C-V2X et DSRC:

Le développement et la mise en œuvre de la technologie des voitures connectées et des véhicules autonomes s'accélèrent actuellement et laissent entrevoir une transformation majeure de l'utilisation des véhicules et des infrastructures de transport. Le concept d'introduire une connectivité sans fil dans les véhicules, les autoroutes et autres structures en bordure de route est ambitieux et est sous-tendu par le développement de systèmes de transport intelligents coopératifs (STI-C). Avec la mise en œuvre de ce type de communication, les villes intelligentes et même les voitures autonomes ont le potentiel de se réaliser. Ce condensé examine les deux technologies concurrentes qui prennent en charge les C-ITS: C-V2X et DSRC et aborde leur fonctionnement, leurs applications clés et laquelle des deux est la plus susceptible de devenir dominante à l'ère du transport intelligent.

Qu'est-ce que le C-V2X?

Cellular Vehicle to Everything ou Cellular V2X est une norme de technologie cellulaire conçue par le projet de partenariat de 3e génération (3GPP) qui spécifie la connectivité cellulaire et les communications entre les véhicules et d'autres objets en réseau appropriés.

Le C-V2X est une forme de communication véhicule à tout connecté ou V2X.

Le V2X est un système de communication sans fil à courte portée qui implique le transfert de données entre un véhicule en réseau et les objets physiques et l'environnement qu'il rencontre ou avec lesquels il interagit. Il s'agit d'un amalgame de plusieurs modules distincts de communication véhiculaire, notamment:

• Vehicle to vehicle (V2V): un système de connectivité directe entre les véhicules pour l'amélioration des capteurs embarqués et des mécanismes d'alerte précoce en réseau.
• Vehicle to network (V2N) fournissant une connectivité entre les véhicules et le spectre mobile sous licence pour l'infodivertissement: actualités, musique en streaming et divertissement, ainsi que la gestion des itinéraires et les alertes réseau.
• Le véhicule à l'infrastructure (V2I) relie une voiture amorcée à l'infrastructure routière qui l'entoure, telle que les signaux, la signalisation, les feux de circulation et les postes de péage.
• Vehicle to pedestrian (V2P) qui permet d'alerter un véhicule des personnes à proximité qui portent ou sont en possession d'un appareil compatible.

La technologie V2X a été initialement conçue dans le but d'améliorer la sécurité routière ainsi que l'utilité et l'efficacité des infrastructures de transport. En 2016, dans un document intitulé « Vehicle-to-Vehicle Communication Technology For Light Vehicles », la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) a suggéré qu'une baisse d'au moins 13 % du nombre annuel d'accidents de la route pourrait être obtenue avec la mise en œuvre de ce type de technologie. En connectant les véhicules et en créant des systèmes de transport intelligents coopératifs, des solutions agiles et réactives à des problèmes tels que la pollution et les embouteillages peuvent être conçues pour améliorer considérablement l'utilisation des routes.

Le consortium 3GPP a créé C-V2X en tant qu'alternative cellulaire à la norme IEEE V2X 802.11p qui utilise le W-LAN. Le C-V2X a été précédé par ce système W-LAN, également connu sous le nom de Dedicated Short Range Communications (DSRC).

C-V2X utilise plutôt la   technologie et l'infrastructure cellulaires Long Term Evolution et 5G pour la connectivité nécessaire des véhicules conformément aux exigences V2X. Là où LTE est utilisé, il s'appelle LTE-V2X, mais il devrait évoluer pour utiliser le déploiement mondial de la 5G qui est en cours. La communication cellulaire est utilisée pour envoyer et recevoir des paquets de données provenant de feux de circulation, d'autres usagers de la route et de services basés sur le cloud. Il ne dépend pas d'un réseau spécifique pour son fonctionnement et a une couverture qui dépasse un mile.

Le C-V2X dispose de deux modes de fonctionnement clés. Le premier mode supervise la communication directe entre les véhicules compatibles, les usagers de la route et les infrastructures à proximité du véhicule. Cette communication ne nécessite pas de connectivité au réseau cellulaire. Deuxièmement, un réseau de téléphonie mobile est accessible par le véhicule pour accéder aux alertes d'information sur les conditions de circulation routière.

