El sistema de comunicación de vehículo a todo ( V2X ) describe la comunicación inalámbrica entre un vehículo y cualquier entidad que pueda afectar al vehículo o verse afectada por él. A veces denominado C-V2X , es un sistema de comunicación vehicular que tiene como objetivo mejorar la seguridad vial y la eficiencia del tráfico , al tiempo que reduce la contaminación y ahorra energía.
Las industrias de la automoción y las comunicaciones, junto con el gobierno de los EE. UU., [1] la Unión Europea [2] y Corea del Sur [3] están promoviendo activamente el V2X y el C-V2X como tecnologías que podrían salvar vidas y reducir la contaminación. El Departamento de Transporte de los EE. UU. ha dicho que las tecnologías V2X ofrecen importantes beneficios en materia de seguridad y movilidad en el transporte. [1] La NHTSA de los EE. UU. estima que, si se implementara un sistema V2V, se reducirían al menos un 13 % los accidentes de tránsito, lo que se traduciría en 439 000 accidentes menos por año. [4] La tecnología V2X ya se está utilizando en Europa y China. [5]
Existen dos estándares para comunicaciones V2X dedicadas, según la tecnología inalámbrica subyacente que se utilice: (1) basada en WLAN y (2) basada en telefonía celular . V2X también incorpora varios tipos de comunicación más específicos, entre ellos:
La historia del trabajo en proyectos de comunicación entre vehículos para aumentar la seguridad, reducir los accidentes y brindar asistencia al conductor se remonta a la década de 1970 con proyectos como el Sistema de Guía Electrónica de Carreteras (ERGS) de EE. UU. y el CACS de Japón. [7] La mayoría de los hitos en la historia de las redes de vehículos se originaron en Estados Unidos, Europa y Japón. [7]
La estandarización de V2X basada en WLAN reemplaza a la de los sistemas V2X basados en celulares. IEEE publicó por primera vez la especificación de V2X basada en WLAN ( IEEE 802.11p ) en 2010. [8] Admite comunicación directa entre vehículos (V2V) y entre vehículos e infraestructura (V2I). Esta tecnología se conoce como Comunicación de corto alcance dedicada ( DSRC ). DSRC utiliza la comunicación de radio subyacente proporcionada por 802.11p.
En 2016, Toyota se convirtió en el primer fabricante de automóviles del mundo en introducir automóviles equipados con V2X. Estos vehículos utilizan tecnología DSRC y solo se venden en Japón. En 2017, GM se convirtió en el segundo fabricante de automóviles en introducir V2X. GM vende un modelo de Cadillac en Estados Unidos que también está equipado con DSRC V2X.
En 2016, 3GPP publicó especificaciones V2X basadas en LTE como tecnología subyacente. Generalmente se la denomina "V2X celular" (C-V2X) para diferenciarse de la tecnología V2X basada en 802.11p. Además de la comunicación directa (V2V, V2I), C-V2X también admite la comunicación de área amplia a través de una red celular (V2N).
A partir de diciembre de 2017, un fabricante de automóviles europeo anunció que implementaría la tecnología V2X basada en 802.11p a partir de 2019. [9] Si bien algunos estudios y análisis en 2017 [9] y 2018, [10] todos realizados por la 5G Automotive Association (5GAA), la organización de la industria que respalda y desarrolla la tecnología C-V2X, indican que la tecnología C-V2X basada en celular en modo de comunicación directa es superior a 802.11p en múltiples aspectos, como rendimiento, alcance de comunicación y confiabilidad, muchas de estas afirmaciones son disputadas, por ejemplo, en un documento técnico publicado por NXP, [11] una de las empresas activas en la tecnología V2X basada en 802.11p, pero también publicada por revistas revisadas por pares. [12]
Esta tecnología puede utilizarse de forma indebida para controlar el vehículo a distancia. La policía de la República Checa (2024) anunció que, en colaboración con universidades, ha desarrollado un sistema para detener vehículos a distancia, haciendo referencia al hecho de que este procedimiento es legal incluso según la legislación vigente. [13]
La comunicación V2X original utiliza tecnología WLAN y funciona directamente entre vehículos (V2V) así como entre vehículos e infraestructura de tráfico (V2I), que forman una red ad-hoc vehicular cuando dos transmisores V2X se encuentran dentro del alcance de cada uno. Por lo tanto, no requiere ninguna infraestructura de comunicación para que los vehículos se comuniquen, lo que es clave para garantizar la seguridad en áreas remotas o poco desarrolladas. WLAN es particularmente adecuada para la comunicación V2X, debido a su baja latencia. Transmite mensajes conocidos como Mensajes de Conciencia Cooperativa (CAM) o Mensajes de Seguridad Básica (BSM), y Mensajes de Notificación Ambiental Descentralizada (DENM). Otros mensajes relacionados con la infraestructura de la carretera son el Mensaje de Fase y Tiempo de Señal (SPAT), el Mensaje de Información en el Vehículo (IVI) y el Mensaje de Solicitud de Servicio (SRM). El volumen de datos de estos mensajes es muy bajo. La tecnología de radio es parte de la familia de estándares WLAN IEEE 802.11 y se conoce en los EE. UU. como Acceso Inalámbrico en Entornos Vehiculares (WAVE) y en Europa como ITS-G5. [14] Para complementar el modo de comunicación directa, los vehículos pueden estar equipados con tecnologías de comunicación celular tradicionales, que admitan servicios basados en V2N. Esta extensión con V2N se logró en Europa bajo el paraguas de la plataforma C-ITS [15] con sistemas celulares y sistemas de transmisión (TMC/DAB+).
