Comment la technologie C-V2X permet de connecter les véhicules

La communication C-V2X (Cellular Vehicle-to-Everything) renforce la sécurité routière et l’efficacité du trafic en fournissant aux véhicules des informations pertinentes et appropriées concernant leur environnement. Pavol Polacek, ingénieur d’applications chez Anritsu, explique comment cette technologie profitera aux conducteurs et aux piétons et quels sont les défis à relever en matière de tests.

Comment définiriez-vous la technologie C-V2X et comment s’intègre-t-elle avec les autres technologies utilisées par les véhicules pour communiquer sans fil ?

Pavol Polacek – La technologie C-V2X (Cellular Vehicle-to-Everything) facilite la communication entre un véhicule et son environnement pour des cas d’utilisation spécifiques. Grâce à cette technologie, un véhicule peut communiquer directement avec d’autres véhicules (V2V), avec l’infrastructure routière (V2I) et avec les piétons (V2P). De même, le véhicule (V2N), l’infrastructure routière (I2N) et les piétons (P2N) peuvent communiquer via les réseaux cellulaires existants.

Les technologies de communication en mode direct, qu’il s’agisse de LTE-V2X ou de 5G-V2X, ont été développées dès l’origine pour prendre en charge ces applications. La technologie C-V2X a été spécialement conçue pour garantir l’efficacité des transmissions de données avec une faible latence et un haut débit dans l’environnement immédiat d’un véhicule, sans qu’il soit nécessaire de disposer d’une infrastructure de réseau. La robustesse des transmissions est prise en compte au niveau de la couche physique, grâce notamment à une plus forte densité de signaux de référence, à la robustesse de la modulation et au type de codage des canaux.

Certains cas d’utilisation dans le domaine de l’automobile, comme les systèmes d’alerte de danger ou les mises à jour de cartes en haute définition, tirent parti des capacités de communication via le réseau cellulaire. Ce réseau leur permet d’obtenir des informations à une distance importante du réseau, avec davantage de capacité, mais avec un temps de latence potentiellement plus long. Cela est rendu possible grâce à la couverture, à la portée et à la conception flexible du réseau.

Comme on peut le constater, la technologie C-V2X se rapporte au sens strict à la communication en mode direct, mais aussi plus largement à toutes communications des véhicules via les réseaux cellulaires.

Pour quels cas d’utilisation la technologie C-V2X a-t-elle été conçue ?

Pavol Polacek – Initialement, les cas d’utilisation pris en charge par la technologie V2X concernent l’amélioration de la sécurité et de l’efficacité, en améliorant la connaissance dont dispose un véhicule de son environnement. Pour ce faire, il diffuse des informations sur son état via l’interface de liaison LTE-V2X sidelink (LTE SL pour LTE sidelink). Une meilleure connaissance de l’environnement contribue à réduire le nombre de collisions et de blessures qui en résultent. Des messages d’alerte en cas de collision à une intersection ou la présence d’un danger sur la route ou bien encore la présence d’un véhicule d’urgence ne sont que quelques exemples.

Les cas d’utilisation plus avancés vont au-delà des aspects fondamentaux concernant la sécurité et l’efficacité en partageant également les informations provenant de capteurs. Ceci nécessite un débit de transmission de données plus élevé et une communication plus ciblée. C’est ce que permet la liaison NR 5G sidelink (NR SL pour 5G NR sidelink), grâce à l’ajout de capacités de monodiffusion (unicast) et de multidiffusion (multicast). Cela permettra de disposer d’une plus grande confiance concernant les informations délivrées et facilitera la coordination partielle. Parmi les exemples, on peut citer le régulateur de vitesse adaptatif coopératif amélioré ou la protection des usagers routiers vulnérables (VRU).

Enfin, la conduite coopérative sera véritablement possible grâce au partage des itinéraires et des intentions. Cela réduira considérablement les risques car les intentions précédemment déduites seront explicitement partagées entre les véhicules. Pour ce faire, il faut pouvoir établir un très haut niveau de confiance vis-à-vis des informations partagées, ce qui requiert un cadre robuste de la sécurité. La jonction de voies de circulation et la gestion dynamique des intersections sont des exemples types de cas d’utilisation.

Quels sont les défis spécifiques que la technologie C-V2X doit surmonter ?

Pavol Polacek – L’environnement d’un véhicule en mouvement évolue constamment avec souvent une forte densité d’usagers routiers vulnérables et d’autres véhicules se déplaçant autour de lui. Les capteurs disponibles, qu’il s’agisse de capteurs électroniques ou de la vision et de l’ouïe du conducteur, sont d’une portée limitée et ne peuvent pas voir ce qui se passe dans les virages ou derrière les obstacles. Même si des capteurs délivrent des informations précises, leur traitement et leur processus de prise de décision et d’action peuvent prendre un temps considérable. Dans ces circonstances, la représentation de l’environnement du véhicule peut être incomplète ou décalée dans le temps, ce qui conduit à des situations imprévisibles et risquées. 