Applications notables du C-V2X:

1. Conduite coopérative. La connectivité C-V2X peut être utilisée pour créer un écosystème de véhicules où les communications V2V entre les véhicules leur permettent de travailler ensemble en transmettant l'intention du conducteur, en favorisant un espacement optimal et en limitant les manœuvres inattendues telles que les freinages brusques ou les changements de voie.
2. Circulation en peloton. Des convois de poids lourds semi-autonomes et même formés de manière autonome peuvent être formés et contrôlés à l'aide de C-V2X. La connectivité cellulaire et sans fil impliquée peut être utilisée pour espacer les véhicules de près et réguler de manière synchrone la vitesse, le freinage et la consommation de carburant, ce qui rend le transport plus économe en énergie et plus rentable.
3. Prévention des collisions. L'utilisation C-V2X de la bande des systèmes de transport intelligents vise à améliorer la sécurité routière. La communication V2X a la capacité de gérer l'échange d'informations entre plusieurs véhicules et infrastructures, en agrégeant les données pour la création de cartes en temps réel capables d'identifier les risques de collision pour les usagers de la route.
4. Avertissement de file d'attente. Les alertes en temps réel peuvent informer les usagers de la route des embouteillages ou des files d'attente à venir, ce qui signifie que les conducteurs peuvent freiner en douceur ou changer de direction ou de voie en temps opportun.

C-V2X bénéficie d'un soutien important de la part de l'industrie automobile, qui perçoit particulièrement C-V2X comme avantageux pour des raisons explorées plus loin dans cet article.

La première spécification basée sur LTE a été publiée en 2016, et la recherche et le développement ultérieurs ont été entrepris avec le soutien de la 5G Automotive Association (5GAA), qui compte 60 membres. La mise en place de la C-V2X est le fruit d'une collaboration entre les industries de l'automobile et des télécommunications et les organismes de réglementation régionaux, notamment le gouvernement fédéral américain et l'Union européenne. Plus de 800 opérateurs mobiles participent également à la facilitation de déploiements mondiaux à grande échelle dans le respect de la norme C-V2X du 3GPP. Bien que la mise en œuvre n'en soit qu'à ses débuts, C-V2K a recueilli le soutien des constructeurs automobiles avec de nombreux projets précommerciaux en cours. L'objectif à plus long terme est que le C-V2X devienne une technologie mise en œuvre à l'échelle mondiale qui pourrait ouvrir la voie à des véhicules entièrement autonomes ou autonomes.

Qu'est-ce que la CDCD?

Les communications dédiées à courte portée sont la technologie V2X alternative qui fournit un transfert de données sans fil unidirectionnel ou bidirectionnel conçu spécifiquement pour l'industrie automobile. Il est basé sur la norme IEEE 802.11, 802.12p qui fait spécifiquement référence aux applications de systèmes de transport intelligents (ITS). Cette variante Wi-Fi spécifie un système de communication entre les véhicules et les infrastructures et objets environnants qui est:

• sûr
• haute vitesse
• Faible latence
• direct

Sa distinction la plus importante et son prétendu avantage est qu'il ne dépend pas du réseau cellulaire malgré sa mobilité. La création de ce système de connectivité véhiculaire remonte à 1999 avec la désignation par la Federal Communications Commission de 75 MHz dans la bande 5,9 GHz pour une utilisation par les systèmes de transport intelligents, avec des attributions similaires faites à l'échelle internationale. Les applications de cette connectivité basée sur le W-LAN ont rapidement suivi, notamment les collectes de péages et les alertes du réseau de trafic, ainsi que la notification des services d'urgence en cas d'accident.

Comment fonctionne la CDRC?

