Autonomisten ajoneuvojen viestintä WLAN-tekniikalla

(1)

AUTONOMISTEN AJONEUVOJEN VIESTINTÄ WLAN-TEKNIIKALLA

Kandidaatintyö Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta Tarkastaja: Markus Allén Toukokuu 2021

(2)

TIIVISTELMÄ

Matti Jussinmäki: Autonomisten ajoneuvojen viestintä WLAN-tekniikalla Kandidaatintyö

Tampereen yliopisto

Tieto- ja sähkötekniikan kandidaatin tutkinto-ohjelma Toukokuu 2021

Tämä työ käsittelee tulevaisuuden ajoneuvojen langattoman viestinnän teknologioita. Työssä käydään läpi älykkään liikenteen viestintää sekä sen asettamia vaatimuksia langattomille teknologioille. Työssä esitellään mobiiliverkkoteknologiaan pohjautuvia ratkaisuja ja tarkemmin käsitel- lään WLAN-tekniikkaan perustuvia ratkaisuja sekä niiden tulevaisuudennäkymiä. Tutkimustyö on tehty kirjallisuusselvityksenä standardijulkaisujen ja tutkimusten pohjalta.

Ajoneuvojen viestintään on kehitetty useita ratkaisuja, jotka pohjautuvat olemassa oleviin langattoman viestinnän teknologioihin. Vanhin ja merkittävin niistä on WLAN-tekniikkaan pohjautuva Insti- tute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) -järjestön 802.11p-standardi, jota on tutkittu ja testattu paljon. Se on todettu kypsäksi teknologiaksi ja sen käyttöönotto on aloitettu Euroopassa.

Useat eri yhteisöt kehittävät kilpailevia ratkaisuja. IEEE itse kehittää uutta WLAN-pohjaista seuraajaa standardilleen, minkä lisäksi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) kehittää LTE- ja 5G-pohjaisia mobiiliverkkoteknologiaan pohjautuvia ratkaisuja.

Kilpailevilla teknologioilla on kullakin hyötynsä ja haittansa eivätkä ne ole yhteensopivia. Kan- salliset intressit määrittävät eri valtioissa käytettävän teknologian, minkä takia maailmanlaajuinen yhteistoiminnallinen järjestelmä on hyvin epätodennäköinen. Euroopan unionissa ja Yhdysvallois- sa on hieman pyritty yhteistyöhön, jonka seurauksena molemmissa pohjana on 802.11p. Teknolo- gian käyttöönotto on kuitenkin aivan alkuvaiheessa Euroopassa eikä Yhdysvalloissa sitä ole edes aloitettu. Yleistä ja varmaa ratkaisua ajoneuvojen viestintään ei siis vielä ole.

Avainsanat: Langaton viestintä, autonominen ajoneuvo, WLAN, V2X, V2V, DSRC, ITS Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck -ohjelmalla.

(3)

SISÄLLYSLUETTELO

1. Johdanto . . . 1

2. Ajoneuvojen viestintä älykkäässä liikenteessä . . . 3

2.1 Verkottunut autonominen ajoneuvo (CAV) . . . 4

2.2 Ajoneuvojen viestintä mobiiliverkon avulla (C-V2X) . . . 6

2.3 Ajoneuvojen välinen lyhyen kantaman viestintä (DSRC) . . . 6

3. IEEE 802.11p -standardiin pohjautuvat järjestelmät . . . 8

3.1 WAVE-järjestelmä ja sen verkot . . . 9

3.2 802.11p WAVE-arkkitehtuurissa . . . 10

3.3 802.11p-pohjainen ITS-G5 ja C-ITS . . . 12

3.4 Käyttö nyt ja tulevaisuudessa . . . 14

4. IEEE 802.11p:n korvaaja IEEE 802.11bd . . . 16

4.1 Määritetyt tavoitteet ja parannukset . . . 16

4.2 Tekninen toteutus . . . 17

5. WLAN- ja mobiiliverkkopohjaisten ratkaisujen vertailu . . . 19

6. Yhteenveto . . . 22

Lähteet . . . 24

(4)

1. JOHDANTO

Liikenne on kehittynyt vauhdilla ympäri maailmaa. Parhaiten kehitys näkyy turvallisuudes- sa, joka on parantunut nopeasti varsinkin viimeisen 20 vuoden aikana. Liikenneonnetto- muudet ovat merkittävä haitta yksilöille ja yhteiskunnille, minkä takia jatkuvaa liikenteen turvallisuuden kehitystä pidetään tärkeänä. Euroopan unioninVision Zero-tavoitteeseen kuuluukin, että liikennekuolemien määrä saataisiin vähennettyä lähes nollaan vuoteen 2050 mennessä [1].

Tähän asti turvallisuutta on parannettu varsinkin ajoneuvoihin tehdyillä fyysisillä muutoksilla, kuten turvavöillä, turvatyynyillä sekä runkojen tarkalla suunnittelulla ja testauksel- la. Myös liikennesääntöjen ja infrastruktuurin kehityksellä on ollut suuri merkitys. Henki- löautojen rakenne on jo niin kehittynyt, ettei rakenteellisilla muutoksilla enää saavuteta parannuksia. Nykyään liikenteen turvallisuutta parannetaan digitaalisen teknologian avulla. Tutkat, kamerat, anturit, kontrollerit ja mikroprosessorit autoissa mahdollistavat monta älykästä turvallisuusjärjestelmää. Sellaisia ovat esimerkiksi ABS-jarrut, ajonvakautus- järjestelmät, automaattinen hätäjarrutus, kuolleen kulman varoitin, kaistavahti ja 360°- pysäköintikamera, jotka ovat jo yleisiä uusissa autoissa. Vuonna 2022 pakollisten turvalli- suusvarusteiden määrä kasvaa entisestään. [2] Tulevaisuudessa automaattisten turvalli- suusjärjestelmien merkitys kasvaa, kunnes ajoneuvot ajavat itsenäisesti.

Yksi merkittävistä keinoista turvallisuuden parantamiseen tulevaisuudessa on älykkäät, keskenään viestivät liikennejärjestelmät ja kulkuvälineet. Jatkuvan viestinnän avulla voidaan välittää tietoa liikkeistä, esteistä ja liikennevirroista sekä ohjata suuria ajoneuvoryh- miä liikenteen sujuvoittamiseksi. Langattoman viestinnän merkitys tulevaisuuden liiken- teessä tulee olemaan valtava. Se mahdollistaa turvallisuuden lisäksi myös ympäristöys- tävällisyyden ja ajansäästön itseajavien ajoneuvojen kautta. Esimerkiksi liikenteen suju- vuus ja letkoissa ajavat autot, varsinkin rekat, vähentävät energiankulutusta ja vapautta- vat kuljettajien aikaa käytettäväksi muuhun.

(5)

Tässä työssä käsitellään kehitettyjä ja kehitteillä olevia älykkään liikenteen ja varsinkin ajoneuvojen väliseen viestintään tarkoitettuja teknologioita. Pääpaino on jo vuonna 2010 julkaistun WLAN-tekniikkaan (IEEE 802.11) pohjautuvan teknologian tarkastelussa. Työn tavoitteena on selvittää järjestelmien nykytilaa ja tulevaisuuden näkymiä. Tutkimustyö on tehty kirjallisuuskatsauksena julkisten tutkimusten ja standardijulkaisujen avulla.