La technologie C-V2X peut être utilisée pour combler ces lacunes et mettre à jour les informations liées à l’environnement du véhicule. Il est primordial que ces informations soient transmises en temps voulu, car pour être pertinentes les mises à jour doivent être délivrées à temps. En fusionnant les informations partagées via la technologie C-V2X avec celles fournies par des capteurs locaux, il est possible d’obtenir une image plus exhaustive, ce qui améliore la sécurité de toutes les personnes impliquées. 

À l’avenir, la technologie C-V2X fournira des informations non seulement sur l’environnement du véhicule à l’instant ‘’t’’ mais aussi sur les intentions futures et les manœuvres envisagées. Il s’agit donc d’une condition préalable au déploiement de systèmes coopératifs de conduite autonome. 

Quelles sont les normes pertinentes et comment influencent-elles le développement des plateformes de test ?

Pavol Polacek – Concernant les communications directes, l’interface LTE SL a été normalisée dans la version 14 des spécifications établies par la 3GPP, puis a été améliorée dans la version 15. L’interface LTE SL offre une capacité de diffusion qui permet des communications à grandes vitesses pour de fortes densités de véhicules, avec une faible latence et un débit élevé.

La version 16 a apporté d’autres améliorations. Elle a introduit l’interface NR SL qui facilite la diffusion, mais qui diffère de l’interface LTE SL par ses capacités de monodiffusion et de multidiffusion. Ceci permet de rendre la communication plus ciblée et d’offrir un débit plus élevé, une latence très faible et une très grande fiabilité. La version 17 de la 3GPP a quant à elle apporté des améliorations aux usagers routiers vulnérables.

Depuis la version 8 de la 3GPP jusqu’aux versions 17 et 18 les plus récentes, la communication via le réseau cellulaire, en plus d’être utilisée par les systèmes de divertissement embarqués, peut également être utilisée pour fournir une connectivité aux véhicules pour des applications telles que les avertisseurs de danger, les mises à jour de cartes, etc.

Avec un tel éventail de technologies et de cas d’utilisation, les tests ne peuvent pas être réalisés en se concentrant sur des aspects distincts du système. Le comportement du système doit être testé dans son ensemble tout en conservant la possibilité de se concentrer sur certains composants particuliers lorsque des problèmes sont découverts. Ainsi, la transmission des messages C-V2X doit être simulée dans différentes conditions et les comportements qui en résultent doivent être testés.

Quels sont les aspects que les systèmes de test doivent particulièrement aborder ?

Pavol Polacek – La problématique majeure concernant la technologie C-V2X concerne le large éventail de cas d’utilisation vu au travers du prisme de différents scénarios, c’est-à-dire différents tracés routiers, nombres et états des véhicules, usagers routiers vulnérables et technologies de communication. Ce large éventail de scénarios de trafic doit être testé pour garantir la robustesse et le bon fonctionnement de la technologie C-V2X. Un système de test doit donc pouvoir soumettre le dispositif testé à tous ces scénarios et observer son comportement.

Pour être plus précis, la configuration des routes peut varier – par exemple, les passages à niveau sont de dimensions et de formes très diverses, ce qui influence la manière dont le véhicule doit réagir pour gagner en sécurité et en efficacité. Le nombre et le comportement des participants sont également des facteurs importants. Les approches qui fonctionnent avec peu de véhicules circulant à proximité peuvent ne pas convenir à un trafic routier plus dense. Toutes les alternatives pertinentes doivent être essayées et testées.

Comme indiqué précédemment, la diversité des technologies de communication qui peuvent être mises en œuvre augmente le nombre potentiel de sources d’information qui doivent être intégrées dans la prise de décision. Il est également important de rappeler que la législation et les règles de circulation varient d’un pays à l’autre, ce qui peut avoir un effet sur la solution envisagée pour un cas d’utilisation particulier.

Comme ces considérations le suggèrent, le nombre de combinaisons possibles peut croître de manière exponentielle. Le système de test doit donc être en mesure de les gérer.

Comment les systèmes de test y parviennent-ils ?

Pavol Polacek – Le système de test met le dispositif sous test (DUT) dans différentes situations pour tester la réception et la transmission des messages, leur interprétation/analyse et le déclenchement d’actions. De cette façon, il peut évaluer la perception du DUT et ses réactions à une situation donnée. La figure 2 présente un exemple de configuration de test.

La plateforme de simulation de l’environnement permet d’alimenter l’objet sous test avec les informations pertinentes via les interfaces de communication disponibles. Pour ce faire, on utilise la solution de simulation en temps réel de dSPACE qui simule l’intégration de l’environnement du trafic, des signaux de l’infrastructure et de la dynamique du véhicule. Le système Aurelion est utilisé pour la simulation réaliste et la visualisation de capteurs. Ensuite, le matériel de communication (direct et en réseau) et le simulateur du système mondial de navigation par satellite (GNSS) sont contrôlés par la plateforme de simulation en temps réel de dSPACE. Cette solution intègre les capacités de communication requises afin que les messages et la position souhaités puissent être envoyés à l’objet sous test.

