Europa kiest momenteel een standaard voor geconnecteerde voertuigen. De ene is ouder, maar matuurder. De andere is nieuwer, maar nog te weinig getest. Professor Ingrid Moerman legt in detail uit wat de verschillen, voordelen en pijnpunten zijn van de technologiekeuze.
Ingrid Moerman schreef deze analyse samen met haar collega’s Bart Lannoo (business developer verbonden aan imec-IDLab in UAntwerpen) en Dries Naudts (imec-IDLab onderzoeker UGent).
De toekomst van connected cars: G5 versus 5G
Op 13 maart 2019 heeft de Europese Commissie nieuwe regels voorgesteld om de uitrol van coöperatieve intelligente transportsystemen (C-ITS) te bevorderen. Dankzij C-ITS technologie kunnen voertuigen met elkaar, met de weginfrastructuur en met andere weggebruikers communiceren en o.a. informatie uitwisselen over gevaarlijke situaties, wegwerkzaamheden en de timing van verkeerslichten, waardoor het wegvervoer veiliger en efficiënter wordt met een positieve impact op het milieu.
Verschillende draadloze technologieën komen in aanmerking voor C-ITS, waarbij men onderscheid maakt tussen communicatie op korte en lange afstand. Voor korte afstandscommunicatie heeft Europa reeds een licentievrije speciale spectrale band voorzien van 30 MHz (tussen 5.875 en 5.905 GHz) die enkel mag gebruikt worden voor ITS-toepassingen. In de toekomst wordt verdere uitbreiding van deze band voorzien met 20 MHz tot 5.925 GHz.
Voor communicatie op korte afstand tussen wagens onderling, en tussen wagens en weginfrastructuur (vb. slimme verkeerslichten), is er een Wi-Fi variant ontwikkeld, beter gekend als ITS-G5 in Europa, en DSRC of Direct Short Range Communication in de VS en Japan. In de aanloop naar 5G werd ook de 4G cellulaire technologie uitgebreid om C-ITS diensten te ondersteunen, genaamd C-V2X of Cellulaire Vehicle-to-Everything.
Deze C-V2X technologie bestaat uit twee communicatiemodi, namelijk de Direct C-V2X die, net als de Wi-Fi variant, korte afstandscommunicatie ondersteunt en gebruik kan maken van dezelfde licentievrije ITS-band, en de lange afstandscommunicatie via de gebruikelijke 4G (en in de toekomst 5G) zendmasten, die opereren in gelicensieerde frequentiebanden.
Het voorstel van de Europese Commissie van 13 maart was om enerzijds ITS-G5 (de Wi-Fi variant) te verplichten in alle Europese voertuigen voor directe communicatie over korte afstand voor tijdskritische diensten, en anderzijds bestaande 3G/4G cellulaire netwerken te gebruiken voor communicatie over langere afstand voor minder tijdskritische diensten tussen voertuig en ITS-infrastructuur.
In zijn voorstel vermeldt de Europese Commissie verder dat het blijft openstaan voor innovatie en uitbreiding naar andere technologieën in de toekomst, zoals C-V2X en 5G.
Het was de bedoeling dat deze nieuwe regels in werking zouden treden op 13 mei 2019, twee maanden na publicatie ervan, maar omwille van bezwaren geopperd in de Europese Raad door een aantal lidstaten, in het bijzonder Finland en Spanje, hebben 15 lidstaten meer tijd gevraagd om een standpunt in te nemen en werd de uitvoering met twee maanden uitgesteld. Op 3 juli hebben 21 van de 28 lidstaten een negatieve stem uitgebracht, wat betekent dat de C-ITS regeling voorgesteld door Europa is afgewezen.
In de Europese Raad van 8 juli werd deze beslissing formeel bekrachtigd, wat betekent dat de regels voorgesteld door de Europese Commissie werden verworpen en er nieuwe regels moeten worden uitgewerkt.
De bezwaren in Europa gaan vooral over de keuze van de technologie voor communicatie op korte afstand, namelijk tussen ITS-G5 en Direct C-V2X, die gebruiken maken van de ITS-specifieke 5.9 GHz spectrale band.
Ouder Vs. nieuwer
ITS-G5 werd 10 jaar geleden gedefinieerd en is reeds uitvoerig en op grote schaal getest volgens gestandaardiseerde testprocedures. Commerciële producten zijn reeds lange tijd beschikbaar. Zo heeft Toyota reeds ITS-G5 (DSRC) modules geïntegreerd in een deel van zijn wagenpark in Japan.
