Älykkäässä liikenteessä ajoneuvot viestivät ympäristönsä kanssa monella tavalla. Lähes kaiken viestinnän tulee olla langatonta ja toimia moitteetta ajoneuvojen liikkuessa ja siir-tyessä alueelta toiselle. Suuret doppler-siirtymät maanteillä sekä nopeat häipymät ja sig-naalin monitie-eteneminen varsinkin kaupunkiympäristöissä tekevät langattoman viestin-nän välillä todella haastavaksi. Silti samaan aikaan täytyy kyetä säilyttämään äärimmäi-sen luotettava ja pieniviiveinen yhteys ajoneuvojen välillä turvallisuuden takaamiseksi.
Ajoneuvojen viestinnän yläkäsitteeksi on vakiintunut englanninkielinen termi Vehicle to Everything communicationeli V2X. Tällä tarkoitetaan ajoneuvon ja minkä tahansa muun laitteen tai käyttäjän välistä viestintää [3].
Kuva 2.1.Esimerkkejä V2X-viestinnän monista alalajeista. [3]
Viestinnän eri muodoille voi olla useita nimityksiä ja suuri osa niistä kuuluu jonkin toi-sen käsitteen alle, mutta periaatteeltaan erilaisia viestinnän muotoja älykkäässä liiken-teessä on vain neljä. Ne ovat ajoneuvojen välinen (Vehicle-to-Vehicle, V2V), ajoneuvon ja infrastruktuurin välinen (Vehicle-to-Infrastructure, V2I), ajoneuvon ja verkon välinen (Vehicle-to-Network, V2N) sekä ajoneuvon ja jalankulkijan välinen (Vehicle-to-Pedestrian, V2P) viestintä. [3, 4] Termejä on olemassa paljon, koska jokainen eri tyyppinen viestin-tä voidaan toteuttaa usealla eri tavalla ja toteutustavoille annetaan oma nimitys. V2N- ja
V2P-viestinnän pääasialliset käyttökohteet ovat matkustamisen helppouden ja viihtyvyy-den parantaminen. V2N mahdollistaa esimerkiksi nopean internetyhteyviihtyvyy-den matkustajille ja sitä kautta monipuolisen viihteen kuluttamisen. V2P-viestintä mahdollistaa puolestaan esimerkiksi autonomisen taksin käyttämisen ja seuraamisen älypuhelimen välityksellä.
Tässä työssä keskitytään autonomisen ajamisen turvallisuuden ja toimivuuden kannal-ta merkittävimpiin teknologioihin, joikannal-ta ovat ajoneuvojen välinen viestintä (V2V) sekä ajo-neuvon ja infrastruktuurin välinen viestintä (V2I). Niillä voidaan parantaa itsenäisen aja-misen mahdollistavia järjestelmiä: Viestimällä ajoneuvot voivat saada tietoa liikentees-tä näköesteiden takaakin. Se ei ole mahdollista esimerkiksi tutkien tai konenäön avul-la. V2X-viestintä ja ajoneuvojen havainnointijärjestelmät mahdollistavat monia turvallisuu-den, matkustajien viihtyvyyturvallisuu-den, huollon ja liikenteen sujuvuuden parannuksia [5].
2.1 Verkottunut autonominen ajoneuvo (CAV)
Jotta ajoneuvojen välisestä viestinnästä voidaan hyötyä, täytyy ajoneuvojen myös olla älykkäitä ja pystyä hyödyntämään ulkopuolelta tulevaa dataa. Automaattisen ajamisen jär-jestelmät ja viestintä yhdessä muodostavat tulevaisuuden ajoneuvon, jota kutsutaan ver-kottuneeksi autonomiseksi ajoneuvoksi, engl.Connected and Autonomous Vehicle(CAV).
SAE international on jakanut ajoneuvojen automaation kuuteen eri tasoon nollasta vii-teen. Korkeampi taso tarkoittaa suurempaa automaattisuutta. Tasolla nolla on nykyisissä autoissakin jo yleisiä toimintoja kuten automaattinen hätäjarrutus, kuolleen kulman varoi-tus ja kaistavahti. Tason kolme tai neljä automaattisuus tarkoittaa, että ajoneuvo pystyy ajamaan itsenäisesti vain hyvissä olosuhteissa. Yksinkertaisimmillaan ajoneuvo ajaa it-senäisesti esimerkiksi moottoritiellä kirkkaalla säällä, mutta muulloin ihmisen on ajettava.
Tason viisi automaattisuus tarkoittaa, että ajoneuvo kykyenee ajamaan itsenäisesti mis-sä tahansa ja millaisissa olosuhteissa tahansa. Silloin kuljettajaa ei tarvita lainkaan ja voidaan puhua täysin autonomisesta ajoneuvosta. [6] Automaation tasot on koottu tar-kemmin taulukkoon 2.1.
Verkottunut ajoneuvo taas on sellainen ajoneuvo, joka käyttää useaa kommunikaatio-järjestelmää viestiäkseen kuljettajalle, muille ajoneuvoille, infrastruktuurille ja pilveen [7].
