Couverture ElectroniqueS n°127

La norme ETSI ITS-G5/IEEE 802.11p ne manque pas d'atouts face au LTE-V2X en termes de portée réelle, de compatibilité et de niveau d'avancement : les deux protocoles gagneraient à opérer conjointement dans les transports intelligents. L es systèmes de transport intelligents coopératifs (STI-C) permettront aux usagers de la route et aux responsables de la circulation routière d'échanger des informations, contribuant à réduire sensiblement le nombre d'accidents mortels. Ces améliorations seront rendues possibles grâce à la connectivité numérique entre les véhicules, mais également entre les véhicules et l'infrastructure routière. Cette technologie baptisée « V2X » ( Vehicle to Anything ) désigne les communications entre les véhicules et tout autre élément, véhicule, équipement ou infrastructure routière. La prise en charge des applications critiques pour la sécurité est au cœur des communications V2X. La directive 2010/40/UE constitue la législation de référence en vigueur au sein de l'Union européenne pour la mise en œuvre coordonnée et cohérente de systèmes de transport intelligents (STI). Selon cette directive, tout véhicule doit pouvoir communiquer avec tout autre véhicule ou équipement routier. État de préparation L'interopérabilité, la rétrocompatibilité et la maturité sont définies comme des principes fondamentaux. Testée depuis plus de 10 ans, la norme V2X basée sur la technologie Wi-Fi (ETSI ITS-G5/IEEE 802.11p) est prête à être déployée. Récemment, une nouvelle norme concernant les applications V2X a commencé à évoluer sous l'égide du projet 3GPP, se focalisant sur la normalisation des réseaux large bande mobiles. Dans la mesure où la sécurité de millions d'usagers de la route dépendra des performances de ces technologies, il est important de les comparer sur le triple plan de l'état de préparation, de la compatibilité et de la portée. ALESSIO FILIPPI, ANDREW TURLEY, KEES MOERMAN ET VINCENT MARTINEZ (TOUS QUATRE CHEZ NXP SEMICONDUCTORS) Alessio Filippi est responsable de développement en automobile, Andrew Turley est directeur de l'innovation et supervise le programme V2X, Kees Moerman est architecte système pour la R&D automobile et Vincent Martinez est ingénieur système et application. Tous travaillent pour NXP Semiconductors à Eindhoven, Nimègue ou Toulouse. Dérivée de la norme IEEE 802.11p, la norme ETSI ITS-G5 est une extension du standard Wi-Fi générique qui a été modifié et optimisé pour fonctionner dans un environnement automobile dynamique. La norme ETSI ITS-G5 a été définie en 2004 et fait l'objet d'un processus de normalisation approfondi intégrant de nombreux essais sur le terrain (dès 2008, avec les essais effectués en Allemagne sur 400 véhicules), ainsi que des tests d'interopérabilité multifournisseurs (essais de raccordement menés par l'ETSI depuis 2011). Des implémentations de qualité automobile sont disponibles depuis plu-sieurs années pour permettre aux constructeurs et aux équipementiers des tests de validation approfondis, une condition sine qua non pour tout produit important pour la sûreté. Pour sa part, la norme LTE-V2X est une extension relativement récente de la technologie cellulaire 4G/LTE. Les travaux concernant la spécification Rel 14 ont été lancés par le projet 3GPP il y a tout juste trois ans dans le but de rattraper le retard pris sur la technologie « 11p » associée au programme C-ROADS en Europe et au projet de réglementation NPRM ( Notice of Proposed Rulemaking ) de la NHTSA ( National Highway Traffic Safety Administration ) aux États-Unis. Par conséquent, certaines caractéristiques clés ne sont pas parvenues à maturité et seront partiellement corrigées dans la spécification Rel 15 dont la finalisation est attendue d'ici au troisième trimestre 2018. Voici quelques-uns des défauts actuellement connus et qui doivent être corrigés dans la version Rel 15 : -problème d'entrelacement de canaux et d'adaptation du débit en raison de la réutilisation d'autres schémas de liaisons montantes et latérales LTE (voir différentes contributions 3GPP RAN12) ayant un impact considérable sur les performances du canal de données en liaison latérale PSSCH ( Physical Sidelink Shared Channel ) dans 28,3 % des combinaisons entre les schémas de codage et modulation/blocs de ressources (RB). Cette solution est incompatible avec la Rel 15 ; < Une approche hybride permettrait d'utiliser le 802.11p pour les messages de sécurité et le LTE-V2X pour les données moins sensibles comme la gestion du trafic. - refonte de la table de tailles des blocs de transport (TBS) dans la Rel 15, avec mise à l'échelle des TBS ; en effet, les liaisons latérales possèdent au maximum 9 symboles de données, contre 12 dans les liaisons montantes LTE. Résolu de manière incompatible