Volkswagen heeft aangekondigd om zijn wagens vanaf 2019 uit te rusten met ITS-G5 technologie. Volvo heeft ITS-G5 geselecteerd voor platooning van trucks. Andere voorstanders van ITS-G5 zijn autoconstructeurs, Renault, DAF, Scania, Daimler Trucks, General Motors, en technologiebedrijven, zoals NXP Semiconductors, Cohda Wireless en Siemens.
De Direct C-V2X standaard werd gefinaliseerd in september 2016 en vandaag zijn er enkel prototype testplatformen beschikbaar. Dergelijke platformen zijn enkel toegankelijk voor selecte partners om te gebruiken in pre-commerciële piloottesten. In 2019 worden de eerste commerciële producten verwacht die kunnen ingebouwd worden in toekomstige wagens.
Direct C-V2X zal ook verder in 5G ondersteund worden, maar er is nog geen publieke roadmap beschikbaar wanneer 5G Direct C-V2X producten op de markt zullen verkrijgbaar zijn. Autoconstructeurs zoals Ford, BMW, Daimler en PSA Group (die Peugeot, Citroën en Opel vertegenwoordigen), samen met 4G/5G chipfabrikanten zoals Qualcomm en Intel, en de telecomsector met bedrijven zoals, Deutsche Telekom, Ericsson, Huawei en Samsung zijn momenteel sterke voorstanders van C-V2X.
VS en Azië
Niet alleen in Europa is C-ITS een hot topic, ook wereldwijd laaien de discussies hoog op tussen nationale overheden en de technologische lobbygroepen. In de Verenigde Staten (VS) is sinds 1999 een specifieke spectrale band van 75 MHz (van 5,980 GHz tot 5,925 GHz) toegewezen aan de DSRC-technologie voor ITS-toepassingen.
In tegenstelling tot Europa is de ITS-band in de VS gekoppeld aan de DSRC-technologie. In Europa is de ITS-band technologie-neutraal is, wat betekent dat de band kan gebruikt worden door meerdere technologieën voor ITS-applicaties.
Maar ook in de VS staat de DSRC-technologie en de bijhorende spectrale ITS-band ter discussie. In 2016 werd een akte ondertekend om DSRC uit te rollen in alle voertuigen, maar deze akte werd niet verder onderschreven door president Trump. Omdat men vreest dat deze DSRC spectrale band hierdoor onderbenut zal blijven, wordt momenteel zwaar gelobbyd om deze spectrale band ook open te stellen voor andere (dan ITS) Wi-Fi toepassingen met het oog op het bevorderen van de economie.
Om die reden stellen sommige autofabrikanten, zoals General Motors, de integratie van DSRC-technologie uit of wordt ook gedacht om over te stappen naar een 4G-5G systeem. Verder stuurt 5GAA (5G Automotive Association), een organisatie die de uitrol van 5G promoot voor automatisering van voertuigen en aldus deel uitmaakt van de lobbygroep voor C-V2X, om de DSRC-band op te heffen en ook C-V2X technologie toe te laten in deze 5.9 GHz band.
Ook in de Aziatische landen heerst er verdeeldheid: Japan met autobouwers zoals Toyota hebben gekozen voor DSRC, terwijl de Chinese regering duidelijk haar voorkeur heeft uitgesproken voor Direct C-V2X.
Interoperabiliteit is de grootste bezorgdheid van de nationale overheden en de voornaamste drijfveer om slechts één technologie te kiezen.
Omwille van de grote onduidelijkheid wereldwijd rond de keuze voor ITS-G5/DSRC versus Direct C-V2X, zetten sommige autoconstructeurs en toeleveranciers momenteel in op de twee technologieën. Maar hiermee zijn zeker niet alle problemen van de baan. Beide technologieën hebben een zeer verschillende manier van werken en zijn helaas niet ontwikkeld om samen te werken in dezelfde spectrale band.
Indien beide technologieën in dezelfde band opereren, zal dit aanleiding geven tot conflicten en een minder betrouwbare communicatie. Interoperabiliteit is daarom ook de grootste bezorgdheid van de nationale overheden en de voornaamste drijfveer om slechts één technologie te kiezen. Het kan niet de bedoeling zijn dat voertuigen van het ene merk uitgerust met de ene technologie niet kunnen communiceren met voertuigen van een ander merk uitgerust met een andere technologie. Bovendien kunnen voertuigen uitgerust met een verschillende technologie elkaar storen.