Kun autonominen ajoneuvo ja verkottunut ajoneuvo yhdistetään, saadaan verkottunut au-tonominen ajoneuvo. Tällä tarkoitetaan siis ajoneuvoa, joka käyttää useita itsenäisen aja-misen mahdollistavia järjestelmiä, viestii ympäristönsä kanssa ja hyödyntää viestimällä saatua tietoa päätöksenteossa. Verkottuneita autonomisia ajoneuvoja pidetään yhtenä tärkeimmistä tulevaisuuden teknologioista, jotka parantavat elämänlaatua ja matkustami-sen tasa-arvoisuutta, turvallisuutta ja ympäristöystävällisyyttä [8].
Taso Nimi Määritelmä Ihminen monitoroi ajoympäristöä
0 Ei automaatiota
Ihminen suorittaa kaikki dynaamisen ajotehtävän osa-alueet, vaikka ajamista tuettaisiinkin varoituksilla tai ajamiseen puuttuvilla järjestelmillä
1 Kuljettajan tuki
Ajotilannekohtaisia kuljettajan tukijärjestelmiä, jotka
liittyvät joko ohjaamiseen tai kiihdyttämiseen / jarruttamiseen hyödyntämällä tietoa ajoympäristön tilasta. Ihminen vastaa kaikista muista dynaamiseen ajotehtävän osa-alueista.
2 Osittainen automaatio
Yksi tai useampi ajotilannekohtainen kuljettajan tukijärjestelmä, joka kattaa sekä ohjaamisen että kiihdyttämisen/jarruttamisen hyödyntämällä tietoa ajoympäristön tilasta. Ihminen vastaa kaikista muista dynaamiseen ajotehtävän osa-alueista.
Järjestelmä monitoroi ajoympäristöä
3 Ehdollinen automaatio
Ajotilannekohtainen automaattiajojärjestelmä kattaa kaikki dynaamisen ajotehtävän osa-alueet (kuten pituus- ja poikittaissuuntaisen kontrolloinnin). Ihmisen täytyy kuitenkin ottaa auto hallintaansa, kun järjestelmä näin pyytää.
4 Korkea automaatio
Ajotilannekohtainen automaattiajojärjestelmä kattaa kaikki dynaamisen ajotehtävän osa-alueet myös silloin, kun ihminen ei ota autoa hallintaansa, vaikka järjestelmä näin pyytää. Ellei kuljettaja ota ajoneuvoa haltuunsa, järjestelmä ohjaa auton hallitusti tien sivuun ja pysäyttää sen.
5 Täysi
Automaatio
Kaiken kattava automaattiajojärjestelmä, joka kattaa kaikki dynaamisen ajotehtävän osa-alueet kaikissa tie- ja ympäristö-olosuhteissa.
Taulukko 2.1.Tiivistetty ja suomennettu taulukko SAE:n automaatiotasoista. [9]
Erilaisia teknologioita ajoneuvojen viestintään kehitetään aktiivisesti ja markkinat sellai-sille ovat valtavat. Alan merkittävimmät teknologiat tällä hetkellä ovat lyhyen kantaman viestintä (DSRC) ja mobiiliverkkoihin pohjautuva Cellular-V2X. Lyhyen kantaman ratkai-suja on kehitetty jo kauan ja niiden toimintaa on myös testattu laajasti. Mobiiliverkkoihin perustuvat ratkaisut ovat uudempia ja vähemmän tutkittuja, mutta lupaavia. [3, 5] Molem-mat teknologiat toteuttavat vain fyysisen kerroksen ja MAC-kerroksen. Ylemmillä proto-kollakerroksilla molempien toiminta noudattaa samoja kaavoja. Kumpikin uusi teknologia on pyritty myös luomaan olemassaolevan pohjalta. DSRC pohjautuu WLAN-tekniikkaan ja C-V2X pohjautuu LTE- tai 5G-tekniikkaan. [10]
Molemmilla teknologioilla on omat vahvuutensa eri käyttötarkoituksissa ja siksi niiden odotetaankin tulevaisuudessa täydentävän toisiaan. Tässä työssä keskitytään tarkemmin
WLAN-tekniikalla toteutettuun lyhyen kantaman ratkaisuun, mutta seuraavaksi esitellään molempien perusideat.
2.2 Ajoneuvojen viestintä mobiiliverkon avulla (C-V2X)
Työn kirjoituksen aikana vuonna 2021 mobiiliverkkoihin pohjautuvia standardeja tutkitaan ja kehitetään aktiivisesti. Kun verrataan erillisiin vain ajoneuvoihin tarkoitettuihin teknolo-gioihin, mobiiliverkkopohjaisilla ratkaisuilla on monia etuja. Ne pystyvät esimerkiksi hyö-dyntämään jo olemassa olevaa infrastruktuuria sekä kuluttajaelektroniikassakin yleistä ja pitkälle kehittynyttä päätelaiteteknologiaa.