Työn toisessa luvussa esitellään aluksi ajoneuvojen langatonta viestintää, ajoneuvojen autonomiaa sekä liikenneympäristön asettamia vaatimuksia viestinnälle. Sen jälkeen kä- sitellään mobiiliverkkopohjaisten ratkaisujen sekä varsinkin lyhyen kantaman WLAN-ratkaisujen perusidea. Kolmannessa luvussa tarkastellaan WLAN-tekniikan ja 802.11p-standardin teknistä toteutusta ja käyttötarkoituksia tarkemmin. Neljännessä luvussa tarkastellaan kehitteillä olevaa edistyksellisempää 802.11bd-standardia, jonka jälkeen viimeisessä luvussa vertaillaan olemassaolevia teknologioita ja niiden tulevaisuudennäkymiä. Lopuksi havainnot koostetaan yhteenvedossa.

(6)

2. AJONEUVOJEN VIESTINTÄ ÄLYKKÄÄSSÄ LIIKENTEESSÄ

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

(7)

V2P-viestinnän pääasialliset käyttökohteet ovat matkustamisen helppouden ja viihtyvyyden parantaminen. V2N mahdollistaa esimerkiksi nopean internetyhteyden 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 kannalta merkittävimpiin teknologioihin, joita ovat ajoneuvojen välinen viestintä (V2V) sekä ajoneuvon ja infrastruktuurin välinen viestintä (V2I). Niillä voidaan parantaa itsenäisen ajamisen mahdollistavia järjestelmiä: Viestimällä ajoneuvot voivat saada tietoa liikentees- tä näköesteiden takaakin. Se ei ole mahdollista esimerkiksi tutkien tai konenäön avulla. V2X-viestintä ja ajoneuvojen havainnointijärjestelmät mahdollistavat monia turvallisuuden, matkustajien viihtyvyyden, 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 tarkemmin 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 autonominen ajoneuvo. Tällä tarkoitetaan siis ajoneuvoa, joka käyttää useita itsenäisen ajamisen mahdollistavia järjestelmiä, viestii ympäristönsä kanssa ja hyödyntää viestimällä saatua tietoa päätöksenteossa. Verkottuneita autonomisia ajoneuvoja pidetään yhtenä tärkeimmistä tulevaisuuden teknologioista, jotka parantavat elämänlaatua ja matkustamisen tasa-arvoisuutta, turvallisuutta ja ympäristöystävällisyyttä [8].

(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 ratkaisuja 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

(9)

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 teknologioihin, 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 turvallisuuden parantamiseksi. Uu-rajapinnan tarkoitus taas on mahdollistaa viestintä ajoneuvon ja mobiiliverkon tukiasemien välillä. Sen avulla ajoneuvolle ja matkustajille voidaan tarjota nopea internet-yhteys. Ajoneuvojen väliseen suoraan viestintään tarkoitettu rajapinta PC5 toimii samalla taajuusalueella kuin myöhemmin esiteltävä DSRC. Resurssienhallin- ta ja viestinnän ohjaus voidaan tehdä tukiasemalla, mutta myös autonomisesti ilman tu- kiasemaa eli suoraan ajoneuvojen välillä. [4, 10]

Aktiivisen kehityksen kohteena on myös 5G NR -pohjainen ratkaisu 5G-V2X, jonka perusidea on sama kuin LTE-pohjaisessa. 5G-teknologian odotetaan yleisesti mahdollistavan 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 verkon 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 kuitenkaan 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

(10)

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 tietoja ajoneuvojen liikkeistä ja mahdollisista törmäyksistä. DSRC-viestintä ei ole altis esimerkiksi sääilmiöiden tai pilvisyyden aiheuttamille ongelmille lyhyen kantamansa ansiosta.

Lyhyt kantama aiheuttaa kuitenkin myös haasteita: esimerkiksi internet-yhteyden tarjoaminen 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 sellainen 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 itse määrittelemiä. [11] Seuraavaksi esitellään IEEE:n standardit, jotka yhdessä toteuttavat toimivan kokonaisuuden.

(11)

3. IEEE 802.11P -STANDARDIIN POHJAUTUVAT JÄRJESTELMÄT

IEEE 802.11 -standardeilla tarkoitetaan Institute of Electrical and Electronics Engineers -järjestön WLAN-lähiverkkostandardeja, joista ensimmäinen julkaistiin vuonna 1997. Stan- dardit määrittelevät sekä fyysisen kerroksen että MAC-kerroksen langattoman tiedonsiirron mahdollistamiseksi. [12] 802.11p on versioon 802.11-2007 kehitetty lisäys, jonka tarkoitus on mahdollistaa WLAN-tekniikan käyttö ajoneuvoissa. [13]. Yhdessä IEEE 1609 -standardien kanssa ne muodostavat kokoelman, josta käytetään nimitystä WAVE [14, 15], joka on lyhenne englanninkielisistä sanoista Wireless Access in Vehicular Environ- ments. WAVE-standardiperhe julkaistiin virallisesti vuonna 2010 ja molempien standardien kehitykseen oli omat työryhmänsä. IEEE 1609 määrittelee korkeamman tason toiminnan ja 802.11p vain MAC-kerroksen sekä fyysisen kerroksen toiminnallisuudet.

Varsinkin IEEE 802.11p -standardia ja sen toteutuksia on testattu paljon. Se on jo valmis standardi, jonka käyttöönotto on juuri aloitettu. 802.11p on pohjana muissakin DSRC- teknologioissa kuin vain IEEE:n omassa WAVE-standardiperheessä. Euroopan unionissa sen päälle on rakennettu korkeamman tason toiminnallisuutta ETSI ITS-G5 -standardilla.

Japanissa taas on kehitetty ARIB T109. [5] ITS-G5 -standardin toiminnallisuus on hyvin saman kaltaista WAVE-standardiperheen kanssa.

Koska IEEE:n standardeista löytyy paljon tutkimuksia ja DSRC-teknologioiden kehitys ympäri maailmaa perustuu IEEE:n WLAN-standardiin, tässä työssä keskitytään tarkemmin WAVE-standardiperheeseen. Sen periaatteet sekä tekninen toteutus esitellään täs- sä luvussa seuraavaksi. Myös Euroopan unionissa kehitetty ETSI ITS-G5 käydään läpi lyhyesti. Lisäksi kerrotaan 802.11p-standardin nykyisistä ja tulevista käyttökohteista älyk- kään liikenteen viestinnässä.

(12)

3.1 WAVE-järjestelmä ja sen verkot

WAVE-järjestelmä koostuu kiinteistä ja liikkuvista yksiköistä. Kiinteät yksiköt ovat liikenteen infrastruktuuriin integroituja, kun taas liikkuvat yksiköt ovat yleensä ajoneuvoja. Kiin- teistä yksiköistä käytetään englanninkielistä nimitystäRoadside Unit (RSU), joka kuvas- taa suoraan yksiköiden luonnetta. Liikkuvien yksiköiden nimitys on puolestaanOnboard unit (OBU). [14] Jatkossa tässä työssä käytetään suomennettuja nimityksiä tienvarsiyk- sikkö ja ajoneuvoyksikkö.