dans la Rel 15 ; - le mode 4 de la norme LTE-V2X Rel 14 souffre d'un temps de latence excessif, dû en partie à la fenêtre de sélection de latence de 20-100 ms dans la couche PHY. Des discussions sont en cours au sein du 3GPP en vue de réduire cette fenêtre dans la Rel 15, ce qui sera incompatible avec la Rel 14 ; - problème de semi-duplex : en raison du schéma d'accès multi-utilisateur, les usagers manqueront les messages de sécurité qui seront transmis simultanément à leurs propres messages. Ce problème ne concerne pas la norme ETSI ITS-G5 qui repose sur le principe de l'« écoute avant transmission » ( Listen Before Talk – LBT). Dans la Rel 14, ce phénomène est potentiellement atténué par la retransmission du signal (demande automatique de répétition hybride ou HARQ), au détriment du nombre maximum de véhicules qui est réduit de moitié. Ce problème n'est pas encore résolu dans la Rel 15, seulement par la 5G NR (New Radio) ; - l'espacement réduit entre sous-porteuses de 15 kHz, hérité des bandes cellulaires (typiquement dans la région des 2 ou 3 GHz), n'est pas adapté à la bande des 5,9 GHz. La norme LTE-V2X est par conséquent très sensible aux décalages de fréquence. En mode 5G NR, le projet 3GPP prévoit de « déverrouiller » l'espacement entre sous-porteuses, ce qui le rend configurable par déploiement. Nous manquons également de données collectées dans le cadre d'essais sur le terrain. La plupart des données LTE-V2X présentées reposent sur des simulations numériques, ce qui signifie, au mieux, que la spécification est immature (par exemple, réduction du rendement) ; et au pire, qu'elle ne convient pas aux applications de sûreté fonctionnelle visant à réduire le nombre de victimes de la route. De plus, l'évolution de la technologie LTE-V2X (Rel 14, Rel 15, etc.) introduira nécessairement différentes classes de performances, de sorte que les véhicules utilisant la technologie LTE Rel 15 seront plus sûrs que ceux qui auront accès à la Rel 14, une situation injuste pour les conducteurs et les citoyens. Il convient également de noter que même si les spécifications LTE-V2X Rel 14 sont finalisées, il reste encore à définir les profils de déploiement (qui varient entre les régions ou les pays), ce qui pourrait prendre des années compte tenu de la complexité inhérente au paramétrage précis des couches supérieures (nombre de sous-canaux, demande automatique de répétition hybride HARQ, règles relatives au schéma d'attribution, etc.). En effet, chaque paramètre porte sur des modes de déploiement spécifiques et étroits (autoroutes, zones denses, etc.). La norme ETSI ITS-G5 n'est pas confrontée à ce problème, étant naturellement conçue pour faire face à de multiples scénarios. Compatibilité La norme ETSI ITS-G5 ayant déjà été testée sur le terrain à l'occasion de multiples essais et ayant considérablement mûri au fil des ans, aucune révision majeure n'est requise ni officiellement prévue. Des discussions informelles ont toutefois lieu pour déterminer si des extensions ou des débits de transmission plus élevés sont nécessaires pour déployer des services supplémentaires. La Rel 15 de la norme LTE-V2X ne sera pas rétrocompatible avec les services introduits avec la Rel 14. De même, la technologie 5G NR (New Radio) ne sera pas compatible en amont avec les releases Rel 15 ou Rel 14 – et ce, en raison notamment des modifications devant être apportées à plusieurs paramètres au niveau structurel pour corriger les défauts mentionnés au chapitre précédent. Par ailleurs, certaines améliorations intégrées à la Rel 15 ne sont pas compatibles avec la Rel 14 – par exemple le schéma de diversité de transmission non transparent (codage STBC ou SFBC) et la modulation d'amplitude en quadrature 64-QAM. Par conséquent, un appareil doté de la Rel 14 ne pourra pas décoder les transmissions Rel 15 (PSSCH – Physical Sidelink Shared Channel ) et ne pourra voir que l'attribution de planification (PSCCH – Physical Sidelink Control Channel ), qui n'est pas modifiée. En d'autres termes, une implémentation LTE-V2X devra systématiquement intégrer et utiliser les anciennes versions de la norme, à condition qu'elle s'appuie sur les services des versions précédentes. Malheureusement, c'est essentiellement le cas des messages de sécurité de base qui compteront parmi les premiers à être déployés avec la Rel 14. En raison de la nature radiodiffusée ( broadcast ) des messages de sécurité, il est impossible de savoir si les appareils existants se trouvent à proximité, de sorte qu'il sera toujours nécessaire de revenir à la Rel 14 (avec ses défauts et ses inconvénients). Seuls les nouveaux services peuvent utiliser la Rel 15 et bénéficier de ses performances optimisées. Comparaison des portées La norme ETSI ITS-G5 utilise des technologies spécialement