DSRC s'appuie sur deux composants clés:

1. Équipement embarqué (OBE): Il s'agit du matériel pour DSRC qui se trouve dans le véhicule et comprend la configuration de fréquence radio  nécessaire pour faire fonctionner cette technologie ainsi qu'une interface frontale que le conducteur peut utiliser. Il est généralement installé sur le tableau de bord du véhicule.
2. Équipement routier (RSE): il est installé à proximité de la route et consiste en l'équipement de radiocommunication nécessaire à l'échange de données avec l'OBE d'un véhicule.

Les signaux radio échangés entre l'OBE et le RSE peuvent être utilisés pour la signalisation, les alertes ou, le plus souvent, le traitement sécurisé des paiements sur les routes à péage. Les deux classes d'appareils de radiocommunication sont autorisées et réglementées par la FCC.

Deux variantes régionales clés de la CDCD qui ne sont actuellement pas compatibles l'une avec l'autre:

1. La version américaine de la norme 802.11p connue sous le nom d'accès sans fil dans les environnements véhiculaires (WAVE)
2. ETSI ITS-G5 qui est la version de l'Union européenne couvrant les communications sans fil à courte portée dans les véhicules.

Les communications DRSC sont favorisées en raison de leur sécurité et de leur confidentialité, car les communications entre les véhicules et l'infrastructure ou les objets doivent être authentifiées et ne peuvent pas être retracées jusqu'à des véhicules spécifiques. Cependant, les véhicules en réseau diffuseront leur position, leur vitesse et leur direction jusqu'à 10 fois par seconde. Ces émissions peuvent être captées par les véhicules, les piétons ou les infrastructures de transport à proximité afin de réduire le risque de collision ou d'autres dangers.

Principales applications qui utilisent le CDCD

Perception des télépéages (EFC). Les routes à péage sont un moyen clé d'augmenter les revenus des entités publiques et privées, ainsi que de réduire les embouteillages et la pollution. En Europe, la DSRC a été utilisée avec succès pour une gamme de systèmes de tarification routière où les conducteurs disposent d'un véhicule compatible. La DSRC permet de percevoir automatiquement les redevances d'utilisation de la route, sans que le véhicule ait besoin de ralentir ou de s'arrêter, et peut prendre en charge une gamme de stratégies de tarification et de paiement. Les paiements électroniques de stationnement peuvent également être obtenus de la même manière.

Le contrôle d'accès peut être nécessaire sur les domaines ou les chemins privés, ou en cas d'urgence où la circulation doit être déviée. Le DSRC peut être utilisé soit pour alerter les conducteurs sur des tronçons de route restreints, soit dans le cadre d'un système de barrière automatique. La CDCD peut être utilisée de la même manière pour les avertissements aux intersections autoroute-rail.

La priorité DRSC est souhaitable en tant que solution de contrôle intelligent du trafic qui privilégie l'accès des véhicules d'urgence. Ces systèmes utilisent des feux de circulation adaptatifs qui peuvent être contrôlés via des feux de circulation compatibles DSRC et des unités routières pour avertir les conducteurs qu'un véhicule d'urgence se trouve à proximité ou modifier les feux de circulation pour donner la priorité à un véhicule d'urgence en transit.

Les balises scolaires sont un exemple notable de la façon dont la CDCD peut être utilisée efficacement au profit des usagers de la route et des piétons. Il s'agit généralement de panneaux lumineux stratégiquement positionnés qui clignotent pour les conducteurs lorsqu'ils dépassent les limites de vitesse en vigueur à proximité des écoles. Le DSRC peut être utilisé pour alerter directement les conducteurs de la nécessité de ralentir via des balises de sécurité de zone scolaire améliorées de manière appropriée. En juin 2020, la FCC a accordé à la société américaine Applied Information une licence ITS à l'échelle nationale pour développer des solutions V2I qui incluent des balises scolaires.

La mise en œuvre de la DSRC a été principalement menée par les États-Unis avec une communication V2V et V2I, mais en 2017, Toyota est devenu le premier constructeur automobile au monde à construire des voitures dotées d'une connectivité DSRC pour le marché japonais. Chrysler a suivi avec une Cadillac équipée d'un DSRC en 2018.