Kuva 3.1.Esimerkkejä erilaisista WAVE-järjestelmän verkoista. [14]

WAVE-järjestelmässä eri yksiköt voivat muodostaa dynaamisesti verkkoja, joissa voi olla pelkkiä ajoneuvoyksiköitä tai niiden lisäksi myös tienvarsiyksiköitä kuten kuvassa 3.1.

Tienvarsiyksiköt eivät voi kuitenkaan keskenään muodostaa verkkoja. Oletuksena vies- tintä tapahtuu itsenäisesti yksiköiden välillä määrätyllä kanavalla, mutta ne voivat myös muodostaa pieniä verkkoja. Näitä verkkoja kutsutaan nimellä WAVE Basic Service Set (WBSS). [14] Verkot ja niiden kokoonpanot vaihtuvat jatkuvasti, kun ajoneuvot liikkuvat.

Tienvarsiyksiköt toimivat kiinteinä tiedon välittäjinä ja tallennuspaikkoina ajoneuvoyksi- köiden tukena. Ne voivat olla liikenneopasteisiin, liikennevaloihin, tietulleihin tai muuten tien varrelle sijoitettuja. Tienvarsiyksiköt voivat välittää ajantasaista tietoa kuuluvuusa- lueellaan oleville ajoneuvoille. Ne voivat esimerkiksi seurata tienkäyttöä ruuhkamaksuja varten, ilmoittaa milloin valot vaihtuvat tai tarjota hetkellisen internet-yhteyden. Tienvar- siyksiköiden avulla turvallisuutta parantavaa viestintää voidaan siis laajentaa myös infrastruktuurin puolelle.

(13)

3.2 802.11p WAVE-arkkitehtuurissa

WAVE-arkkitehtuurissa fyysinen kerros ja MAC-kerros noudattavat IEEE 802.11p-standardia. Lisäksi standardissa on määritelty loogiset hallintafunktiot Physical Layer Manage- ment Entity (PLME) ja MAC Layer Management Entity (MLME), jotka toimivat vastaavilla kerroksilla. Alempien kerrosten päälle päälle on rakennettu dynaamisten verkkojen ja viivekriittisen viestinnän mahdollistamiseksi turvallisuus-, resurssinhallinta- ja kanavanhal- lintatoimintoja. Nämä toiminnot kuuluvat IEEE 1609 -standardeihin. [14, 15]

IEEE 802.11p-standardi pohjautuu vanhaan WLAN-lähiverkkostandardiin 802.11a, mutta siihen on tehty muutoksia vaatimusten saavuttamiseksi. Vaatimuksia liikenteen viestinnäl- le lähiverkkoihin verrattuna aiheuttavat esimerkiksi pidempi toimintamatka, ajoneuvojen liikkeen aiheuttamat suuret doppler-siirtymät, merkittävä monitie-eteneminen sekä monta päällekkäistä verkkoa, joiden kaikkien täytyy toimia äärimmäisen luotettavasti. [14]

802.11p on myös OFDM-pohjainen, aivan kuten 802.11a. Vaatimusten saavuttamiseksi merkittävin 802.11-standardiin tehty muutos on puolet pienempi kaistanleveys kuin 802.11a:ssa. 802.11p:ssä kaistanleveys on 10 MHz, kun taas 802.11a:ssa se on 20 MHz.

Puolet pienempi kaistanleveys on saatu aikaan puolta pienemmillä alikantoaaltojen väleil- lä, mikä aiheuttaa myös kaksinkertaisen symbolin keston. Muita suuria eroja ovat muu- tokset lähetystehoissa, käytettävissä taajuuksissa, sekä viestinnän priorisoinnissa. [14, 15] Vaatimusten täyttämiseksi merkittäviä ovat myös 1609-standardien määrittelemät korkeamman tason toiminnallisuudet. Kuvassa 3.2 on havainnollistettu OSI-malliin sovitettuna WAVE-arkkitehtuurin eri toimintoja, joita esitellään seuraavaksi.

Kuva 3.2.WAVE-arkkitehtuuri OSI-malliin sovitettuna. Kuvasta näkyy myös mihin standardiin eri toiminnot kuuluvat. [14]

(14)

WAVE-arkkitehtuuri tukee kahta eri verkkoja kuljetuskerroksen protokollayhdistelmää, jotka ovat perinteinen TCP/IP-yhdistelmä sekä erikseen kehitettyWAVE Short-Message Protocol (WSMP). WSMP toteuttaa sekä verkko- että kuljetuskerroksen ja se on tarkoitettu korkean prioriteetin turvallisuuspalveluiden viestintään. TCP/IP-yhdistelmä WAVE- arkkitehtuurissa käyttää IPv6-protokollaa, ja se on tarkoitettu kiireettömämpään UDP/TCP- liikenteen välittämiseen. Logical Link Control (LLC) toimii rajapintana näiden eri protokol- layhdistelmien ja alempien kerrosten välillä. Resurssienhallinta ja turvallisuuspalvelut ei- vät ole helposti OSI-malliin sovitettavissa, joten ne on kuvassa jätetty erilleen. Tarkemmin esittelemättä niiden perusidean voi ymmärtää jo nimien perusteella. [14, 15]

Kuvan 3.2 lohkoMultichannel operationmahdollistaa 802.11p MAC-kerroksen toiminnan usealla kanavalla ja ohjaa viestit oikealle kanavalle. WSM-viestit voidaan ohjata joko oh- jauskanavalle (Control channel) tai palvelukanavalle (Service channel), kun taas IP-viestit voidaan ohjataan vain jollekin palvelukanavalle. WAVE-arkkitehtuurissa kanavia käyte- tään aikajakoisesti. Kontrollikanavaa lähetetään joka toisessa aikaslotissa ja muita palvelukanavia käyttötarpeen ja kiireellisyyden mukaan siinä välissä. [15] 802.11p-viestintä on myös priorisoitu IEEE 802.11e EDCA Quality of Service -standardilisäyksen mukaisesti [15, 16]. Siinä jokaisen kanavan viesteille on vielä neljä mahdollista prioriteettiluokitusta AC0−AC3, joistaAC3-luokituksella on korkein prioriteetti [16]. Ohjauskanavalla suurin prioriteetti on aina WSM-viesteillä.

Kuva 3.3.WAVE arkkitehtuurin kanavajako ja taajuudet. [16]

WAVE-arkkitehtuurissa 802.11p voi käyttää eri ajanhetkinä yhteensä seitsemää eri 10 MHz levyistä kanavaa, jotka on esitelty kuvassa 3.3. Niistä keskimmäinen on aikaisemmin mainittu ohjauskanava ja loput palvelukanavia. [15, 16] 802.11p:n käyttämä keskitaajuus on 5,9 GHz, joka on jo varattu liikenteen viestintään ympäri maailmaa. 5,9 GHz:n taajuusalueella voivat kuitenkin toimia myös muut ajoneuvojen väliseen viestintään tarkoitetut teknologiat. [17]

(15)

3.3 802.11p-pohjainen ITS-G5 ja C-ITS

Älykkään liikenteen viestintään panostetaan Euroopan unionissa valtavasti, ja Eurooppa- lainen telekommunikaatioalan standardisoimisjärjestö ETSI on määrittänyt Cooperative Intelligent Transport Systems and Services (C-ITS) -alustan, jonka mukaan useamman älykkään liikenteen järjestelmän samanaikainen toiminta mahdollistaa paremman palve- lunlaadun kuin vain yksi järjestelmä. [18] Tähän alustaan kuuluu merkittävänä osana ITS- G5, jonka MAC- ja fyysinen kerros on toteutettu IEEE 802.11p-standardin mukaisesti [11].