De voornaamste verschillen tussen deze twee technologieën wordt uitgelegd in de onderstaande tabel.
| Technologie -eigenschappen | ITS-G5/DSRC | Direct C-V2X |
| Hoe werkt het? | ITS-G5 en DSRC steunen op de Wi-Fi technologie, meer bepaald de IEEE 802.11p standaard. Wi-Fi technologie is ontwikkeld voor gebruik in licentievrije banden en houdt er rekening mee dat meerdere Wi-Fi (en ook andere) netwerken het spectrum moeten delen. Het basisprincipe van Wi-Fi is een gedistribueerd mechanisme. Een toestel zal, vooraleer een bericht te versturen, eerst luisteren of het draadloze medium vrij is. Van zodra het medium vrij is wordt eerst een korte vaste tijd gewacht. Daarbovenop zal het toestel nog een bijkomende willekeurige tijd wachten vooraleer het bericht te versturen. Op die manier kunnen botsingen tussen verschillende toestellen die tegelijkertijd willen zenden zoveel mogelijk vermeden worden. Maar sporadische botsingen zijn nog steeds mogelijk. De extra willekeurige wachttijd, die gemiddeld toeneemt naarmate er meer toestellen in de buurt zijn, zorgt voor een vertraging van de berichten.De IEEE 802.11p technologie, waarop ITS-G5 en DSRC zijn gebaseerd, gebruikt verder een 10 MHz band. Deze spectrale bandbreedte voor ITS-toepassingen is kleiner dan voor standaard Wi-Fi draadloos Internet, waarvoor minimum 20 MHz wordt gebruikt. Elk ITS bericht dat wordt gestuurd door een toestel gebruikt de volledige spectrale band (de volledige 10 MHz). | De huidige versie van Direct C-V2X is gebaseerd op LTE (4G) technologie. LTE is een cellulaire technologie die normaal gebruik maakt van zendmasten en opereert in een exclusieve spectrale band, waarvoor mobiele operatoren licentiekosten moeten betalen die worden. Bij normale werking heeft een LTE-toestel een SIM-kaart (gekoppeld aan het abonnement van de gebruiker) nodig om te kunnen verbinden met een zendmast. Deze zendmast coördineert het gebruik van het spectrum en de tijd als een tweedimensionaal rooster, dat zich herhaalt in de tijd. Het rooster bestaat uit elementaire blokjes en elk blokje beslaat een deel van het spectrum (typisch 180 kHz) en een tijdseenheid (typ. 1 milliseconde). Een LTE-toestel is altijd gesynchroniseerd in de tijd met zijn zendmast en via de zendmast weet het toestel in welke blokjes hij kan zenden of ontvangen. Meerdere toestellen kunnen tegelijkertijd zenden of ontvangen in verschillende delen van het spectrum.In Direct C-V2X wordt gebruik gemaakt van een 10 MHz kanaal in de licentievrije 5.9 GHz ITS band en deze technologie moet kunnen werken zonder SIM-kaart en zonder de hulp van standaard LTE-zendmasten om het gebruik van het spectrum te coördineren en te synchroniseren in de tijd. Een Direct C-V2X toestel zal op een gedistribueerde manier en op voorhand tijd-frequentie blokjes reserveren, om er zeker van te zijn dat ITS berichten tijdig kunnen uitgewisseld worden. Hierbij moet vermeden worden dat dezelfde blokjes worden gereserveerd door meerdere toestellen. Het reservatiemechanisme kan tot extra vertraging leiden, daar de generatie van berichten door de ITS-applicatie niet altijd gesynchroniseerd zijn met het reservatieschema. |
| Bereik | Typisch bereik is 500 tot 1000 m. Dit is verder dan standaard Wi-Fi voor draadloos Internet, omwille van het hogere toegelaten uitzendvermogen in de 5.9 GHz ITS-band. | Typisch bereik is 500 tot 1000 m.Door gebruik van nieuwere codeertechnieken, is het bereik van Direct C-V2X in goede omstandigheden iets groter dan ITS-G5/DSRC. |