Fréquences utilisées pour la communication Vehicle to Everything.

Le C-V2X et le CDCD fonctionnent tous deux à la fréquence 5,9 GHz dans une bande qui a été désignée internationalement comme la  bande du système de transport intelligent. Les régulateurs ont réservé une partie spécifique de cette bande de fréquences, généralement entre 5 875 et 5 905 MHz, aux communications radio liées à la sécurité effectuées par V2X. Une bande de fréquences inférieure à 6 GHz est adaptée à la couverture étendue nécessaire à la connectivité V2X.

En 2017, le Global System for Mobile Communications (GSMA) a insisté sur le fait que la désignation de la bande de fréquence devait être neutre sur le plan technologique et capable de faire face à l'évolution rapide des solutions de transport intelligent. À l'heure actuelle, ni le C-V2X ni le CDCD n'ont été mandatés par les organismes de réglementation régionaux, et des solutions pour la coexistence fonctionnelle des deux formes de V2X dans la bande des STI sont actuellement à l'étude.

3,4 à 3,8 GHz

Il a été suggéré d'utiliser le spectre de 3,4 à 3,8 GHz pour des applications automobiles axées sur la sécurité, car il n'a pas encore été attribué à des fins spécifiques dans un certain nombre de pays. L'utilisation de cette bande de fréquence permettrait également d'utiliser davantage de spectre dans la gamme 5-6 GHz pour l'expansion et l'amélioration du WiFi. Cette fréquence plus basse est également considérée comme plus favorable et plus robuste pour les applications qui nécessitent de la mobilité, où l'une ou les deux parties connectées sont en transit et où la ligne de visée est limitée. De plus, les antennes ITS utilisées pour cette fréquence ne seraient pas d'une taille prohibitive. Mais l'utilisation de la bande 3,4 à 3,8 GHz de préférence à la bande 5,9 GHz déjà associée aux STI pourrait réduire la bande passante disponible pour les déploiements 5G à venir.

5,9 GHz

Cette fréquence présente également des limitations clés qui devront être surmontées pour obtenir l'utilité maximale du V2X dans un cadre complexe du « monde réel ».

Tout d'abord, la fréquence porteuse élevée de cette bande est sensible aux comportements optiques lors de la propagation tels que:

• Réflexions
• réfraction
• diffraction
• polarisation
• diffusion
• absorption

La longueur d'onde de 5 cm des signaux de radiofréquence à cette bande peut être affectée par des obstructions lors de la transmission avec une faible pénétration des bâtiments et de la végétation dense. La ligne de visée entre les antennes V2X émettrices et réceptrices est préférable mais pas toujours réalisable, notamment en milieu urbain. Sans ligne de mire et avec le défi supplémentaire de la mobilité, le V2X à cette fréquence dépend fortement de plusieurs trajets puissants pour un transfert de données efficace.

Considérations relatives à l'antenne V2x

Il est préférable d'utiliser une antenne combinée dotée de plusieurs antennes internes; chaque antenne interne dispose d'un câble d'antenne avec un connecteur que vous pouvez connecter à votre appareil. Cela permet d'économiser beaucoup d'espace sur la surface de votre véhicule ou de votre boîtier. Les antennes combinées peuvent avoir, par exemple, une ou deux antennes LTE internes, une antenne GPS interne et une ou deux antennes 5,9 GHz pour C-V2X et/ou DSRC. Data Alliance propose des antennes combinées qui comprennent de deux à sept antennes internes avec deux à sept câbles vers SMA ou des connecteurs ou votre choix.

L'installation de l'antenne est essentielle pour que le V2X fonctionne de manière optimale à 5,9 GHz.

La longueur d'onde et la propagation du signal RF à 5,9 GHz sont les facteurs qui affectent le placement de l'antenne plutôt que l'utilisation de la technologie C-V2X ou DSRC.