C-ITS -alustan on tarkoitus tulevaisuudessa tukea useampaa viestintäteknologiaa, minkä takia ETSI on kehittänyt oman verkkokerroksen protokollan. Tämä protokolla on kehitetty tarkoituksenmukaisesti älykkään liikenteen ympäristöihin ja siitä käytetään nimitystä Geo- Networking. Se on sijaintiin perustuva reititysprotokolla, joka ei vaadi tukiasemia, vaan se toimii dynaamisesti kahden tai useamman laitteen välillä. Jokaisella laitteella on sijaintitaulu, joka ylläpitää naapureiden sijainteja ja jota käytetään pakettien välittämisessä.

[19, 20] Sijaintitaulu toimii siis samaan tapaan kuin reititystaulu perinteisessä TCP/IP- verkossa.

GeoNetworking-protokollalla lähetetyn viestin määränpää voi olla yksi tietty vastaanot- taja (GeoUnicast), jokin laite tietyllä alueella (GeoAnycast), kaikki laitteet tietyllä alueella (GeoBroadcast), kaikki laitteet yhden hypyn päässä (single-hop broadcast) tai n- hypyn päässä (topologically-scoped broadcast). Näistä merkittävimpiä ovat single-hop broadcast, jota käytetään CAM eli Cooperative Awareness Message -viestien lähetyk- seen sekä GeoBroadcast, jota käytetään DENM eliDistributed Environment Notification Message-viestien lähettämiseen. [20] CAM-viestit ovat ajoneuvojen lähettämiä tiedottei- ta lähellä oleville laitteille. Ne sisältävät tiedon esimerkiksi sijainnista ja suunnasta, joiden avulla vastaanottava ajoneuvo voi tehdä päätöksiä siitä, vaikuttaako saatu tieto omaan liikkeeseen. DENM-viestit sisältävät muita hyödyllisiä liikennetietoja, kuten tietoja ruuh- kista, tietöistä, esteistä ja sääilmiöistä eli tilanteista jotka koskevat vain tiettyä aluetta. [21]

Yksittäisen ITS-tukiaseman arkkitehtuuri on havainnollistettu kuvassa 3.4. Alin lohko, ITS Access Technologies, sisältää käytettävät eri fyysiset viestintäkanavat ja niiden siirtoyh- teyskerroksen toiminnot. Lohko on siis eräänlainen rajapinta ulkoiseen viestintään sekä tukiaseman sisäisille signaaleille. Suurin osa viestinnästä on langatonta ja ulospäin suun- tautuvaa. Kuvassa sinisellä katkoviivalla merkitty lohko on ITS Networking and Trans- port. Se sisältää viestintäprotokollat, joilla voidaan viestiä muiden ITS-tukiasemien kanssa sekä internetiin. Tämä lohko sisältää myös aikaisemmin esitellyn GeoNetworking- protokollan sekä sen kanssa käytettävänBasic Transport-protokollan. Perinteinen TCP/IP- viestintä voidaan välittää GeoNetworking-protokollan avulla, mutta myös suoraan alim- man lohkon kautta fyysisille kanaville. [22]

(16)

Kuva 3.4.ITS-aseman arkkitehtuuri sekä verkkoja kuljetuskerros eriteltynä sinisellä katkoviivalla. [22]

ITS Facilities -lohko sisältää tukitoimintoja varsinaisia käyttökohteita varten. Se sisältää tietorakenteet tarvittavan tiedon varastoimiseen, laskentaan sekä ylläpitämiseen. Tukia- sema voi saada tietoa ympäristöstään esimerkiksi ajoneuvon sensoreilta sekä viestintä- kanavista muilta laitteilta. Tiedon hallinnan lisäksi Facilities-lohko hoitaa myös kommuni- kaation tukitoimintoja, kuten eri tyyppisten osoitteiden hallintaa ja yhteyksien toiminnan varmistamista. Tämän lisäksi se mahdollistaa ohjelmistopalveluiden lataamisen ja hallinnan tukiaseman sisällä. Ylimmäisenä oleva ITS Applications -lohko sisältää tukiaseman varsinaiset käyttökohteet eli pääasiassa tieturvallisuuden sekä viihteen mahdollistavan langattoman viestinnän. ITS Management ja ITS Security -lohkot hallinnoivat ja varmen- tavat viestien liikkumista eri kerrosten välillä. [22]

ITS-G5 ja WAVE-standardiperhe ovat perusidealtaan hyvin samankaltaisia, ja toimin- tavarmuus on luultavasti myös samantasoista. Molempien fyysinen viestintäkanava on tällä hetkellä WLAN-standardiin 802.11p pohjautuva. OSI-mallin kerroksiin sovitettuna arkkitehtuurit (kuvissa 3.2 ja 3.4) noudattavat samoja periaatteita. Alin kerros sisältää 802.11p:n sekä sen MAC-kerroksen. Sen päällä on rajapinta, joka välittää eri protokollien viestit. WAVE-arkkitehtuurissa tämä rajapinta on LLC ja sen yläpuolella toimivat protokollat ovat WSMP sekä perinteinen TCP/IP. C-ITS-arkkitehtuurissa vastaavana rajapintana toimii GeoNetworking, jonka yläpuolella onBasic Transport -protokolla sekä TCP/IP. Mo- lemmissa arkkitehtuureissa on siis huomioitu tarve erilliselle ajoneuvojen suoran viestin- nän protokollalle, mutta myös perinteiselle internetin tietoliikenteelle.

(17)

3.4 Käyttö nyt ja tulevaisuudessa

Edellä esitellyn C-ITS-alustan käyttöönotto on jo aloitettu Euroopassa. Työn kirjoituksen aikana alkuvuodesta 2021 sitä toteutetaan ETSI ITS-G5-standardin avulla. Muualla maa- ilmassa älykkään liikenteen viestintää toteutetaan eri teknologioilla. [18]

C-ITS-palveluiden käyttöönotto on jaettu kolmeen osaan: Day 1, Day 2 ja Day 3+. Day 1 -toiminnallisuuden käyttöönotto on jo aloitettu ympäri Eurooppaa ja seuraavia vaihei- ta on käytössä testaustarkoituksessa. Ensimmäinen vaihe sisältää toimintoja, jotka tuke- vat ennakoivaa ja taloudellista ajamista. Esimerkiksi erilaisia varoituksia ja viestejä infra- struktuurilta. Toinen vaihe, Day 2, parantaa palvelunlaatua ja mahdollistaa havainnoin- titietojen jakamisen muille tienkäyttäjille. Kolmannessa vaiheessa lisätään autonomisen ajamisen mahdollistavia toimintoja. Kolmas vaihe jatkuu pitkälle tulevaisuuteen. Day 1 -toiminnallisuutta toteutetaan WLAN-tekniikkaan pohjautuvalla ITS-G5-standardilla. Muut vaiheet saattavat sisältää jo muitakin kehitteillä olevia teknologioita. [18] Toiminnassa olevien C-ITS-asemien sijainnit on mahdollista nähdä Euroopan komission Mobility and Transport -interaktiivisesta kartasta 3.5.

