Επισκόπηση Προτύπων για Εφαρμογές Επικοινωνίας "Vehicle to Everything" ("V2X")
Overview of Standards for Communication Applications "Vehicle to Everything" ("V2X")
![Thumbnail](/xmlui/bitstream/handle/11400/738/Tsikandylakis_19020.pdf.jpg?sequence=4&isAllowed=y)
Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Τσικανδυλάκης, Μιχαήλ
Ημερομηνία
2021-05-26Επιβλέπων
Chochliouros, IoannisBogris, Adonis
Λέξεις-κλειδιά
Computer Communication Networks ; Vehicle Networks ; Δίκτυα επικοινωνιών υπολογιστών ; 5G ; V2X ; 5G networks ; Κινητές επικοινωνίες ; Δίκτυα 5ης γενιάς ; Mobile communicationsΠερίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάδειξη, τη διερεύνηση και την παρουσίαση της επικοινωνίας V2X (Vehicle to Everything). Η επικοινωνία V2X ανάλογα με τη σύνδεση που πραγματοποιεί το όχημα διακρίνεται σε επιμέρους κατηγορίες. Αυτές είναι: V2I (Vehicle to Infrastructure), V2N (Vehicle to Network), V2P (Vehicle to Pedestrian), V2V (Vehicle to Vehicle) και V2D (Vehicle to Device). Επίσης οι εφαρμογές που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία των οχημάτων χωρίζονται ανάλογα με το κατά πόσο σχετίζονται με θέματα ασφάλειας ή όχι. Αυτή τη στιγμή η επικοινωνία V2X λειτουργεί με δύο βασικές τεχνολογίες, οι οποίες βασίζονται: α) στα πρότυπα των φορέων ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronics Engineers) και SAE (Society of Automotive Engineering) με ονομαζόμενη τεχνολογία DSRC (Distance Short Range Communication) για τις ΗΠΑ και αντίστοιχα σε συνεργασία με τους Οργανισμούς ETSI (European Telecommunications Standards Institute) και CEN (European Committee for Standardization) όπου έχει δημιουργηθεί το τεχνολογικό πρότυπο ITS-G5 (Intelligent Transport Systems –ραδιοσυχνότητας 5GHz) για την Ευρώπη, και β) στα πρότυπα της τεχνολογίας LTE (Long Term Evolution) του Οργανισμού 3GPP (the Third Generation Partnership Project) η οποία είναι κυψελοειδής τεχνολογία σε διεθνές επίπεδο. Η βελτίωση της οδικής ασφάλειας έχει ανάγκη από αξιόπιστη μεταφορά των μηνυμάτων ανάμεσα στα οχήματα και με ελάχιστη καθυστέρηση. Το βασικό πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11p που χρησιμοποιείτο αρχικά δεν ικανοποιούσε αυτές τις απαιτήσεις και ως εκ τούτου έλαβε χώρα αναβάθμιση του πρότυπου σε ΙΕΕΕ802.11bd, το οποίο αξιοποιείται στα κυψελοειδή δίκτυα 4ης γενιάς LTE, ως υβριδική τεχνολογία. Η κυψελοειδής τεχνολογία αξιοποίησε πλήρως την επικοινωνία V2X λόγω της καλύτερης συμβατότητας των τεχνολογιών, του καλύτερου χρόνου απόκρισης σε υψηλές ταχύτητες και της καλύτερης απόδοσης του δικτύου, σε συνολικότερο επίπεδο. Εντούτοις, λόγω των πολλών περιορισμών που αντιμετωπίζουν τα δίκτυα της 4ης γενιάς, (όπως το υψηλό κόστος ανάπτυξης, η χαμηλή αξιοπιστία ή η αδυναμία αντιμετώπισης υψηλής κινητικότητας του δικτύου) οι φορείς τηλεπικοινωνίας και αυτοκινητοβιομηχανίας στράφηκαν προς τα δίκτυα της 5ης γενιάς (5G). Δύο σημαντικά έργα της Ευρωπαϊκής Ένωσης που ασχοληθήκαν με την τεχνολογία 5G και την επικοινωνία V2X μέσω