| Schaalbaarheid | Het gebruik van de ‘willekeurige’ wachttijd bij de Wi-Fi technologie leidt tot meer botsingen en grotere vertragingen indien er een grote densiteit is aan voertuigen. Verdere vergelijkende testen zijn nodig. | Indien er een grote densiteit is aan voertuigen, kan het gebeuren dat meerdere voertuigen dezelfde tijd-frequentie blokjes reserveren er er dus botsingen zullen optreden.Gebruik van blokjes met aangrenzende frequenties in hetzelfde tijdslot door naburige voertuigen kan leiden tot interferentie en minder betrouwbare communicatie. Verdere vergelijkende testen zijn nodig. |
| Beschikbaarheid | De technologie is 10 jaar oud en meerdere commerciële chipsets zijn op de markt. ITS-G5/DSRC is een aparte chipset voor integratie in voertuigen. | De technologie is zeer recent. Er zijn nog geen commerciële chipsets op de markt. Enkel prototype testborden zijn verkrijgbaar voor het uitvoeren van testen met voertuigen en dit onder strikte voorwaarden van de chipfabrikant. De eerste commerciële chipsets worden wellicht in 2019 verwacht. |
| Maturiteit | De technologie is zeer matuur en uitvoerig getest ook in grootschalige testen met voertuigen | Er bestaat een uitgebreid testrapport van testen uitgevoerd door 5GAA. Er zijn reeds meerdere kleinschalige testen met voertuigen uitgevoerd. Grootschalige testen met de technologie gebeurden enkel in labo-opstelling. |
| Verdere evoluties | Een nieuwe werkgroep, IEEE 802.11bd, voor verdere evolutie van de huidige IEEE 802.11p standaard, is recent opgericht. De nieuwe standaard voorziet o.a. uitbreidingen voor hogere datasnelheden en hogere snelheden van voertuigen. | Direct C-V2X technologie voorziet in de toekomst ook een mode, waarmee kan samengewerkt worden met LTE-zendmasten voor tijdsynchronisatie en toekenning van tijd-frequentie blokjes (maar dan is wel een SIM-kaart en abonnement met een telecomoperator vereist).De 5G-V2X standaard wordt momenteel ook reeds gedefinieerd. |
| Coëxistentie (wanneer ITS-G5/SDRC en Direct C-V2X hetzelfde spectrum gebruiken) | In aanwezigheid van LTE, zal IEEE 802.11p het zenden van berichten uitstellen als het draadloze medium bezet is door Direct C-V2X berichten. Er zullen verder ook botsingen optreden door overlappende berichten met Direct C-V2X.Hierdoor zal de IEEE 802.11p capaciteit en betrouwbaarheid sterk dalen. | De Direct C-V2X technologie gaat ervan uit dat het volledige spectrum exclusief kan gebruikt worden en houdt geen rekening met andere technologieën. Direct C-V2X luistert niet of het draadloze medium vrij is vooraleer te zenden. Direct C-V2X zal daarom zijn geplande berichten sturen, ook als een IEEE 802.11p toestel op dat moment aan het zenden is. Hierdoor zullen botsingen ontstaan en zal de betrouwbaarheid sterk dalen. |
| Interoperabiliteit | Backward compatibiliteit met de 802.11p standaard is één van de prioriteiten van de IEEE werkgroep bij de ontwikkeling van de nieuwe IEEE 802.11bd standaard. Tot op heden is er geen directe interoperabiliteit tussen ITS-G5/DSRC en Direct C-V2X op radioniveau en er zijn geen indicaties dat dit in de toekomstige IEEE-standaarden zal opgenomen worden. | 5G-V2X (vanaf Release 15) is niet backward compatibel met Direct C-V2X (Release 14). Men beschouwt momenteel enkel het scenario waarbij 5G-V2X en Direct C-V2X (Release 14) in verschillende frequentiekanalen opereren en gebruikt worden voor complementaire use cases.3GPP, de standaardisatie-organisatie voor 3G/4G/5G cellulaire technologieën, voorziet tot op heden geen directe interoperabiliteit tussen ITS-G5/DSRC en Direct C-V2X op radioniveau en er zijn geen indicaties dat dit in de toekomstige standaarden zal opgenomen worden. |
Om echt te weten welke technologie het meest geschikt is om de veiligheid en efficiëntie van voertuigen te verbeteren, zijn verdere testen noodzakelijk.