Il peut être difficile de positionner correctement l'antenne sur de nombreux types de véhicules en raison de la taille du véhicule ou de la courbure de son toit. Par exemple, les poids lourds (poids lourds) ont une remorque qui a une hauteur supérieure à celle de la cabine peut avoir une couverture radio limitée si une antenne est montée sur la cabine, car la remorque obstruera la ligne de vue derrière l'antenne. Plusieurs antennes peuvent être nécessaires pour fournir une couverture adéquate dans ce scénario.

Les toits incurvés de nombreux modèles de voitures sont connus pour les problèmes qu'ils posent avec le déploiement de l'antenne, en particulier lorsqu'ils sont situés près de la base du toit. L'antenne en aileron de requin dans de nombreux modèles de véhicules n'offre pas les performances nécessaires à l'acquisition et à la diffusion de signaux entre des objets en mouvement. Comme pour les antennes GPS, le milieu du toit serait une position préférable pour une antenne V2X. Des  taux d'atténuation du signal élevés  à cette fréquence signifient également que la distance entre une antenne installée et le récepteur du véhicule doit être maintenue au strict minimum. L'utilisation de connecteurs de radiofréquence de qualité automobile, tels que les  connecteurs FAKRA, qui peuvent prendre en charge des fréquences allant jusqu'à 6 GHz, sera également impérative.

Types de connecteurs courants utilisés dans les systèmes V2X

Connecteurs U.FL et MHF4: Petits connecteurs à profil bas couramment utilisés en raison des contraintes d'espace.

Connecteurs SMA: Connecteurs filetés offrant une meilleure durabilité et une meilleure tenue en puissance par rapport aux U.FL et MHF4.

Connecteurs RP-SMA: Variation de polarité inversée des connecteurs SMA pour éviter les incohérences accidentelles.

C-V2X contre DSRC

Bien que les deux formes de V2X puissent fonctionner à 5,9 GHz, l'utilisation simultanée de cette fréquence par les deux systèmes est susceptible de provoquer des interférences préjudiciables, de sorte qu'il existe des pressions, en particulier de la part des constructeurs automobiles, pour se contenter de l'une ou l'autre forme de technologie automobile pouvant être déployée à l'échelle internationale. En outre, l'élaboration et l'adoption d'une norme unique ou de toute licence nécessaire devraient s'accélérer une fois que les régulateurs, les gouvernements et les fabricants se seront mis d'accord sur le type de V2X préféré.

Aux États-Unis, le DSRC est en développement depuis plus de deux décennies, le spectre étant réservé à son utilisation dans les STI conformément au Transportation Equity Act for the 21st Century. Toutefois, peu de progrès ont été accomplis dans la mise en œuvre généralisée des systèmes de DRSC dans les véhicules grand public ou dans l'infrastructure des transports, en dehors de projets spécialisés liés à la circulation qui n'ont pas été largement utilisés. Entre-temps, la stagnation de la CDCD a conduit à l'émergence d'autres technologies de sécurité automobile, souvent développées par les fabricants et utilisant une gamme de fréquences sans licence. Des technologies telles que le radar à longue portée, le LiDAR et les caméras utilisées pour le freinage d'urgence, le régulateur de vitesse adaptatif et le stationnement amélioré se sont répandues et les systèmes de tableau de bord intégrés au GPS avec des logiciels de divertissement embarqués tels qu'Android Auto et Apple Car Play sont la norme. Les caractéristiques et les fonctionnalités de sécurité qui devaient être du domaine de la CDRC, comme les alertes de maintien dans la voie, ont été réalisées indépendamment de cette technologie et menacent de rendre la CDCD obsolète.

Aujourd'hui, l'industrie automobile cherche à être à l'avant-garde de l'harmonisation de la communication ITS en pesant de tout son poids derrière le C-V2X.

C-V2X est en train d'être mis en avant en tant que technologie capable de fournir un écosystème de sécurité automobile non seulement fonctionnel, mais aussi évolutif, tout en utilisant la bande passante existante réservée dans la bande ITS. La combinaison de l'expertise de l'industrie automobile et de l'innovation en matière de communication cellulaire s'est avérée formidable et il existe une détermination commune à voir cette technologie pleinement établie.