του χρηματοδοτικού ανταγωνιστικού προγράμματος καινοτομίας Horizon 2020 (H2020) είναι το 5G-DRIVE και το 5GCAR. Κάθε έργο έχει αναλύσει περιπτώσεις χρήσης και σενάρια για τις εφαρμογές V2X. Η ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών όπως: Υπολογιστική Πολλαπλή Πρόσβαση στα Άκρα του δικτύου (Multi-Access Edge Computing –MEC), Φετοτεμαχισμός του Δικτύου (Network Slicing), τεχνολογίες υπολογιστικής νέφους (cloud computing) ή τεχνολογίες υπολογιστικής ομίχλης (fog computing), Εξυπηρετητές Πλέγματος και Ιδεατά Δίκτυα (Virtual Networks- VFs) έχουν δώσει στο επιστημονικό και διεθνές πεδίο (που ασχολείται με τις επικοινωνίες V2X) πολλαπλές δυνατότητες που ενσωματώνουν απαιτήσεις για πολύ υψηλή αξιοπιστία, χαμηλή καθυστέρηση και ενίσχυση της ασφάλειας του δικτύου. Κατά συνέπεια η αυτόνομη οδήγηση, η κίνηση των οχημάτων σε ομάδες και η πλήρης «αντίληψη» του οχήματος καθίσταται πλέον πραγματικότητα. Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU), το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Τηλεπικοινωνιακών Προτύπων (ETSI), ο φορέας 3GPP και τα ερευνητικά προγράμματα 5GCAR και 5G-DRIVE έχουν δώσει το παρών τους με πρότυπα, τυποποιητικές δρά-σεις, και πραγματικά σενάρια με περιπτώσεις χρήσης για τα δίκτυα V2X. Όλα τα παραπάνω καθι-στούν πλέον το όραμα της πλήρους αυτόνομης οδήγησης, του περιορισμού των οδικών ατυχημάτων και της μείωσης των ρύπων στο ελάχιστο, σε μία δυνατή και βιώσιμη πραγματικότητα.
Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται μία σύ-ντομη ιστορική αναφορά και έπειτα επεξηγούνται οι κατηγορίες της επικοινωνίας V2X. Κάθε κατηγορία μπορεί να χρησιμοποιεί και διαφορετική Τεχνολογία Ραδιοπρόσβασης (RAT) ή διαφορετική διεπαφή της ίδιας ραδιοτεχνολογίας.
Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία παρουσίαση των εφαρμογών που χρησιμοποιεί η επικοινωνία V2X και αναφέρονται αντιπροσωπευτικά παραδείγματα. Επίσης, επεξηγούνται οι πιο σημαντικοί λόγοι χρήσης των εφαρμογών ασφάλειας και το πόσο είναι χρήσιμες σε ένα δίκτυο οχημάτων.
Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση σε τεχνικά θέματα που αφορούν στο στρώμα MAC (Ελέγχου Πρόσβασης Μέσων – Medium Access Control), στο Φυσικό στρώμα (Physical Layer - PHY) του δικτύου, και στους δυο βασικούς τύπους της επικοινωνίας V2X (ήτοι LTE-V2X και DSRC /ITS-G5). Αναλύονται τα πρότυπα, το εύρος ζώνης των καναλιών και οι διαφορές ή ομοιότητες μεταξύ τους.
Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται οι πιο σημαντικοί Οργανισμοί ανάπτυξης προτύπων, όπως το ETSI στην Ευρώπη, το ANSI στις ΗΠΑ και οι ITU, ISO και IEEE σε διεθνές επίπεδο. Επίσης, αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά των προτύπων IEEE802.11p και IEEE802.11bd της επικοινωνίας V2X στο στρώμα MAC και στο Φυσικό στρώμα και αναλύονται οι περιορισμοί που θέτει η τεχνολογία V2X - DSRC όπως είναι το υψηλό κόστος επικοινωνίας, η χαμηλή αξιοπιστία ή τα θέματα ασφάλειας, και τελικά αναλύεται το πώς οδηγούμαστε προς της χρήση της τεχνολογίας C-V2X.
Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η κυψελοειδής τεχνολογία C-V2X, περιγράφονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά στα δυο βασικά στρώματα (Φυσικό και MAC) και αναλύονται οι διεπαφές της τεχνολογίας για την επικοινωνία C-V2X καθώς και τα πλεονεκτήματά της.
Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στα δίκτυα 5ης γενιάς και αναφέρεται η συμβολή τους στην επικοινωνία V2X. Αναφέρεται το εύρος ζώνης της τεχνολογίας σε διεθνές επίπεδο και γίνεται η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων της συγκεκριμένης γενιάς όσον αφορά στην απόδοση του εύρους ζώνης, στην ενεργειακή απόδοση ή στη μέγιστη ταχύτητα του οχήματος. Επίσης, επεξηγούνται τα τεχνικά χαρακτηριστικά για τα δύο τελευταία στρώματα του δικτύου και γίνεται μία σύγκριση μεταξύ των τεχνολογιών LTE-V2X και 5G NR-V2X. Επιπλέον λαμβάνει χώρα μία επεξηγηματική προσέγγιση για ορισμένες καινοτόμες τεχνολογίες όπως η τεχνολογία των χιλιοστομετρικών κυμάτων (millimeter-waves) καθώς και για τις υπηρεσίες που υποστηρίζει ένα δίκτυο 5G NR (5G New Radio) όπως είναι η υπηρεσία που απαιτεί εξαιρετικά αξιόπιστη και χαμηλής καθυστέρησης επικοινωνία (URLLC – Ultra Reliable and Low Latency Communications).
Στο έβδομο κεφάλαιο αναλύονται η δομή του ερευνητικού προγράμματος 5GCAR, τα αντικείμενα με τα οποία αυτό ασχολήθηκε, η προτεινόμενη αρχιτεκτονική του δικτύου για την επικοινωνία V2X και οι προκλήσεις που αντιμετωπίζει ένα δίκτυο V2X 5ης γενιάς όσον αφορά στην ασφάλεια. Τέλος αναφέρονται τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα που προτείνονται και γίνεται μία επισκόπηση της μελέτης που έχει υλοποιηθεί σχετικά, για το εύρος ζώνης 5G – V2X.
Στο όγδοο κεφάλαιο αναλύεται εν συντομία η τεχνολογία του τεμαχισμού του δικτύου (network slicing). Γίνεται αναφορά στο ερευνητικό πρόγραμμα 5G NORMA, καθώς αυτό έχει προτείνει μία ευέλικτη αρχιτεκτονική τεμαχισμού δικτύου από άκρο σε-άκρο (end-to-end, E2E). Έπειτα γίνεται μία παρουσίαση των τεχνολογικών χαρακτηριστικών του Δικτύου Ραδιοπρόσβασης και του Δικτύου Κορμού σε ένα τεμαχισμένο δίκτυο και παρουσιάζεται ένα υπόδειγμα σχετικής αρχιτεκτονικής 5G-V2X. Έπειτα, αναλύονται οι υπηρεσίες V2X και οι «φέτες» του τεμαχισμένου δικτύου καθώς επίσης και το πώς γίνεται η συνεργασία μεταξύ τους. Τέλος παρουσιάζεται ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα από το έργο 5GCAR αναφορικά με ένα τεμαχισμένο δίκτυο, με τους φορείς που συμμετέχουν σε αυτό.