La comunicación V2X más reciente utiliza redes celulares y se denomina V2X celular (o C-V2X) para diferenciarla de la V2X basada en WLAN. Varias organizaciones de la industria, como la 5G Automotive Association (5GAA), han promovido la C-V2X debido a sus ventajas sobre la V2X basada en WLAN (sin considerar las desventajas al mismo tiempo). [16] La C-V2X se definió inicialmente como LTE en la versión 14 de 3GPP y está diseñada para funcionar en varios modos:
En la versión 15 de 3GPP, las funcionalidades de V2X se amplían para admitir 5G . C-V2X incluye compatibilidad tanto con la comunicación directa entre vehículos (V2V) como con la comunicación tradicional basada en redes celulares. Además, C-V2X proporciona una ruta de migración a sistemas y servicios basados en 5G, lo que implica incompatibilidad y costos más altos en comparación con las soluciones basadas en 4G.
La comunicación directa entre el vehículo y otros dispositivos (V2V, V2I) utiliza la denominada interfaz PC5. PC5 se refiere a un punto de referencia donde el Equipo de Usuario (UE), es decir, el teléfono móvil, se comunica directamente con otro UE a través del canal directo. En este caso, no se requiere la comunicación con la estación base . En el nivel de arquitectura del sistema, el servicio de proximidad (ProSe) es la característica que especifica la arquitectura de la comunicación directa entre los UE. En las especificaciones RAN 3GPP, "enlace lateral" es la terminología para referirse a la comunicación directa a través de PC5. La interfaz PC5 se definió originalmente para abordar las necesidades de comunicación de misión crítica para la comunidad de seguridad pública (Seguridad Pública-LTE o PS-LTE) en la versión 13. La motivación de la comunicación de misión crítica era permitir que las agencias de aplicación de la ley o el rescate de emergencia utilizaran la comunicación LTE incluso cuando la infraestructura no estuviera disponible, como en un escenario de desastre natural. A partir de la versión 14, se amplió el uso de la interfaz PC5 para satisfacer diversas necesidades del mercado, como la comunicación que involucra dispositivos portátiles como los relojes inteligentes . En C-V2X, la interfaz PC5 se vuelve a aplicar a la comunicación directa en V2V y V2I.
La comunicación del modo 4 de Cellular V2X se basa en un esquema de asignación de recursos distribuidos, es decir, una programación semipersistente basada en detección que programa los recursos de radio de manera independiente en cada equipo de usuario (UE). [17] [18] [19]
Además de la comunicación directa a través de PC5, C-V2X también permite que el dispositivo C-V2X utilice la conexión de red celular de la manera tradicional a través de la interfaz Uu. Uu se refiere a la interfaz lógica entre el UE y la estación base. Esto generalmente se conoce como vehículo a red (V2N). V2N es un caso de uso exclusivo de C-V2X y no existe en V2X basado en 802.11p dado que este último solo admite comunicación directa. Sin embargo, de manera similar a V2X basado en WLAN, también en el caso de C-V2X se requieren dos radios de comunicación para poder comunicarse simultáneamente a través de una interfaz PC5 con estaciones cercanas y a través de la interfaz UU con la red.
