La tecnologia Cellular-V2X (C-V2X) consente ai veicoli di comunicare tra loro e con l’ambiente circostante, migliorando sicurezza e tempi di reazione.

L'interfaccia di comunicazione diretta PC5, indipendente dalla rete cellulare, garantisce bassa latenza e alta affidabilità, utile per casi critici come frenate improvvise o incroci a scarsa visibilità.

I test effettuati con l’analizzatore MT1000A di Anritsu mostrano latenze massime di qualche decina di millisecondi, confermando l’efficacia del sistema.

Tecnologia Cellular-V2X

Pensata per facilitare le comunicazioni tra un veicolo e l'ambiente circostante, la tecnologia Cellular-V2X o C-V2X è stata progettata per coprire diversi casi d'uso specifici del settore automobilistico.

Sono state previste due tipi di interfacce radio: Uu (LTE Uu e più recentemente anche NR Uu) per il collegamento con le stazioni radio base facenti parte della rete cellulare, e LTE PC5, per il collegamento diretto ad altri veicoli e alle unità a bordo strada, o RSU (Road-Side Unit).

Lo standard C-V2X è stato progettato specificamente per garantire uno scambio di messaggi molto efficiente, a bassa latenza e ad alta velocità di trasmissione dei dati nelle immediate vicinanze di un veicolo.

Nella modalità di comunicazione diretta tramite PC5, una connessione C-V2X non richiede la presenza di alcuna infrastruttura di rete. Lo standard prevede un solido livello fisico che sfrutta una maggiore densità di segnali di riferimento, schemi di modulazione robusti , codifica delle informazioni e codifica di canale.

Un veicolo equipaggiato con una radio C-V2X che utilizza l’interfaccia PC5 può comunicare direttamente in tre modi: da veicolo a veicolo (V2V), da veicolo a infrastruttura (V2I) e da veicolo a pedoni (V2P).

Comunicazioni LTE

Lo standard di interfaccia LTE PC5 è descritto nella specifica 3GPP Release 14 ed è stato migliorato nella Release 15. Si basa sul livello fisico LTE, con alcuni adattamenti specifici per le comunicazioni con i veicoli. Gli adattamenti introdotti includono:

• Indipendenza dall'infrastruttura di rete - offre diversi vantaggi, come una più bassa latenza e la condivisione immediata delle informazioni senza la necessità di stabilire una connessione alla rete. Consente inoltre ai veicoli di comunicare anche quando si trovano al di fuori della copertura della rete cellulare.
• Broadcasting - elimina l'indirizzamento specifico delle informazioni, semplificando e rendendo più rapida la diffusione delle informazioni. Lo svantaggio è l'impossibilità di indirizzare in modo mirato specifici destinatari per i quali le informazioni potrebbero essere rilevanti.
• Robustezza con trasmettitori e ricevitori in movimento ad alta velocità: si ottiene adottando l'accesso multiplo a divisione di frequenza a singola portante (SC-FDMA), una modulazione robusta per le informazioni di controllo, l'osservazione di un periodo di guardia aggiuntivo alla fine del subframe e l'uso di un segnale di riferimento di demodulazione (DMRS, Demodulation Reference Signal).

Casi d'uso della modalità di comunicazione diretta C-V2X

Ecco alcune casi d'uso delle comunicazioni V2X in cui lo scambio diretto di informazioni tramite l’interfaccia PC5 è chiaramente vantaggioso per il veicolo in marcia:

Avviso di frenata di emergenza - in questo caso il veicolo precedente effettua una brusca frenata a causa di una condizione stradale che si trova di fronte. Un veicolo che lo segue a una velocità superiore rispetto alla sua, rischierebbe di tamponarlo. Con un preavviso sufficiente ricevuto tramite la comunicazione PC5, il veicolo che segue può iniziare a frenare solo con un leggero ritardo rispetto al veicolo di testa, riducendo il tempo di reazione. Il livello di latenza richiesto per questo caso d'uso è di 120 ms[1].

Avviso di collisione all'incrocio - I veicoli che si avvicinano a un incrocio possono avere la visuale ostruita dagli edifici circostanti e quindi non si accorgono l'uno dell'altro, a meno che non siano già in all'incrocio. La consapevolezza della situazione viene compromessa e possono verificarsi collisioni laterali particolarmente pericolose. Una comunicazione PC5 può ovviare a questo problema, rendendo i veicoli consapevoli l'uno dell'altro, anche quando non possono ancora vedersi tra loro. La latenza richiesta per questa funzione è di 100 ms [1].

Configurazione di Test

La configurazione di prova per valutare le prestazioni di latenza dell'interfaccia LTE PC5, illustrata nella Figura 1, comprende un tester multifunzione Anritsu MT1000A collegato a due moduli di comunicazione C-V2X posti a 50 metri di distanza l'uno dall'altro.

I due moduli C-V2X sono configurati per comunicare unidirezionalmente tra loro via etere tramite l'interfaccia PC5, lavorando in modalità 4 (fuori dalla copertura della rete cellulare). Poiché l'attenzione è rivolta alle prestazioni di latenza dell'interfaccia PC5, solo un modulo per volta trasmette, affinché il meccanismo di rilevamento “listen before talk” non aggiunga interferenze o ritardi di trasmissione.

Non sono state effettuate prove su distanze diverse, poiché il ritardo di propagazione composto è trascurabile, in quanto rappresenta solo lo 0,001% della latenza totale end-to-end. La verifica di altre caratteristiche, come l’attenuazione, esula dallo scopo di questo articolo.

Utilizzando questa configurazione di test, è possibile misurare la latenza dell'intero stack ITS dal livello fisico a quello dei messaggi. L'analizzatore MT1000A utilizza il suo orologio di riferimento interno per etichettare temporalmente i pacchetti UDP e misurare la latenza con una precisione di 0,1 microsecondi.