Kuva 3.5. Kuvankaappaukset Mobility and Transport -kartasta. Vihreät pisteet ovat C- ITS-tukiasemia. [23]

Eniten asemia on selvästi Keski-Euroopassa, varsinkin Ranskassa. Kartasta selviää myös, että Suomessa on yksi ITS-G5-standardia tukeva tukiasema, joka sijaitsee aivan yliopis- tomme Hervannan kampuksen edessä Hervannan valtaväylän varrella. Kartasta selviää myös tukiaseman toiminnallisuudet: Se voi esimerkiksi neuvoa autolle optimaalisen no- peuden vihreään aaltoon (GLOSA), kertoa liikennevalojen ajoituksen, varoittaa punaisilla ajamisesta, varoittaa suljetuista kaistoista tai tietöistä sekä priorisoida hälytysajoneuvoja.

Se on siis selvästi Day 1 -toiminnallisuutta toteuttava tukiasema.

(18)

Työn kirjoituksen aikana ainakin Volkswagen on julkaissut automallin, joka voi käyttää viestintään ITS-G5-standardia ja täten siis 802.11p-teknologiaa. Uusimmassa Volkswa- gen Golfissa toiminnallisuutta kutsutaan nimelläCar2X ja se on vakiovaruste. Kuten työn johdannossa mainittiin, ajoneuvojen turvallisuuden kehityksessä ei ole tapahtunut mer- kittäviä parannuksia useaan vuoteen. DSRC-viestinnän tarjoaminen vakiovarusteena yh- dessä Euroopan suosituimmista automalleista [24] on merkittävä harppaus älykkään liikenteen käyttöönotossa. Myös ajoneuvojen turvallisuusjärjestö Euro NCAP on palkinnut Volkswagenin Advanced-palkinnolla, jota ei ole jaettu lainkaan lähes kuuteen vuoteen [25].

V2X-viestinnän käyttöönottoa on hidastanut haastavaksi osoittautunut kehitystyö ja ole- massaolevien teknologioiden kypsymättömyys. Vaikka 802.11p on ollut olemassa jo kauan, sitä ei olla haluttu ottaa käyttöön, koska halutaan odottaa myös mahdollisia vaih- toehtoja. Lähivuosien kehitys mobiiliverkkoteknologioissa on kiinnittänyt huomiota myös älykkään liikenteen kannalta. Varsinkin 5G-teknologian oletetaan olevan tulevaisuudessa ratkaisu moniin liikenteen viestinnän ongelmiin. Lyhyen kantaman ratkaisuja ja mobiili- verkkoja tarvitaan tulevaisuudessa molempia, mistä kerrotaan lisää luvussa 5.

(19)

4. IEEE 802.11P:N KORVAAJA IEEE 802.11BD

IEEE 802.11p on julkaistu vuonna 2010, joten se on jo yli kymmenen vuotta vanha. Poh- jana käytetty vielä vanhempi 802.11a on puolestaan julkaistu jo vuonna 1999. WLAN- tekniikkaan on tehty monia parannuksia kahden vuosikymmenen aikana ja sen toiminta- varmuus on kehittynyt huomattavasti. Uusien ominaisuuksien hyödyntäminen myös ajoneuvojen välisessä viestinnässä on siis varsin ajankohtaista. Uuden standardin kehitykseen perustettiin vuonna 2018 uusi työryhmä Task Group BD kehittämään seuraajaa, jonka tunniste on 802.11bd. [26] Standardin kehitystyö on niin alkuvaiheessa, että sen toimintaa on testattu vasta simulaatioilla, eikä fyysisissä liikenneympäristöissä. Lopullisia standardin toiminnallisuuksia ei myöskään ole vielä julkaistu.

4.1 Määritetyt tavoitteet ja parannukset

Standardille on määrätty tavoitteet jotka sen tulee täyttää. Tavoitteista on kerrottu projektin aloituspyynnössä ja ne käydään läpi seuraavaksi. Pyynnössä kerrotaan, että 802.11bd:n on tarkoitus olla täysin yhteensopiva edeltäjänsä 802.11p:n kanssa [27, 28]. Vanhat laitteet, joita on jo nyt markkinoilla toimivat siis tulevaisuudessa myös uusien kanssa. Se on tärkeää järjestelmän nykyisille käyttäjille ja ajoneuvojen viestinnän kehitykselle, sillä kukaan ei olisi valmis ottamaan käyttöön järjestelmää, jonka tiedettäisiin olevan täysin vanhentunut jo muutaman vuoden kuluttua.

Lisäksi pyynnössä kerrotaan, että 802.11bd tulee määrittelemään vähintään yhden toi- mintamuodon, jolla saavutetaan kaksinkertainen tiedonsiirtonopeus edeltäjäänsä verrattuna liikenneympäristöissä, joissa ajoneuvojen nopeudet voivat olla jopa 250 km/h. Tämä tarkoittaa tilanteita, joissa lähestymisnopeus voi siis olla 500 km/h. Lisäksi tulee määritellä ainakin yksi toimintamuoto, jolla saavutetaan kaksinkertainen kantama 802.11p:n pienim- män siirtonopeuden kanavaan verrattuna. Standardin tulee myös määritellä vähintään yksi paikannustoiminto V2X-viestintään liittyen. Uudemman WLAN-standardin käyttäminen mahdollistaa myös paremman ruuhkanhallinnan, jolloin käyttäjämäärää saadaan lisättyä ja toiminta on varmempaa ruuhkaisissa ympäristöissä. [27]

(20)

4.2 Tekninen toteutus

802.11bd-standardi määrittelee vain MAC- ja fyysisen kerroksen, aivan kuten edeltäjänsä.

Se pohjautuu uudempaan 802.11ac-lähiverkkostandardiin, joka sisältää jo monia tehok- kaita mekanismeja tiedonsiirron parantamiseksi verrattuna vanhaan 802.11a-versioon, jo- hon 802.11p pohjautuu. [29] Tarkkaa tietoa ylempien kerroksien toiminnasta ei ole saatavilla, mutta luultavasti periaate on sama kuin 802.11p-standardin kanssa, koska 802.11bd määrittelee vain alimmat kerrokset. Ylemmät kerrokset toteutetaan muiden standardien avulla. Esimerkiksi IEEE 1609:n toiminnallisuus ei ole vanhentunutta ja vaihtoehtojakin on, kuten EU:n ITS-G5. Teoriassa 802.11bd tulee olemaan vain yksinkertainen tapa kor- vata 802.11p.

Fyysinen kerros uudessa standardissa tarjoaa 20 MHz:n kaistanleveyden, kun taas edel- täjässä kaistanleveys on 10 MHz. Lisäksi käytössä on modulaation ja kanavakoodauksen yhdistelmä (Modulation and Coding Scheme, MCS), joka mahdollistaa jopa 256-QAM:n käytön 5/6-koodaussuhteella. Edeltäjän, 802.11p:n, suurin mahdollinen tiedonsiirtonopeus voidaan saavuttaa 64-QAM -modulaatiolla ja 3/4-koodaussuhteella. Molempien, se- kä 802.11p:n että 802.11bd:n, pienin käytettävä MCS on BPSK 1/2-koodaussuhteella.

