Επισκόπηση Προτύπων για Εφαρμογές Επικοινωνίας "Vehicle to Everything" ("V2X")

Abstract

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