instalada y el receptor del vehículo debe mantenerse al mínimo absoluto. También será imperativo el uso de conectores de radiofrecuencia de grado automotriz, como los conectores FAKRA que pueden admitir frecuencias de hasta 6 GHz.

Tipos de conectores comunes utilizados en sistemas V2X

Conectores U.FL y MHF4: Conectores pequeños y de bajo perfil que se utilizan comúnmente debido a las limitaciones de espacio.

Conectores SMA: Conectores roscados que ofrecen una mejor durabilidad y un mayor manejo de potencia en comparación con U.FL y MHF4.

Conectores RP-SMA: Variación de polaridad inversa de los conectores SMA para evitar desajustes accidentales.

C-V2X frente a DSRC

A pesar de que ambas formas de V2X pueden funcionar a 5,9 GHz, es probable que el uso de esta frecuencia por ambos sistemas simultáneamente cause interferencias perjudiciales, por lo que existe presión, especialmente por parte de los fabricantes de automóviles, para decidirse por una u otra forma de tecnología automotriz que pueda implementarse internacionalmente. Además, es probable que el desarrollo y la adopción de un estándar único o de cualquier licencia necesaria se acelere una vez que los reguladores, los gobiernos y los fabricantes estén de acuerdo sobre qué tipo de V2X se prefiere.

En los EE.UU., DSRC ha estado en desarrollo durante más de dos décadas, con espectro reservado para su uso en ITS de acuerdo con la Ley de Equidad en el Transporte para el Siglo XXI. Sin embargo, ha habido pocos avances en la implementación generalizada de sistemas DRSC en vehículos de consumo o en la infraestructura de transporte, más allá de proyectos especializados relacionados con el tráfico que no han sido ampliamente utilizados. Mientras tanto, el estancamiento de la DSRC ha llevado a que otras tecnologías de seguridad del automóvil pasen a primer plano, a menudo desarrolladas por los fabricantes y utilizando una gama de frecuencias sin licencia. Tecnologías como el radar de largo alcance, LiDAR y las cámaras utilizadas para el frenado de emergencia, el control de crucero adaptativo y el estacionamiento mejorado se han generalizado y los sistemas de tablero integrados en GPS con software de entretenimiento a bordo, como Android Auto y Apple Car Play, son la norma. Las características de seguridad y la funcionalidad que se esperaba que fueran del dominio de DSRC, como las alertas de mantenimiento de carril, se han logrado independientemente de esta tecnología y amenazan con dejar obsoleto a DSRC.

Ahora, la industria automotriz está tratando de liderar la armonización de la comunicación ITS apoyando a C-V2X.

C-V2X está llegando a la vanguardia como una tecnología capaz de proporcionar un ecosistema de seguridad vehicular no solo funcional sino escalable mientras utiliza el ancho de banda existente reservado en la banda ITS. La combinación de la experiencia en la industria automotriz y la innovación en comunicación celular ha demostrado ser formidable y existe una determinación conjunta de ver esta tecnología completamente establecida.

Ventajas de la participación del operador de red celular en C-V2X

• Los operadores móviles aportan considerables recursos, infraestructura y propiedad intelectual a C-V2X, que DSRC ha encontrado difíciles de replicar.
• Una gran ventaja es el uso de la red celular existente que LTE-V2X, y más tarde la quinta generación, aprovecharán.
• Junto con la infraestructura de red viene la experiencia en el mantenimiento de la red y la garantía de las comunicaciones móviles robustas y seguras necesarias para un despliegue generalizado de V2X.
• La gestión, el procesamiento y el almacenamiento de datos en sí mismos son una inversión considerable que ha obstaculizado el progreso de DSRC, pero una vez más, los operadores móviles ya tienen la ventaja de contar con esta infraestructura crítica.
• La industria de las telecomunicaciones móviles ya ha establecido un diálogo con los reguladores de las comunicaciones por radio, que será necesario para aprovechar al máximo el ancho de banda de ITS y garantizar que la tecnología cumpla con la normativa.

Estos beneficios únicos de la red celular hacen que sea más fácil trabajar con tecnología de seguridad en el transporte que construir la red de comunicaciones completamente nueva que se requeriría para la implementación de DSRC. La red celular se puede usar fácilmente para proporcionar las alertas y actualizaciones oportunas necesarias para peligros fuera de la vista del conductor y puede asociarse con la adquisición de datos de los sensores a bordo, el radar o la óptica de un vehículo, especialmente cuando las condiciones son malas.

Asociación con GNSS / GPS

Los sistemas globales de navegación por satélite, como el GPS, son necesarios para los servicios de localización y navegación que ahora son estándar para los vehículos modernos y también se espera que desempeñen un papel fundamental en el avance de las tecnologías de vehículos autónomos. Sin embargo, se sabe que todas las formas de GNSS tienen una visibilidad limitada en entornos urbanos o vegetación densa, lo que provoca retrasos o fallos en la localización de los vehículos en una serie de entornos. La red celular ya ha proporcionado una solución para mejorar el tiempo hasta la primera fijación (TTFF) del GPS con el desarrollo del GPS asistido, que se basa en el posicionamiento de la red celular para localizar o zonificar un dispositivo habilitado para GPS o, en este caso, un vehículo. Esta tecnología, también conocida como GPS aumentado, depende en gran medida de los datos de las torres de telefonía móvil y los ISP y acelerará en gran medida la puesta en marcha del GPS en condiciones típicamente pobres en las que puede haber una reflexión significativa y múltiples rutas.

Los estándares y protocolos de la tecnología A-GPS son creados por 3GPP, poseen las capacidades necesarias para adaptar e integrar esta tecnología existente en C-V2X, mejorando su rendimiento y potencialmente su precisión

La FCC ya ha hecho que el A-GPS sea un requisito para los teléfonos con capacidad GPS para que los datos de ubicación puedan estar disponibles para los servicios de emergencia si es necesario. El sistema europeo E-call en los automóviles se basa en principios similares y también utiliza el GPS.

En conclusión

Tanto C-V2X como DSRC son reconocidos por ofrecer una utilidad significativa como tecnologías de conectividad de vehículos que sirven para una variedad de propósitos de seguridad, información y navegación que pueden hacer que la infraestructura de transporte sea más segura y eficiente. C-V2X se está adelantando actualmente a DSRC con un consenso de opinión a favor de su implementación en las industrias automotriz y de telecomunicaciones. Como se ha explorado anteriormente, parece ofrecer una conectividad escalable para el transporte, con la capacidad de evolucionar e interactuar con las tecnologías automotrices desarrolladas simultáneamente. Con protocolos y estándares sólidos que parecen cumplir con los requisitos de los Sistemas de Transporte Inteligentes en todo el mundo, parece probable que C-V2X sea el competidor a través del cual se realizarán los vehículos autónomos.