Sitä käyttämällä saavutetaan suurin mahdollinen kantama ja samalla pienin tiedonsiirtonopeus. 802.11bd:ssä kantaman parantamiseksi on suunniteltu käytettävän myös muita keinoja, joista tässä kohtaa ei kuitenkaan ole varmaa tietoa. Myös muut edellä mainitut tiedot voivat vielä muuttua.

802.11ac-standardista perittyä on myös tiladiversiteetin hyödyntäminen usealla anten- nilla eli MIMO-tekniikan käyttö sekä virheenhallintakoodaus LDPC. Lisäksi lähetykses- sä käytetään OFDM-symboleiden välissä lähetettäviämidamble-symboleja, joiden avulla voidaan arvioida kanavan muutoksia ja vähentää häiriöitä. Todennäköisesti 802.11bd tulee myös käyttämään millimetriaaltoja suurien tiedonsiirtonopeuksien mahdollistamiseksi. [29] Näillä parannuksilla, varsinkin MIMO-tekniikalla, virheenhallintakoodauksella ja midamble-koodeilla tiedonsiirron varmuutta ja kantamaa saadaan parannettua. Suurempi kaistanleveys ja korkeamman modulaation mahdollisuus puolestaan parantavat edelly- tyksiä kasvattaa tiedonsiirtonopeutta, jos olosuhteet sallivat. Harkinnan alaisena on myös 802.11bd^DC, jossa DC-lyhenteellä viitataan kahden kantoaallon modulaatioon eli Dual Carrier -lähetykseen. Kantaman parannustekniikat ja DC-modulaatio ovat peräisin uu- desta 802.11ax-standardista, joka tunnetaan myös nimellä WiFi 6. [28, 29]

Uusimpien WLAN-standardien ominaisuuksien hyödyntäminen ajoneuvojen viestinnäs- sä korjaa monia ongelmia, joita vanhemmalla standardilla on. Vanhemmalla standardilla tapahtuva viestintä ruuhkautuu helposti, jos laitteita on paljon pienellä alueella. Toiminnan takaaminen ruuhkaisissa ympäristöissä on olennainen osa ajoneuvojen viestintää, kos-

(21)

ka juuri kaupungeissa liikenteen sulavoittamisesta ja törmäyksien estämisestä on suurin hyöty. Uudemman standardin avulla saavutetaan myös pienempi viive, parempi kantama sekä yleisesti parempi luotettavuus.

(22)

5. WLAN- JA MOBIILIVERKKOPOHJAISTEN RATKAISUJEN VERTAILU

Sekä WLAN- että mobiiliverkkopohjaisella ratkaisulla on omat hyvät ja huonot puolensa.

Muutamia sellaisia on aikaisemmissa luvuissa mainittu, mutta tässä luvussa niitä kerä- tään vielä yhteen kokonaiskuvan luomiseksi. Lopuksi esitellään myös usein tutkimuksissa ja suunnitelmissa esiin nouseva hybridimalli, jossa useampi V2X-teknologia toimisi yh- dessä.

WLAN-tekniikan hyödyntämisessä V2X-viestinnässä on merkittäviä ongelmia, joista en- simmäinen on sen lyhyt kantama. Kuten aikaisemminkin mainittu, esimerkiksi internet- yhteyden tarjoaminen on haastavaa. Ajoneuvon täytyy olla tienvarsiyksikön pienellä muutaman sadan metrin luokkaa olevalla kuuluvuusalueella saadakseen yhteyden, joka kat- keaa kun ajoneuvo poistuu liian kauas. Internet-yhteyttä voidaan teoriassa välittää eteen- päin usean ajoneuvoyksikön kautta, mutta mikään ei takaa, että muita ajoneuvoja var- masti on välissä sopivilla etäisyyksillä. [5] Tienvarsiyksiköiden määrää voidaan teoriassa myös lisätä, jotta katvealueet häviäisivät. Se olisi kuitenkin kallista ja DSRC-viestinnän perusidean vastaista. Viestinnän on tarkoitus tapahtua dynaamisesti ajoneuvojen välillä tarvittaessa, eikä jatkuvasti tukiaseman kanssa.

Toinen IEEE 802.11p -standardiin pohjautuvan viestinnän ongelma on viestintäkanavan ruuhkautuminen, jos ajoneuvoyksiköitä on paljon pienellä alueella. Lähetysten törmäys- ten määrä kasvaa ja päätelaitteiden kilpailuun viestintäkanavan käyttövuoroista tulee suuria viiveitä. [4, 5] Ajoneuvoyksiköt joutuvat siis odottamaan pidempään ennen kuin pysty- vät lähettämään, minkä lisäksi lähetetyt viestit menevät huonosti perille. Tämä ongelma on todettu useassa tutkimuksessa, mikä onkin antanut syyn kehittää uusi, ruuhkaisissa ympäristöissä paremmin toimiva standardi eli aikaisemmin esitelty 802.11bd [5]. WLAN- tekniikka soveltuu paremmin suoraan V2V-viestintään, jossa välitetään vain pienikokoisia ja nopeita turvallisuusviestejä lähiympäristölle.

Kiinnostus mobiiliverkkoteknologioiden hyödyntämiseen V2X-viestinnässä on kasvanut.

Nykyisillä mobiiliverkoilla on jo valtava peittoalue ja ne mahdollistavat nopean tiedonsiirron. Internet-yhteyden tarjoaminen ajoneuvoille mobiiliverkkojen avulla on siis helppoa

(23)

ja olemassa olevat teknologiat ovat jo kypsiä ja laajasti käytössä. Matkustajan näkökul- masta ajoneuvon kyydissä mobiiliverkon käyttäminen ei ole mitenkään uusi asia, vaan se on todella yleistä älypuhelimilla jo nykyäänkin. Mobiiliverkkojen hyödyntämisellä on kuitenkin myös haittapuolensa. Tukiaseman kautta ei voi lähettää turvallisuuden kannalta kriittisiä viestejä, koska lähetys olisi liian hidasta ja epäluotettavaa. [5] Mobiiliverkkojen hyödyntäminen sellaisenaan ei sovellu siis suoraan V2V-viestintään, mutta niiden radio- vastaanotintekniikkaa voidaan käyttää myös suoraan lyhyen kantaman viestintään, kuten luvussa 2.2 kerrottiin. Lyhyen kantaman LTE-V2X PC5-rajapinnan toiminnallisuutta on testattu enimmäkseen vain simuloimalla, joten sen paremmuutta käytännössä 802.11p- tekniikkaan verrattuna ei pystytä vielä varmistamaan.

Yksi useasti tutkimuksissa mainittu malli olisi hyödyntää useampaa teknologiaa koko- naisvaltaisen ja luotettavan V2X-viestinnän mahdollistamiseksi [4, 5, 18]. Jotakin lyhyen kantaman tekniikkaa voitaisiin käyttää suoraan ajoneuvojen väliseen viestintään ja mo- biiliverkkoa muihin tarkoituksiin. Tällä tavalla on mahdollista välttyä kummankin vaihtoeh- don ongelmilta ja käyttää niitä sellaisiin käyttökohteisiin, joihin ne on alunperin kehitetty.