Στο ένατο κεφάλαιο περιγράφεται η τεχνολογία Υπολογιστικής Πολλαπλής Πρόσβασης στα Άκρα (MEC) σε ένα δίκτυο V2X. Αναλύεται η αρχιτεκτονική δικτύου 5G και MEC και το ποιες υπηρεσίες έχουν όφελος από τη χρήση αυτής της τεχνολογίας. Επίσης αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης τεχνολογίας, παρουσιάζεται η συνεργασία της τεχνολογίας του τεμαχισμού του δικτύου με την τεχνολογία MEC και τέλος αναφέρονται τα πιο σημαντικά ζητήματα όσον αφορά στην ασφάλεια στα άκρα του δικτύου.
Το δέκατο κεφάλαιο αφιερώνεται στη μελέτη για τις τεχνικές προδιαγραφές, τις συστάσεις, τις υπηρεσίες και τις απαιτήσεις που έχουν ορίσει οι φορείς-οργανισμοί τυποποίησης όπως οι ETSI, ITU, NGMN , EU DG MOVE και NHTSA για τις περιπτώσεις χρήσης V2X που έχουν δημιουργήσει και αναλύσει, κατά περίπτωση.
Στο ενδέκατο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση των πέντε κατηγοριών των περιπτώσεων χρήσης του έργου 5GCAR και η παρουσίαση ενός αντιπροσωπευτικού παραδείγματος από κάθε κατηγορία όπως είναι η Συγχώνευση Λωρίδας (Συνεργατικός Ελιγμός), η εφαρμογή «Βλέπω - διαμέσου» (Συνεργατική Αντίληψη), η Προστασία Ευάλωτου Πεζού (Συνεργατική Ασφάλεια), η Απόκτηση Τοπικού Χάρτη Υψηλής Ανάλυσης (Αυτόνομη Πλοήγηση ) και η Αυτόνομη Στάθμευση (Απομακρυσμένη Οδήγηση).
Καταλήγουμε με μία σύντομη εννοιολογική επισκόπηση ως επίλογο.
ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Δίκτυα επικοινωνιών υπολογιστών, Δίκτυα οχημάτων
ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Δίκτυα επικοινωνιών, κινητές επικοινωνίες, δίκτυα 5ης γενιάς, 5G, V2X
Περίληψη
This thesis deals with the furtherance, investigation and presentation of V2X (Vehicle to Every-thing) communication. V2X communication is divided into categories depending on the connection made by the vehicle. These are: V2I (Vehicle to Infrastructure), V2N (Vehicle to Everything), V2P (Vehicle to Pedestrian), V2V (Vehicle to Vehicle) and V2D (Vehicle to Device). Also, the applications that are applied in the communication of vehicles are divided according to their relevance to safety issues or not. V2X communication currently operates on two “key technologies, which are based on: (i) the standards of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), SAE (Society of Automotive Engineering) with a technology called as DSRC (Distance Short Range Communication) for the USA, also with ETSI (European Telecommunications Standards Institute) and CEN (European Committee for Standardization) where the ITS-G5 (Intelligent Transport Systems – 5 GHz) technology standard for Europe has been created, and; (ii) the technology standards LTE (Long Term Evolution) of 3GPP which is a cellular technology Internationally. The improvement of road safety requires reliable transmission of messages between vehicles and with minimal latency. The basic IEEE 802.11p standard initially used, did not “meet” these requirements and the standard was upgraded to IEEE802.11bd, which is used in 4G LTE cellular networks as a hybrid technology. But cellular technology has taken full advantage of V2X communication due to better technology compatibility, better response times at high speeds and better network performance. However, due to the many limitations faced by the 4th generation networks (such as high development costs, low reliability or the inability to cope with high mobility of the network), telecommunications and automotive companies turned to the 5th generation networks. Two major European Union projects dealing with 5G technology and V2X communication through the Horizon 2020 innovation program are 5G-DRIVE and 5GCAR. Each project has analyzed dedicated Use Cases and scenarios for V2X applications. The integration of technologies: Multi-Access Edge Computing (MEC), Network Slicing, Cloud / Fog, Grid Servers and Virtual Networks (VFs) have given to the scientific members (dealing with V2X communications) technology features that incorporate the requirements of very high reliability, low latency, network security and now autonomous driving, platooning and complete perception of the vehicle become a reality. The International Telecommunication Union (ITU), the European Telecommunications Standards Institute (ETSI), 3GPP and the 5GCAR, 5G-DRIVE research projects have come up with standards, standardization-related actions and real-world use scenarios for V2X networks that make vision of the autonomous driving, zeroing in on accidents and reducing emissions to a minimum.