Zoals blijkt uit de tabel heeft elke technologie zijn eigen specifieke kenmerken, elk met voordelen en nadelen. Om echt te weten welke technologie het meest geschikt is om de veiligheid en efficiëntie van voertuigen te verbeteren, zijn verdere testen noodzakelijk.
Aangezien Directe C-V2X prototype platformen nog niet lang beschikbaar zijn – initieel enkel toegankelijk voor autoconstructeurs en fabrikanten van draadloze communicatie-apparatuur, en pas zeer recent ook voor onafhankelijke instellingen zoals imec – bestaan er tot vandaag nog geen objectieve en volledige analyses voor de vergelijking van ITS-G5/DSRC en Direct C-V2X. De huidige analyses zijn vaak gebaseerd op simulaties, testen in labo-opstellingen waarbij de draadloze omgeving wordt nagebootst via kabels en verzwakking van signalen, of eerder kleinschalige experimentele testen langs de weg over kortere afstanden met een beperkt aantal voertuigen. Deze analyses zijn ook vaak gedreven door lobbygroepen, waarbij dan vooral aandacht wordt besteed aan de voordelen van een bepaalde technologie.
Momenteel zijn er verschillende initiatieven op Vlaamse niveau, nl. Smart Highway (zie kader) en op Europees niveau, zoals CONCORDA, 5G-CARMEN en 5G-MOBIX. In deze projecten, waarin ook imec betrokken is, is het net de bedoeling om testsites op te zetten langs autosnelwegen om de prestaties van verschillende technologieën in verschillende realistische scenario’s op een objectieve manier te vergelijken.
Technologieën zullen altijd blijven evolueren en de beste keuze van vandaag, zal dat morgen wellicht niet meer zijn. Men kan keuzes en beslissingen verder uitstellen, maar ooit zal de knoop moeten doorgehakt worden om wagens uit te rusten met de nodige communicatievoorzieningen om het verkeer veiliger en efficiënter te maken.
Directe communicatie tussen voertuigen en weginfrastructuur kan niet enkel bepaald worden door de nieuwste technologie. Nieuwere wagens zullen moeten blijven oudere technologie ondersteunen.
Draadloze technologieën evolueren met een cyclus die veel sneller is dan de levensduur van een voertuig. Een voertuig is helaas niet hetzelfde als een smartphone, die typisch om de 2 à 3 jaar wordt vervangen en daardoor meestal voorzien is van de meest recente technologie. Directe communicatie tussen voertuigen en weginfrastructuur kan niet enkel bepaald worden door de nieuwste technologie. Nieuwere wagens zullen moeten blijven oudere technologie ondersteunen. Interoperabiliteit zowel tussen opeenvolgende generaties van eenzelfde technologiefamilie als tussen verschillende technologiefamilies blijft een belangrijke uitdaging voor de komende jaren.
Smart Highway
Smart Highway is een project van de Vlaamse overheid en loopt in parallel met het Europese CONCORDA project. Binnen deze projecten wordt technologie ontwikkeld en uitgetest voor coöperatieve en geconnecteerde wagens, met als doel het verkeer – waaronder toekomstige zelfrijdende wagens – slimmer te maken door hun gezichtsveld uit te breiden met de informatie van naburige wagens.
Beide projecten worden in Vlaanderen gecoördineerd door imec, meer bepaald de IDLab onderzoeksgroep bestaande uit onderzoekers uit UAntwerpen en UGent, en met VUB, KU Leuven en Flanders Make (enkel Smart Highway) als onderzoekspartners, enToyota, Ericsson (CONCORDA), BMW, Telenet en Septentrio (Smart Highway) als geassocieerde partners uit de industrie. Vanuit Europa loopt er met CONCORDA een parallel initiatief in landen als Nederland, Duitsland, Spanje en Frankrijk.
Binnen Smart Highway wordt testinfrastructuur langs de E313 uitgerold met zowel ITS-G5 als C-V2X communicatiemodules. Deze modules communiceren met wagens die eveneens met deze technologie uitgerust zijn, en dit laat toe om de nieuwste C-ITS communicatietechnologieën uitvoerig uit te testen en objectief te vergelijken in een reële omgeving.
Tijdens een publiek event op 8 april 2019 werd dit testbed officieel geopend, waarbij een remmanoeuvre ogenblikkelijk doorgestuurd werd naar een achterliggende wagen en de weginfrastructuur.
Fout opgemerkt of meer nieuws? Meld het hier