Mobiiliverkon kautta tapahtuvan viestinnän ei tarvitse olla viiveetöntä, koska turvallisuuspalveluiden kriittiset viestit välitetään eri kanavaa pitkin esimerkiksi WLAN-tekniikalla. Ly- hyen kantaman viestinnän ei myöskään tarvitse tällöin pystyä todella suuriin tiedonsiirto- nopeuksiin, vaan se voidaan keskittää vain turvallisuuden kannalta merkittävään viestin- tään.

Kuva 5.1.Havainnollistus mobiiliverkon ja DSRC:n yhteistoiminnasta hybridimallina V2X- viestinnässä. [5]

Markkinoilla on jo laitteita, jotka mahdollistavat sekä ITS-G5:n että LTE-V2X:n suoran viestintämoodin PC5:n käyttämisen. Nämä teknologiat eivät kuitenkaan ole yhteensopi-

(24)

via. Kahta teknologiaa käytettäessä samat viestit tulisi lähettää molemmilla, jotta viesti menisi perille mahdollisimman monelle. Kahdesti saman informaation lähettäminen ei ole järkevää, koska se lisää tarvittavaa prosessointia sekä tietoliikenteen määrää varsinkin, jos myös vastaanottajat käyttävät kahta teknologiaa. C-ITS-alustan käyttöönoton kannalta myös sen taloudellisuus on olennaista, minkä takia useaa teknologiaa tukevia laitteita tuskin asennetaan massatuotettuihin ajoneuvoihin. [18, 30]

Kilpailevat teknologiat hankaloittavat käyttöönottoa ja vähentävät viestinnästä saadun tur- vallisuushyödyn merkitystä, koska ne eivät ole yhteensopivia. Ajoneuvojen viestinnästä on suurin hyöty, jos kaikki pystyvät viestimään keskenään eivätkä vain samaa tekniikkaa käyttävien kanssa. Euroopassa ja Yhdysvalloissa on pyritty jonkin verran tekemään yh- teistyötä standardisoinnissa, minkä seurauksena molemmissa keskitytään IEEE 802.11p -pohjaisen teknologian kehitykseen. WLAN-tekniikan käyttöönotto on kuitenkin aloitettu vain Euroopassa. Yhdysvalloissa ei ole vielä sitouduttu minkään teknologian käyttämi- seen. Kiinassa taas on suunnitelmia LTE-V2X PC5:n käyttöönotolle, koska se nähdään suurilta osin kiinalaisten yritysten kehittämänä ja kilpailijat länsimaisina. Lähitulevaisuu- dessa 5G-V2X sekoittaa markkinoita entisestään, koska se ei ole yhteensopiva ITS-G5:n tai edes LTE-V2X:n kanssa. [30]

(25)

6. YHTEENVETO

Tulevaisuuden älykkäässä liikenteessä tarvitaan äärimmäisen luotettavia ja pieniviivei- siä langattoman viestinnän keinoja. Täysin autonomisten ajoneuvojen tulee pystyä kes- kustelemaan keskenään esimerkiksi aikeistaan ja mahdollisista vaaroista, minkä lisäksi tarvitaan nopea internet-yhteys päivityksien, ajantasaisten tietojen ja viihteen takia. Ajo- neuvojen langattoman viestinnän teknologioita on kehitetty jo kauan, mutta viime vuosina kehitystyö on tullut vauhdikkaammaksi kilpailevien teknologioiden ja yhteiskunnan käyt- töönottohalujen myötä.

Ensimmäinen ajoneuvojen väliseen V2V-viestintään kehitetty teknologia on jo vuonna 2010 julkaistu IEEE:n WLAN-standardilisäys 802.11p. Sen toimintaa on tutkittu vuosikymmenen aikana paljon, ja standardi onkin todetty jo kypsäksi ja käyttökelpoiseksi tä- män hetkisen liikenteen tarpeisiin nähden. Standardin avulla pystytään välittämään luotettavasti ja nopeasti liikenteen turvallisuutta parantavia viestejä ympäristöissä, joissa doppler-siirtymät ja monitie-eteneminen aiheuttavat merkittäviä haasteita langattomalle viestinnälle. 802.11p toimii hyvin, mikäli viestintäkanavaa samanaikaisesti käyttävien ajoneuvojen määrä ei ole suuri. Tällä hetkellä ajoneuvojen määrä, jotka ylipäätään kykenevät viestimään 802.11p-standardin mukaisesti on kuitenkin hyvin pieni. Todennäköisyys vies- tintäkanavan ruuhkaantumiselle on siis hyvin pieni ja muuten tiedetään, että standardi on käyttökelpoinen. 802.11p-pohjaisten tukiasemien asentaminen ja käyttöönotto onkin aloitettu jo ympäri Euroopan unionia.

V2X-viestintään liittyy vielä kuitenkin paljon haasteita, joita pyritään ratkaisemaan uusilla teknologioilla. IEEE kehittää 802.11p:lle seuraajaa, josta käytetään tunnistetta 802.11bd.

Se perustuu uusimpien WLAN-standardien hyödyntämiseen myös ajoneuvojen viestin- nässä. Lisäksi markkinoille on alettu kehittää kilpailevia teknologioita, joista lupaavimmat ovat 3GPP:n mobiiliverkkoteknologiaan pohjautuvat ratkaisut LTE-V2X sekä tulevaisuudessa 5G-V2X. Varsinkin 5G-teknologian odotetaan mahdollistavan pienet viiveet, suuret tiedonsiirtonopeudet sekä luotettavuuden, joita älykkään liikenteen viestinnässä tarvitaan. Tulevaisuudessa eri V2X-teknologioiden odotetaan täydentävän toisiaan, mihin uskotaan vahvasti ainakin EU:n C-ITS -hankkeessa.

(26)

Tietoliikennealan standardisointityö on monimutkainen prosessi ja standardeja on lukui- sia. Erilaiset käyttöympäristöt ympäri maailmaa sekä kansalliset intressit asettavat erilaisia vaatimuksia teknologioille. Tämä ilmenee myös ajoneuvojen viestintään kehitettävien ratkaisujen standardisoinnissa. Teknologioita ei välttämättä pystytä kehittämään yhteen- sopiviksi, vaikka siten voitaisiin saavuttaa suurin hyöty. Työn kirjoituksen aikana alkuvuodesta 2021 tietoa on saatavilla hyvin rajallisesti muista kuin 802.11p:stä. Sen tutkiminen kuitenkin havainnollistaa hyvin myös muiden julkaisemattomien teknologioiden toimintaa, joten se on tällä hetkellä hyvä tutkimuksen pohja, vaikka tulevaisuuden vallitsevaa standardia ei voida vielä tietää.

(27)

LÄHTEET

[1] DG Mobility and Transport of the European Commission. Mobility and Transport, Road safety. What We Do. URL: https://ec.europa.eu/transport/road_

safety/what-we-do_en(viitattu 16. 04. 2021).

[2] Euroopan unionin neuvosto.Autoista turvallisempia EU:ssa. 8. marraskuuta 2019.

URL: https://www.consilium.europa.eu/fi/press/press- releases/

2019/11/08/safer-cars-in-the-eu/(viitattu 16. 04. 2021).

[3] Zhang, S., Chen, J., Lyu, F., Cheng, N., Shi, W. ja Shen, X. Vehicular Communica- tion Networks in the Automated Driving Era.IEEE Communications Magazine56.9 (2018), s. 26–32.DOI:10.1109/MCOM.2018.1701171^.