Fig. 1 - Configurazione del test in laboratorio con un analizzatore MT1000A e due moduli C-V2X

Questa configurazione può essere facilmente adattata per i test sul campo utilizzando due o più analizzatori MT1000A.

La Figura 2 mostra una configurazione in cui è possibile misurare la latenza tra le unità di bordo (OBU) e le unità di strada (RSU). Tutti gli analizzatori MT1000A sono sincronizzati temporalmente con il segnale GNSS; quindi, possono essere collocati in una posizione arbitraria ed essere mobili.

Fig. 2 - Configurazione di test che può essere utilizzata per le misure sul campo delle comunicazioni C-V2X in scenari reali

Prestazioni di Latenza PC5 misurate

Le misure della latenza PC5 sono state effettuate utilizzando la configurazione di prova descritta nella Figura 1, con un Analizzatore MT1000A e due moduli di comunicazione C-V2X. In questo caso, solo un modulo trasmetteva alla volta, mentre l'altro riceveva.

La latenza della connessione PC5 è stata misurata utilizzando le seguenti impostazioni [2]:

• È stato utilizzato lo Schema di Modulazione e Codifica (MCS) numero 15, ossia la modulazione 16QAM, con un tasso di codifica di 0,652 e un bit rate del burst di 15,648 Mbps.
• Larghezza di banda - 10 MHz con 5 sottocanali (da 12 sottoportanti ciascuno).
• Velocità di generazione dei pacchetti - 10 e 100 pacchetti al secondo (PPS).
• Dimensioni del payload: 200, 400, 600, 800 e 1000 byte.

Ciò consente di verificare le prestazioni dell'interfaccia PC5 su una gamma di messaggi di dimensioni realistiche [3].

Quando la generazione dei pacchetti è impostata su 10 PPS, la latenza misurata varia da 13,5 a 28,3 ms, con una media di 19,1 ms, per diverse lunghezze di payload. La stima della densità del kernel della latenza (KDE), ottenuta dalla stima della densità di probabilità dopo l'applicazione del kernel smoothing, è mostrata nella Figura 3 e mostra un caratteristico skew positivo.

Fig. 3 - Il KDE della latenza con una velocità di generazione dei pacchetti di 10 PPS. Nel complesso, la dimensione del payload non influisce in modo significativo sulla distribuzione

Quando la generazione dei pacchetti è impostata a 100 PPS, la latenza varia da 12,9 a 27,8 ms, con una media di 18,6 ms per le dimensioni del payload di 200 e 800 byte. Il KDE è mostrato nella Figura 4 e presenta un caratteristico skew positivo, con una piccola valle a 21 ms.

Se consideriamo le dimensioni del payload di 1000 byte, la latenza varia da 13,4 a 27,8 ms, con una media di 19,6 ms. In questo caso, il KDE non è così distorto, ma mostra comunque una piccola valle a 21 ms. Queste valli sono causate dallo scheduling interno del dispositivo.

Fig. 4: Il KDE della latenza con una velocità di generazione dei pacchetti di 100 PPS. Il KDE cambia dopo l'aumento della dimensione del payload a 1000 byte.

Tabella 1: Le latenze per diverse dimensioni di payload e frequenze di generazione dei pacchetti.

Come dimostrano le misure, la latenza end-to-end della connessione LTE PC5 rientra nei limiti dei casi d'uso del V2X [1]. Tuttavia, saranno necessari ulteriori test per misurare la latenza in condizioni diverse, ad esempio in presenza di interferenze o in condizioni di congestione.

MT1000A Network Master Pro

L'analizzatore Anritsu MT1000A è uno strumento modulare adatto a molteplici applicazioni di test delle comunicazioniL'analizzatore MT1000A è un tester da campo all-in-one che può essere utilizzato per valutare una serie di parametri delle reti di comunicazione, tra cui parametri di qualità come latenza, jitter, errori di pattern o sequenza e perdita di pacchetti.

L'analizzatore MT1000A ha un design modulare, con diversi moduli che supportano tecnologie combinate: 10G/100G Ethernet, OTN, SONET/SDH, OTDR e altre. Il software MT1000A è flessibile, facile da usare e consente di eseguire test automatizzati.

Per misurare la latenza delle connessioni V2X, l'analizzatore MT1000A utilizza un protocollo applicativo personalizzato in cui la latenza end-to-end viene calcolata come differenza tra il timestamp dell'invio del pacchetto e il timestamp della ricezione del pacchetto.

La precisione della misurazione della latenza è dell'ordine del microsecondo, consentendo di effettuare misurazioni affidabili e analisi dettagliate.

Conclusioni

La bassa latenza è uno dei principali vantaggi delle comunicazioni V2X. È quindi importante essere in grado di valutare con certezza la latenza.

Questo tipo di test deve essere effettuato in tutte le fasi, sia che si tratti di prove sui moduli di comunicazione durante il loro sviluppo, sia che si tratti di collaudo in condizioni reali una volta realizzati. Tutti questi aspetti possono essere verificati con il tester di rete portatile all-in-one MT1000A.

Bibliografia

[1]       5GAA, “C-V2X Use Cases: Methodology, Examples and Service Level Requirements,” 5GAA, Munich, 2019.

[2]       3GPP, “3GPP TS 36.331 version 15.3.0 Release 15,” 3GPP, 2018.

[3]       C. 2. C. C. Consortium, “Survey on ITS-G5 CAM statistics,” CAR 2 CAR Communication Consortium, 2018.

[4]       Anritsu, “MT1000A Introduction,” [Online]. Available: https://www.anritsu.com/en-us/test-measurement/products/mt1000a.