Avantages de l'implication de l'opérateur de réseau cellulaire dans C-V2X

• Les opérateurs mobiles apportent des ressources, des infrastructures et une propriété intellectuelle considérables à C-V2X, ce que la DSRC a eu du mal à reproduire.
• Un avantage majeur est l'utilisation du réseau cellulaire existant sur lequel la LTE-V2X, et plus tard la forme de 5e génération, se grefferont.
• L'infrastructure réseau s'accompagne de l'expertise dans la maintenance du réseau et la garantie des communications mobiles robustes et sécurisées nécessaires à un déploiement généralisé du V2X.
• La gestion, le traitement et le stockage des données constituent en soi un investissement considérable qui a entravé les progrès de la DSRC, mais encore une fois, les opérateurs mobiles sont déjà avantagés par la mise en place de cette infrastructure critique.
• L'industrie des télécommunications mobiles a déjà établi un dialogue avec les organismes de réglementation des radiocommunications qui seront nécessaires pour tirer pleinement parti de la bande passante des STI et s'assurer que la technologie est conforme.

Ces avantages uniques du réseau cellulaire facilitent l'utilisation de la technologie de sécurité des transports plutôt que la construction du tout nouveau réseau de communication qui serait nécessaire à la mise en œuvre de la CDD. Le réseau cellulaire peut être facilement utilisé pour fournir les alertes et les mises à jour opportunes nécessaires en cas de danger hors de la vue du conducteur et peut s'associer à l'acquisition de données à partir des capteurs embarqués, du radar ou de l'optique d'un véhicule, en particulier lorsque les conditions sont mauvaises.

Partenariat avec GNSS / GPS

Les systèmes mondiaux de navigation par satellite, tels que le GPS, sont nécessaires pour les services de localisation et de navigation qui sont maintenant la norme pour les véhicules modernes et devraient également jouer un rôle essentiel dans l'avancement des technologies des véhicules autonomes. Cependant, on sait que toutes les formes de GNSS sont limitées dans leur visibilité dans les environnements urbains ou la végétation dense, ce qui entraîne des retards ou des échecs dans la localisation des véhicules dans une gamme d'environnements. Le réseau cellulaire a déjà fourni une solution pour améliorer le Time To First Fix (TTFF) du GPS avec le développement du GPS assisté, qui s'appuie sur le positionnement du réseau cellulaire pour localiser ou se connecter à un appareil compatible GPS ou, dans ce cas, à un véhicule. Cette technologie, également connue sous le nom de GPS augmenté, dépend fortement des données des tours de téléphonie cellulaire et des FAI et accélérera considérablement le démarrage du GPS dans des conditions généralement médiocres où il peut y avoir une réflexion importante et des trajets multiples.

Les normes et protocoles technologiques A-GPS sont créés par 3GPP et possèdent les capacités nécessaires pour adapter et intégrer cette technologie existante dans C-V2X, améliorant ainsi ses performances et potentiellement sa précision

La FCC a déjà rendu l'A-GPS obligatoire pour les téléphones compatibles GPS, de sorte que les données de localisation peuvent être mises à la disposition des services d'urgence si nécessaire. Le système européen E-call dans les voitures est basé sur des principes similaires et utilise également le GPS.

En conclusion

Le C-V2X et le CDCD sont tous deux reconnus comme offrant une utilité importante en tant que technologies de connectivité des véhicules qui servent une gamme d'objectifs de sécurité, d'information et de navigation qui peuvent rendre l'infrastructure de transport plus sûre et plus efficace. C-V2X devance actuellement la DSRC avec un consensus d'opinion en faveur de son déploiement dans les secteurs de l'automobile et des télécommunications. Comme nous l'avons vu ci-dessus, il semble offrir une connectivité évolutive pour le transport, avec la capacité d'évoluer et de s'interfacer avec les technologies automobiles développées simultanément. Avec des protocoles et des normes solides qui semblent répondre aux exigences des systèmes de transport intelligents du monde entier, C-V2X semble être le concurrent par lequel les véhicules autonomes seront réalisés.