adaptées à une grande mobilité. Par exemple, et même si elle semble constituer un inconvénient, l'utilisation de codeurs convolutifs « obsolètes » permet d'utiliser un schéma de type « turbo-codec » pour adapter dynamiquement l'estimation de canal par symbole afin de suivre l'évolution des caractéristiques des canaux inhérente aux environnements mobiles. Une telle approche, dont ne disposent pas les systèmes Wi-Fi ordinaires, a déjà été décrite et mise en œuvre en 2011. Plus récents, les codecs à base de blocs de type LDPC ( Low Density Parity Check ) qui sont utilisés dans les systèmes compatibles LTE-V2X ne peuvent fournir des performances aussi robustes à grande vitesse, dans la mesure où ils ne peuvent pas être décodés par symbole, mais par bloc. Combinée à la robustesse des mécanismes d'accès aux canaux mentionnée ci-dessus, la technologie couverte par la norme ETSI ITS-G5 est également capable de gérer une grande mobilité et de longues distances. La portée étendue a également été confirmée par des essais effectués sur le terrain par des équipementiers. Une interview publiée par le magazine Traffic Technology Today indique, par exemple, que « dans les défis à grande vitesse, les véhicules Audi avec fonction V2V équipés du chipset NXP RoadLINK ont roulé l'un vers l'autre à des vitesses relatives allant jusqu'à 500 km/h, communiquant sur des distances de plus de 2 km ». Les performances de portée simulées représentées sur la figure page 67 par la ligne rouge pointillée sont basées sur les performances réelles du jeu de circuits de communications dédiées à courte portée (DSRC) de NXP ; elles donnent un résultat optimum supérieur à 500 m (taux de réception de paquets (PRR) 90 %) contre 240 m pour la norme LTE-V2X. Modèle utilisé : autoroute à six voies (trois voies de 2 km dans chaque direction) ; arrivés à chaque extrémité, les véhicules repartent en sens inverse ; mobilité simulée par un simulateur de trafic réaliste. La charge de trafic est de quatre paquets de 190 octets, suivis d'un paquet de 300 octets transmis au débit de 6 Mbit/s. La puissance de transmission est fixée à 20 dBm avec un gain de 3 dBi en transmission et en réception, et une sensibilité du récep-teur de - 95 dBm. Réglage des voies : affaiblissement de propagation sur deux pentes, modèle Nakagami-m. En outre, l'absence d'un profil de communications clairement défini pour la norme LTE-V2X en raison du grand nombre de configurations possibles, les exigences de timing irréalistes, les imprécisions relatives au nombre de véhicules pris en charge et les limitations liées au temps de latence sont autant d'interrogations encore sans réponse. Ces éléments soulignent la différence de maturité entre les normes LTE-V2X et ETSI ITS-G5. Tous ces éléments permettent de conclure que la norme LTE-V2X accuse un certain retard sur le plan des performances en communications V2X. La norme LTE-V2X telle que basée sur la Rel 14 n'est pas encore prête et n'apporte pas les importantes améliorations annoncées par ses partisans. La comparaison avec la norme ETSI ITS-G5 souligne clairement l'immaturité de la proposition LTE-V2X, le manque de tests et d'essais concluants, ainsi que l'absence de réelle rétrocompatibilité avec les futures versions LTE-V2X, en particulier pour les utilisations liées à la sûreté fonctionnelle. La directive européenne 2010/40/UE relative aux systèmes de transport intelligents (STI) définit la rétrocompatibilité, l'interopérabilité et la maturité comme des principes clés pour le choix et le déploiement de systèmes de transport intelligents, sans oublier l'émission de mandats concernant les normes. Ce n'est clairement pas le cas pour la norme LTE-V2X, ni pour l'industrie cellulaire en général. À notre avis, la façon la plus efficace de réduire le nombre de victimes de la route et d'améliorer la sécurité routière passe par une approche hybride où les deux technologies de communications opéreront conjointement : -la norme ETSI ITS-G5 qui diffusera les messages de sécurité dans le spectre de fréquences de 5,9 GHz attribué aux applications V2X ; - la norme LTE-V2X qui fournira des informations I2V (entre l'infrastructure routière et les véhicules) pour un nombre accru de services liés à l'infrastructure, tels que les informations relatives à la gestion du trafic dans le spectre des 3,2-3,8 GHz attribué aux communications cellulaires. Ce point de vue est partagé par la plupart des professionnels de l'industrie automobile et du secteur des infrastructures routières, comme le montre la récente lettre de la « Coalition for Safety Sooner » adressée par les ministères des Transports des États américains et les partenaires industriels au ministère fédéral des Transports (US-DOT) et à la FCC. n

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