[4] Kiela, K., Barzdenas, V., Jurgo, M., Macaitis, V., Rafanavicius, J., Vasjanov, A., Kla- dovscikov, L. ja Navickas, R. Review of V2X–IoT Standards and Frameworks for ITS Applications.Applied Sciences10.12 (2020).ISSN: 2076-3417.DOI:10.3390/

app10124314^.

[5] Abboud, K., Omar, H. A. ja Zhuang, W. Interworking of DSRC and Cellular Network Technologies for V2X Communications: A Survey.IEEE Transactions on Vehicular Technology 65.12 (2016), s. 9457–9470.DOI:10.1109/TVT.2016.2591558^. [6] SAE J3016. Levels of driving automation. 15. kesäkuuta 2018. URL: https : / /

www.sae.org/standards/content/j3016_201806/^.

[7] CAAT-kotisivut. Connected and Automated Vehicles. 2021.URL:http://autocaat.

org/Technologies/Connected_and_Automated_Vehicles/(viitattu 28. 01. 2021).

[8] ERTRAC.Connected Automated Driving Roadmap. 8. maaliskuuta 2019.URL:https:

//connectedautomateddriving.eu/wp-content/uploads/2019/04/ERTRAC- CAD-Roadmap-03.04.2019-1.pdf^.

[9] Lumiaho, A. ja Malin, F.Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä, Tieliikenteen automatisoinnin etenemissuunnitelma ja toimenpideohjelma 2016–2020. 2016. URL: https : / / julkaisut . vayla . fi / pdf8 / lts _ 2016 - 19 _ tieliikenteen _ automatisoinnin_web.pdf^.

[10] Zeadally, S., Javed, M. A. ja Hamida, E. B. Vehicular Communications for ITS:

Standardization and Challenges.IEEE Communications Standards Magazine 4.1 (2020), s. 11–17.DOI:10.1109/MCOMSTD.001.1900044^.

[11] ETSI Technical Committee Intelligent Transport Systems.Final draft ETSI EN 302 663 V1.3.1. 2019. URL:https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302600_

302699/302663/01.03.01_30/en_302663v010301v.pdf^.

(28)

[12] Hiertz, G. R., Denteneer, D., Stibor, L., Zang, Y., Costa, X. P. ja Walke, B. The IEEE 802.11 universe. IEEE Communications Magazine 48.1 (2010), s. 62–70.

DOI:10.1109/MCOM.2010.5394032^.

[13] IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks—Specific requi- rements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.IEEE Std 802.11-2016 (Revision of IEEE Std 802.11-2012) (2016).DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7786995^.

[14] Uzcategui, R. A., Sucre, A. J. D. ja Acosta-Marum, G. Wave: A tutorial.IEEE Com- munications Magazine 47.5 (2009), s. 126–133. DOI: 10 . 1109 / MCOM . 2009 . 4939288^.

[15] Gräfling, S., Mähönen, P. ja Riihijärvi, J. Performance evaluation of IEEE 1609 WAVE and IEEE 802.11p for vehicular communications (2010), s. 344–348. DOI: 10.1109/ICUFN.2010.5547184^.

[16] Eichler, S. Performance Evaluation of the IEEE 802.11p WAVE Communication Standard (2007), s. 2199–2203.DOI:10.1109/VETECF.2007.461^.

[17] Choi, J., Marojevic, V., Dietrich, C. B., Reed, J. H. ja Ahn, S. Survey of Spectrum Regulation for Intelligent Transportation Systems.IEEE Access 8 (2020). DOI:10.

1109/ACCESS.2020.3012788^.

[18] Car 2 Car Communication Consortium. C-ITS: Cooperative Intelligent Transport Systems and Services. URL: https://www.car-2-car.org/about-c-its/

(viitattu 12. 04. 2021).

[19] ETSI Technical Committee Intelligent Transport Systems. ETSI EN 302 636-4- 1 V1.4.1. Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Geo- Networking; Part 4: Geographical addressing and forwarding for point-to-point and point-to-multipoint communications; Sub-part 1: Media-Independent Functionality.

2020-01. URL:https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302600_302699/

3026360401/01.04.01_60/en_3026360401v010401p.pdf^.

[20] Kuhlmorgen, S., Llatser, I., Festag, A. ja Fettweis, G. Performance Evaluation of ETSI GeoNetworking for Vehicular Ad Hoc Networks. 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring). 2015, s. 1–6. DOI:10.1109/VTCSpring.

2015.7146003^.

[21] Santa, J., Pereniguez-Garcia, F., Moragón, A. ja Skarmeta, A. Experimental evaluation of CAM and DENM messaging services in vehicular communications. Trans- portation Research Part C: Emerging Technologies46 (syyskuu 2014), s. 98–120.

DOI:10.1016/j.trc.2014.05.006^.

[22] ETSI Technical Committee Intelligent Transport Systems.ETSI EN 302 636-3 V1.1.2.

Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; GeoNetworking;

Part 3: Network Architecture. 2014-03.URL:https://www.etsi.org/deliver/

(29)

etsi_en/302600_302699/30263603/01.01.02_20/en_30263603v010102a.

pdf^.

[23] DG Mobility and Transport of the European Commission.TENtec Interactive Map Viewer.URL:https://ec.europa.eu/transport/infrastructure/tentec/

tentec-portal/map/maps.html(viitattu 18. 03. 2021).

[24] Bekker, H.2019 (Full Year) Europe: Best-Selling Car Models. 2019. URL:https:

//www.best-selling-cars.com/europe/2019-full-year-europe-best- selling-car-models/(viitattu 15. 04. 2021).

[25] Euro NCAP. Volkswagen Safety Technology Rewarded by Euro NCAP. 18. maaliskuuta 2020. URL:https://www.euroncap.com/en/press-media/press- releases / volkswagen - safety - technology - rewarded - by - euro - ncap/

(viitattu 18. 03. 2021).

[26] IEEE P802.11-TASK GROUP BD (NGV) MEETING UPDATE.URL:https://www.

ieee802.org/11/Reports/tgbd_update.htm(viitattu 26. 03. 2021).

[27] Sun, B. ja Zhang, H.IEEE P802.11 Task Group BD Project Authorization Request.

IEEE 802.11-18/0861r9. Marraskuu 2018. URL: https://mentor.ieee.org/

802.11/dcn/18/11-18-0861-09-0ngv-ieee-802-11-ngv-sg-proposed- par.docx^.

[28] Anwar, W., Franchi, N. ja Fettweis, G. Physical Layer Evaluation of V2X Commu- nications Technologies: 5G NR-V2X, LTE-V2X, IEEE 802.11bd, and IEEE 802.11p (2019), s. 1–7.DOI:10.1109/VTCFall.2019.8891313^.

[29] Yacheur, B. Y., Ahmed, T. ja Mosbah, M. Implementation and Assessment of IEEE 802.11BD for Improved Road Safety. 2021 IEEE 18th Annual Consumer Commu- nications Networking Conference (CCNC). 2021, s. 1–6.DOI:10.1109/CCNC49032.

2021.9369649^.

[30] Car 2 Car Communication Consortium.C-ITS: Frequently Asked Questions.URL: https : / / www . car - 2 - car . org / about - c - its / c - its - faqs/ ^(viitattu 19. 04. 2021).