Quelles sont les autres problématiques auxquelles les développeurs sont confrontés ?

Pavol Polacek – Les scénarios de test peuvent être complexes puisqu’ils doivent prendre en compte de nombreuses variables depuis le tracé de la route à l’environnement de communication. Les développeurs doivent pouvoir contrôler de façon flexible les différents composants via une unique interface simple d’emploi.

L’intégration du simulateur de réseau 5G de la gamme MT8000A d’Anritsu au sein de la plateforme de simulation en temps réel de dSPACE fournit une interface unique pour l’exécution de scénarios simulés complexes. Le temps de mise en œuvre peut être réduit, minimisant ainsi l’effort requis pour la préparation. Le processus de test est automatisé, ce qui permet d’obtenir des résultats reproductibles et fiables. La solution propose un environnement à base de jumeau numérique pour reproduire des scénarios du monde réel ou créer des scénarios artificiels. Les tests peuvent ainsi commencer virtuellement lorsque les caractéristiques du véhicule réel ne sont pas encore finalisées.

Prenons l’exemple d’un scénario de test de fusion de capteurs. Avec la même configuration du réseau routier, le nombre et le type de véhicules ou de capteurs peuvent varier. Pour chaque cas de figure, nous pouvons modifier l’ensemble des règles de circulation en fonction des différentes situations géographiques. Le type de communication utilisé peut également varier, de la communication C-V2X en mode direct pur au mode réseau pur ou à une combinaison des deux. Tout cela est facile à mettre en œuvre car une grande partie de la complexité qui en découle est gérée par la solution de test qui propose à l’utilisateur une interface facile à appréhender et fournit des résultats simples à évaluer.

Comment la collaboration entre les différentes parties prenantes contribue-t-elle à accélérer le processus de test de la technologie C-V2X ?

Pavol Polacek – Nous avons constaté que pour intégrer avec succès la technologie C-V2X dans les véhicules, plusieurs aspects doivent être pris en considération. Les aspects techniques liés à la communication ne sont qu’un des éléments à prendre en compte. La manière dont les messages C-V2X sont traités, les données qu’ils contiennent, leur traitement et leur transformation en informations exploitables nécessitent de nombreux tests supplémentaires. Pour couvrir tous ces aspects, la solution de test doit également fournir d’autres fonctionnalités. Heureusement, il existe des experts et des solutions de test pour ce type de tests.

Concernant la coopération entre Anritsu et dSPACE, nous pouvons avant tout constater les connaissances robustes de chacune des entreprises dans leur domaine d’expertise respectif. Les simulations via des jumeaux numériques réalistes de capteurs et de technologies de communication sont complexes. Cependant, la collaboration qui a permis d’intégrer ces outils de test fournit aux clients une solution tout-en-un qui peut être déployée avec de moindres efforts. 

À titre d’exemple, le dispositif d’essai à base de jumeau numérique de la technologie C-V2X a été facilement adapté pour permettre l’essai des fonctions de protection des usagers routiers vulnérables qui sont activement développées dans l’industrie automobile. Une véritable piste d’essai a été recréée virtuellement où différents messages de données V2X générés par des dispositifs de communication tels que des smartphones portés par des usagers routiers vulnérables (cyclistes, piétons etc.), ainsi que des informations de capteurs provenant de caméras d’intersection, sont transmis à l’objet sous test. Le DUT affiche ensuite les informations de protection de l’usager routier vulnérable du côté du véhicule via la communication 5G à l’aide du simulateur de station de base 5G d’Anritsu ou du modem C-V2X.

Comment la technologie C-V2X va-t-elle changer l’expérience des usagers de la route et des piétons dans les années à venir ?

Pavol Polacek – Le premier déploiement à grande échelle de la technologie C-V2X avec un partage de statuts de base améliorera la sécurité routière en réduisant le nombre d’accidents et en améliorant la fluidité du trafic. Cela sera possible grâce à l’amélioration de la connaissance de la situation par le biais de notifications et d’avertissements.

Avec un partage d’informations plus avancé et plus ciblé, certains comportements coopératifs de base seront pris en charge. On peut s’attendre à ce que les informations reçues puissent déclencher une action de contrôle du véhicule, par exemple par l’utilisation d’un régulateur de vitesse adaptatif coopératif.

Enfin, le partage non seulement de l’état et des informations des capteurs, mais aussi des trajectoires et des intentions futures rendront possible la coopération entre les véhicules équipés de la technologie C-V2X. Cela permettra des cas d’utilisation plus sophistiqués, comme les jonctions coopératives de voies de circulation.

Nous venons de passer en revue principalement des cas d’utilisation impliquant des véhicules, mais le partage d’informations avec l’infrastructure routière et les usagers routiers vulnérables peut également être le fruit d’importantes transformations. En intégrant les véhicules C-V2X aux villes intelligentes, les flux de circulation et le franchissement des intersections gagneront en efficacité tandis que la prise en compte de la sécurité des usagers routiers vulnérables deviendra la règle.