Si bien 3GPP define las características de transporte de datos que habilitan V2X, no incluye contenido semántico V2X pero propone el uso de estándares ITS-G5 como CAM, DENM, BSM, etc. sobre las características de transporte de datos 3GPP V2X. [20]
A través de su comunicación instantánea, V2X permite aplicaciones de seguridad vial como (lista no exhaustiva):
En junio de 2024, el Departamento de Transporte de los EE. UU. anunció que otorgaría $60 millones en subvenciones para promover tecnologías de vehículos conectados e interoperables bajo un programa llamado "Salvar vidas con conectividad: acelerar el programa de implementación V2X". [21] Dijo que las subvenciones a los beneficiarios en Arizona, Texas y Utah servirían como modelos nacionales para acelerar e impulsar nuevas implementaciones de tecnologías V2X. El organismo de normalización europeo ETSI y SAE publicaron estándares sobre lo que consideran casos de uso. [22] [23] Los primeros casos de uso se centran en la seguridad y la eficiencia vial. [24] Organizaciones como 3GPP y 5GAA presentan y prueban continuamente nuevos casos. La 5GAA ha publicado varias hojas de ruta [25] que destacan el potencial técnico y los desafíos de los nuevos casos de uso. Algunos casos de uso abordan altos niveles de automatización. [7]
El sistema C-V2X ofrece otros casos de uso, como información sobre carreteras resbaladizas, obras y peligros en la carretera, para automóviles y camiones en pendientes, curvas y distancias más largas de las que es posible con las comunicaciones directas. Volvo, por ejemplo, ha vendido automóviles nuevos que advierten a otros Volvo de carreteras resbaladizas más adelante utilizando comunicaciones C-V2X desde 2016 en Dinamarca, y ha anunciado planes para complementar eso con advertencias generales de accidentes más adelante y ofrecer la misma funcionalidad en otros mercados europeos con el tiempo. [26]
A mediano plazo, se considera que V2X es un factor clave para la conducción autónoma, siempre que se le permita intervenir en la conducción real. En ese caso, los vehículos podrían unirse a los pelotones de la misma manera que lo hacen los vehículos pesados. Con la llegada de la movilidad conectada y autónoma, se considera que las discusiones sobre V2X desempeñarán un papel importante, especialmente en el contexto de las teleoperaciones para vehículos autónomos [27] y los pelotones [28] [29].
La comunicación V2X basada en WLAN se basa en un conjunto de normas redactadas por la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM). La serie de normas ASTM E 2213 analiza la comunicación inalámbrica para el intercambio de información a alta velocidad entre los propios vehículos y la infraestructura vial. La primera norma de esta serie se publicó en 2002. En ella se utilizó por primera vez el acrónimo Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) para la comunicación V2X.
A partir de 2004, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) comenzó a trabajar en el acceso inalámbrico para vehículos bajo el paraguas de su familia de estándares IEEE 802.11 para redes de área local inalámbricas (WLAN). Su estándar inicial para la comunicación inalámbrica para vehículos se conoce como IEEE 802.11p y se basa en el trabajo realizado por la ASTM. Más tarde, en 2012, IEEE 802.11p se incorporó al IEEE 802.11.
Alrededor de 2007, cuando el IEEE 802.11p se estabilizó, el IEEE comenzó a desarrollar la familia de estándares 1609.x, que estandarizaba aplicaciones y un marco de seguridad [30] (IEEE utiliza el término WAVE), y poco después, SAE comenzó a especificar estándares para aplicaciones de comunicación V2V. SAE utiliza el término DSRC para esta tecnología (así es como se acuñó el término en los EE. UU.). En paralelo, en ETSI se fundó el comité técnico para sistemas de transporte inteligentes (ITS) y comenzó a producir estándares para protocolos y aplicaciones [31] (ETSI acuñó el término ITS-G5). Todos estos estándares se basan en la tecnología IEEE 802.11p.
Entre 2012 y 2013, la Asociación Japonesa de Industrias y Negocios de Radio (ARIB) especificó, también basándose en IEEE 802.11, un sistema de comunicación V2V y V2I en la banda de frecuencia de 700 MHz. [32]
En 2015, la UIT publicó un resumen de todos los estándares V2V y V2I que se utilizan en todo el mundo, que comprenden los sistemas especificados por ETSI, IEEE, ARIB y TTA (República de Corea, Asociación de Tecnología de Telecomunicaciones). [33]
3GPP comenzó el trabajo de estandarización de la tecnología celular V2X (C-V2X) en la versión 14 en 2014. Se basa en LTE como tecnología subyacente. Las especificaciones se publicaron en 2017. Debido a que las funcionalidades de C-V2X se basan en LTE, a menudo se las denomina LTE-V2X. El alcance de las funcionalidades admitidas por C-V2X incluye tanto la comunicación directa (V2V, V2I) como la comunicación de red celular de área amplia (V2N).