More specifically, in the first chapter of the thesis a brief historical overview is made and then the categories of V2X communication are explained. Each category may also use a different Radio Access Technology (RAT) or a different interface of the same radio technology.
The second chapter provides an overview of the applications used by V2X communication and provides some representative examples. It also explains the most important reasons for using security applications and how useful these are in a vehicle network.
The third chapter analyzes technical issues concerning the MAC layer and the PHY layer in the two basic types of V2X communication, which is LTE-V2X and DSRC/ITS-G5. The standards, the bandwidth of the channels and the differences – or similarities – between them are also discussed.
The fourth chapter lists the most important Standards Development Organizations (SDOs), such as the ETSI in Europe, the ANSI in the USA and the ITU, the ISO and the IEEE at international level. Also, the technical characteristics of the IEEE802.11p and IEEE802.11bd standards of V2X communication in the MAC and in the PHY layers are analyzed together with limitations of V2X - DSRC technology such as high communication cost, low reliability or security issues, as we finally get towards implementing C-V2X technology.
The fifth chapter presents the C-V2X cellular technology; here we describe the technical charac-teristics of the two basic layers (PHY and MAC) and analyze the interfaces of the C-V2X communica-tion technology as well as its advantages.
The sixth chapter introduces the 5th generation (5G) networks and discusses their contribution to the context of V2X communication. The bandwidth of the technology at international level is reported and we also highlight the 5G advantages in terms of bandwidth performance, energy efficiency or maximum vehicle speed. The technical characteristics of the last two layers of the network are explained and a comparison is made between LTE-V2X and 5G NR-V2X technologies. In addition we provide an explanation of innovative technologies (such as millimeter-waves technology) and services supporting a 5G NR network (such as Ultra-highly Reliable and Low Latency Communications - URLLC).
The seventh chapter analyzes the structure of the 5GCAR research project, its fundamental objectives and the proposed network architecture for V2X communication together with security challenges for a 5G V2X network based on that project’s context. We also refer to new business models proposed by this a project and we make a reference to the project’s study that has been realised for the 5G-V2X bandwidth.
The eighth chapter briefly analyzes the technology of network slicing. Reference is made to the 5G NORMA EU-funded research project, as it proposes a flexible end-to-end network slicing architecture. Then we present the technological features of the Radio Access Network and of the Core Network in a network slicing system and a model of 5G-V2X architecture is presented. Following to the above, the V2X services and the slices of the network slicing are analyzed. Finally, a representative example coming from the scope of the 5GCAR EU-funded research is presented.
The ninth chapter describes the Multiple - Access Edge Computing (MEC) technology in a V2X network. The 5G and MEC network architecture are analyzed and we also discuss services that can have benefit from this technology. We assess potential advantages as well as the cooperation of the network slicing technology with the MEC technology. We also focus on the most important issues regarding security at the Edge Network.
The tenth chapter is dedicated to the study of the technical specifications, recommendations, services and requirements set by the standard organizations in a wider context, so that to include ETSI, ITU, NGMN, EU DG MOVE and NHTSA for the V2X Use Cases.
The eleventh chapter analyzes the five categories of Use Cases coming from the 5GCAR project and presents a representative example from each separate category such as Lane Merge (Cooperative Maneuver), See-through (Cooperative Perception), Vulnerable Pedestrian Protection (Cooperative Security), High definition local map acquisition (Autonomous Navigation) and Automated Parking (Remote Driving).
We conclude with a short conceptual overview as an epilogue.
SCIENTIFIC AREA: Computer Communication Networks, Vehicle Networks
KEY WORDS: Communication networks, mobile communications, 5G networks, V2X