Merkittävin teknologia mobiiliverkkopohjaisissa ratkaisuissa on 3GPP:n määrittelemä LTE-V2X. LTE-teknologiaa hyödyntävän V2X-palvelun on suunniteltu käyttävän kahta radiora-japintaa, jotka ovat PC5 ja Uu. PC5-rajapinta on tarkoitettu suoraan viestintään kahden V2X laitteen välillä, mikä mahdollistaa viivekriittisen viestinnän ajoneuvojen välillä turvalli-suuden parantamiseksi. Uu-rajapinnan tarkoitus taas on mahdollistaa viestintä ajoneuvon ja mobiiliverkon tukiasemien välillä. Sen avulla ajoneuvolle ja matkustajille voidaan tarjo-ta nopea internet-yhteys. Ajoneuvojen väliseen suoraan viestintään tarjo-tarkoitettu rajapintarjo-ta PC5 toimii samalla taajuusalueella kuin myöhemmin esiteltävä DSRC. Resurssienhallin-ta ja viestinnän ohjaus voidaan tehdä tukiasemalla, mutResurssienhallin-ta myös autonomisesti ilman tu-kiasemaa eli suoraan ajoneuvojen välillä. [4, 10]
Aktiivisen kehityksen kohteena on myös 5G NR -pohjainen ratkaisu 5G-V2X, jonka pe-rusidea on sama kuin LTE-pohjaisessa. 5G-teknologian odotetaan yleisesti mahdollista-van pienemmät viiveet ja suuremmat tiedonsiirtonopeudet verrattuna aikaisempiin mo-biiliverkkoteknologioihin. Samoja parannuksia tavoitellaan C-V2X:n kehityksessä, mutta myös muita parannuksia on tehty ajoneuvoympäristössä toimimisen varmistamiseksi. [10]
Mobiiliverkkoteknologiaan pohjautuvilla ratkaisuilla on myös heikkouksia. C-V2X-verkot jakaisivat osittain samat resurssit muiden mobiiliverkon käyttäjien kanssa, mikä lisää ver-kon kuormitusta ja viivettä. 5G-verkkojen pienemmän peittoalueen vuoksi laitteiden tulisi myös tukea sekä LTE- että 5G-teknologioita. Siirtymien verkkojen välillä täytyy olla viivet-tömiä ja ne monimutkaistavat järjestelmien toimintaa. [4] Sujuvat siirtymät eivät kuiten-kaan ole pelkästään C-V2X:n ongelma, vaan se on ratkaistava 5G-verkkojen käyttööno-tossa muutenkin.
2.3 Ajoneuvojen välinen lyhyen kantaman viestintä (DSRC)
DSRC-lyhenne tulee englanninkielen sanoistaDedicated Short-Range Communications.
Se on siis sananmukaisesti tarkoitettu lyhyen kantaman viestintään. Termiä käytetään
kuitenkin vain ajoneuvojen viestinnästä puhuttaessa. DSRC-tekniikoita käytetään lyhyen kantaman viestintään ajoneuvojen, infrastruktuurin ja jalankulkijoiden välillä muutaman sadan metrin etäisyyksillä [4]. DSRC-verkkojen perusluonteeseen kuuluu, että ne muo-dostuvat dynaamisesti ajoneuvojen tai muiden lähellä olevien laitteiden välille. Yhteys muodostetaan nopeasti ja viestintä on viivetöntä, jolloin voidaan välittää ajantasaisia tieto-ja ajoneuvojen liikkeistä tieto-ja mahdollisista törmäyksistä. DSRC-viestintä ei ole altis esimer-kiksi sääilmiöiden tai pilvisyyden aiheuttamille ongelmille lyhyen kantamansa ansiosta.
Lyhyt kantama aiheuttaa kuitenkin myös haasteita: esimerkiksi internet-yhteyden tarjoa-minen DSRC-laitteiden välityksellä on hankalaa. Vaikka laitteet välittäisivät muiden vies-tejä eteenpäin usealla hypyllä, ei silti voida taata luotettavaa ja katkeamatonta yhteyttä. [5]
Lyhyen kantaman teknologioita on kehitetty jo kauan ja niitä on monia, mutta usein DSRC-teknologiasta puhuttaessa tarkoitetaan vain IEEE 802.11p:n, eli WLAN-tekniikan, käyttä-mistä. Se ei kuitenkaan yksin riitä viestintään, koska se toteuttaa vain OSI-mallin alimmat kerrokset eli fyysisen kerroksen ja MAC-kerroksen. 802.11p-standardin kanssa käytetään muita standardeja, jotka määrittelevät korkeamman tason toiminnallisuudet. Yksi sellai-nen on esimerkiksi IEEE:n oma standardikokoelma IEEE 1609. Euroopan unionissa on kehitetty myös oma standardikokoelma ETSI ITS-G5 toimimaan 802.11p:n yläpuolella. Se käyttää osittain IEEE 1609:ssä määriteltyjä toiminnallisuuksia ja osittain ETSI-järjestön it-se määrittelemiä. [11] Seuraavaksi esitellään IEEE:n standardit, jotka yhdessä toteuttavat toimivan kokonaisuuden.