En la versión 15, 3GPP continuó con su estandarización C-V2X para que se base en 5G. Las especificaciones se publicaron en 2018, cuando se completó la versión 15. Para indicar la tecnología subyacente, se suele utilizar el término 5G-V2X en contraste con V2X basado en LTE (LTE-V2X). En cualquier caso, C-V2X es la terminología genérica que se refiere a la tecnología V2X que utiliza la tecnología celular independientemente de la generación específica de tecnología.
En la versión 16, 3GPP mejora aún más la funcionalidad de C-V2X. El trabajo está en curso actualmente. De esta manera, C-V2X es inherentemente a prueba de futuro al respaldar la ruta de migración a 5G.
Se realizaron estudios y análisis [9] [10] para comparar la efectividad de las tecnologías de comunicación directa entre LTE-V2X PC5 y 802.11p desde la perspectiva de evitar accidentes y reducir lesiones graves y fatales. El estudio muestra que LTE-V2X logra un mayor nivel de prevención de accidentes y reducción de lesiones. [9] También indica que LTE-V2X tiene un mayor porcentaje de entrega de paquetes exitosa y alcance de comunicación. Otro resultado de simulación a nivel de enlace y de sistema indica que, para lograr el mismo rendimiento de enlace para escenarios con línea de vista (LOS) y sin línea de vista (NLOS), se puede lograr una relación señal-ruido (SNR) más baja con la interfaz LTE-V2X PC5 en comparación con IEEE 802.11p. [10]
La solución V2X basada en telefonía celular también ofrece la posibilidad de proteger aún más a otros tipos de usuarios de la vía (por ejemplo, peatones y ciclistas) al contar con una interfaz PC5 que se puede integrar en los teléfonos inteligentes, lo que permite integrar eficazmente a esos usuarios de la vía en la solución C-ITS general. La solución de vehículo a persona (V2P) incluye escenarios de usuarios vulnerables de la vía (VRU) para detectar peatones y ciclistas y evitar accidentes y lesiones que involucren a esos usuarios de la vía.
Como tanto la comunicación directa como la comunicación celular de área amplia se definen en el mismo estándar (3GPP), es probable que ambos modos de comunicación se integren en un único conjunto de chips. La comercialización de esos conjuntos de chips mejora aún más la economía de escala y genera posibilidades para una gama más amplia de modelos comerciales y servicios que utilizan ambos tipos de comunicaciones.
En 1999, la Comisión Federal de Comunicaciones de Estados Unidos (FCC) asignó 75 MHz en el espectro de 5,850-5,925 GHz para sistemas de transporte inteligentes. [34]
Desde entonces, el Departamento de Transporte de los Estados Unidos (USDOT) ha estado trabajando con una variedad de partes interesadas en V2X. En 2012, se implementó un proyecto previo a la implementación en Ann Arbor, Michigan. Participaron 2800 vehículos que incluían automóviles, motocicletas, autobuses y vehículos pesados de diferentes marcas utilizando equipos de diferentes fabricantes. [35] La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de los Estados Unidos (NHTSA) vio la implementación de este modelo como una prueba de que la seguridad vial se podía mejorar y que la tecnología estándar WAVE era interoperable. En agosto de 2014, la NHTSA publicó un informe en el que se argumentaba que la tecnología de vehículo a vehículo estaba técnicamente probada y lista para su implementación. [36] El 20 de agosto de 2014, la NHTSA publicó un Aviso Anticipado de Propuesta de Reglamentación (ANPRM) en el Registro Federal, [37] argumentando que los beneficios de seguridad de la comunicación V2X solo se podrían lograr si una parte significativa de la flota de vehículos estaba equipada. Debido a la falta de un beneficio inmediato para los primeros usuarios, la NHTSA propuso una introducción obligatoria. El 25 de junio de 2015, la Cámara de Representantes de Estados Unidos celebró una audiencia sobre el asunto, [38] donde nuevamente la NHTSA, así como otras partes interesadas, defendieron el caso de V2X. [39]
El 18 de noviembre de 2020, la FCC reasignó 45 MHz en el rango de 5.850–5.895 GHz a Wi-Fi y el resto de la banda V2X a C-V2X, citando el fracaso del DSRC en despegar. [40] Las organizaciones de defensa ITS America y la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte demandaron a la FCC, argumentando que la decisión perjudica a los usuarios de DSRC; el 12 de agosto de 2022, un tribunal federal permitió que la reasignación siguiera adelante. [41]
Para adquirir espectro a nivel de la UE, las aplicaciones de radio requieren una norma armonizada, en el caso de ITS-G5 ETSI EN 302 571, [42] publicada por primera vez en 2008. Una norma armonizada a su vez requiere un Documento de Referencia del Sistema ETSI, aquí ETSI TR 101 788. [43] La Decisión 2008/671/CE de la Comisión armoniza el uso de la banda de frecuencia de 5875 a 5905 MHz para aplicaciones ITS de seguridad del transporte. [44] En 2010 se adoptó la Directiva ITS 2010/40/UE [45] . Su objetivo es garantizar que las aplicaciones ITS sean interoperables y puedan operar a través de las fronteras nacionales, define áreas prioritarias para la legislación secundaria, que cubren V2X y requiere que las tecnologías sean maduras. En 2014, la parte interesada de la industria de la Comisión Europea, "C-ITS Deployment Platform", comenzó a trabajar en un marco regulatorio para V2X en la UE. [46] Identificó enfoques clave para una infraestructura de clave pública (PKI) de seguridad V2X a nivel de la UE y protección de datos, así como para facilitar un estándar de mitigación [47] para evitar interferencias de radio entre V2X basado en ITS-G5 y sistemas de cobro por carretera. La Comisión Europea reconoció a ITS-G5 como la tecnología de comunicación inicial en su Plan de Acción 5G [48] y el documento explicativo que lo acompaña, [49] para formar un entorno de comunicación que consiste en ITS-G5 y comunicación celular según lo previsto por los Estados miembros de la UE. [50] Existen varios proyectos previos a la implementación a nivel de la UE o de los Estados miembros de la UE, como SCOOP@F, Testfeld Telematik, el banco de pruebas digital Autobahn, el Corredor ITS Rotterdam-Viena, Nordic Way, COMPASS4D o C-ROADS. [51] También existen escenarios reales de implementación del estándar V2X. El primer proyecto comercial donde se utiliza el estándar V2X para el caso de uso de asistencia al movimiento en intersecciones. Se ha realizado en la ciudad de Brno , República Checa , donde 80 intersecciones transversales se controlan mediante el estándar de comunicación V2X desde vehículos de transporte público del municipio de Brno. [52]
La siguiente tabla muestra la asignación de espectro para C-ITS en varios países. Debido a la estandarización de V2X en 802.11p que precedió a la estandarización de C-V2X en 3GPP , la asignación de espectro estaba originalmente pensada para el sistema basado en 802.11p. Sin embargo, las regulaciones son neutrales en cuanto a la tecnología, por lo que no se excluye la implementación de C-V2X.
En 2022, los tribunales federales de EE. UU. le dijeron a la FCC que podría reasignar 45 MHz del espectro V2X a operadores inalámbricos y celulares, citando años de no uso por parte de los integrantes de V2X.
La implementación de la tecnología V2X (ya sea productos basados en C-V2X o 802.11p) se realizará de manera gradual. Los automóviles nuevos estarán equipados con cualquiera de las dos tecnologías a partir de 2020 y se espera que su proporción en las carreteras aumente gradualmente. El Volkswagen Golf de octava generación fue el primer automóvil de pasajeros equipado con tecnología V2X impulsada por tecnología NXP. [53] Mientras tanto, los vehículos existentes (heredados) seguirán existiendo en las carreteras. Esto implica que los vehículos con capacidad V2X deberán coexistir con vehículos que no sean V2X (heredados) o con vehículos V2X de tecnología incompatible.
Los principales obstáculos para su adopción son las cuestiones legales y el hecho de que, a menos que casi todos los vehículos lo adopten, su eficacia es limitada. [54] El semanario británico The Economist sostuvo en 2016 que la conducción autónoma está más impulsada por las regulaciones que por la tecnología. [55]
Sin embargo, un estudio de 2017 [9] indicó que existen beneficios en la reducción de accidentes de tránsito incluso durante el período de transición en el que se adopta la tecnología en el mercado.
Se han escrito muchos libros y artículos sobre el tema: