L’Europe est en train de se choisir une norme pour les véhicules connectés. L’une est plus ancienne, mais plus mature. Et l’autre est plus récente, mais n’a encore que peu été testée. La professeure Ingrid Moerman explique en détail quelles sont les différences, les avantages et les inconvénients de ce choix technologique.
Ingrid Moerman a rédigé cette analyse conjointement avec ses collègues Bart Lannoo (business developer lié à l’imec-IDLab de l’université d’Anvers) et Dries Naudts (chercheur à l’imed-IDLab de l’UGent).
Le 13 mars 2019, la Commission européenne a présenté de nouvelles règles en vue de favoriser le déploiement des systèmes de transport intelligents coopératifs (C-ITS). Grâce à la technologie C-ITS, les véhicules peuvent communiquer entre eux, avec l’infrastructure routière et avec les autres usagers de la route, mais aussi s’échanger notamment des informations sur des situations dangereuses, sur des travaux routiers et sur le timing des feux de circulation, afin de rendre le trafic plus sûr et plus efficient, tout en exerçant un impact positif sur l’environnement.
Plusieurs technologies sans fil sont prises en considération pour C-ITS, où une distinction est faite entre la communication à courte et à longue distance. Pour la communication à courte distance, l’Europe a déjà prévu une bande spectrale spéciale sans licence de 30 MHz (entre 5,875 et 5,905 GHz) qui ne peut être utilisée que pour les applications ITS. A l’avenir, cette bande sera étendue de 20 MHz à 5,925 GHz.
Pour la communication à courte distance entre voitures mêmes, et entre les voitures et l’infrastructure routière (comme les feux de circulation intelligents), une variante wifi a été développée, mieux connue sous les appellations ITS-G5 en Europe et DSRC (Direct Short Range Communication) aux Etats-Unis et au Japon. Dans l’attente de la 5G, on a aussi étoffé la technologie cellulaire 4G aussi appelée C-V2X (Cellular Vehicle-to-Everything), dans le but de supporter les services C-ITS.
Cette technologie C-V2X comprend deux modes de communication, à savoir le Direct C-V2X qui, tout comme la variante wifi, supporte la communication à courte distance et utilise la même bande ITS sans licence, ainsi que la communication à longue distance via les pylônes d’antennes 4G ordinaires (et bientôt 5G), qui opèrent dans des bandes de fréquences à licence.
La proposition de la Commission européenne du 13 mars consistait d’une part à imposer ITS-G5 (la variante wifi) dans tous les véhicules européens pour la communication directe à courte distance pour les services d’urgence, et d’autre part à utiliser les réseaux cellulaires 3G/4G existants pour la communication à plus longue distance pour les services moins urgents entre les véhicules et l’infrastructure ITS.
Dans sa proposition, la Commission mentionne en outre qu’elle reste ouverte à l’innovation et à l’extension à d’autres technologies à l’avenir, telles C-V2X et la 5G.
Ingrid Moerman travaille pour le compte de l’institut de recherche imec, où elle est program leader pour la recherche en matière de réseaux sans fil déterministes. Il s’agit là de réseaux sans fil, pour lesquelles des garanties de qualité pour les applications sans fil sont primordiales nonobstant le caractère très changeant de l’environnement sans fil. Ingrid Moerman dirige aussi la recherche dans le domaine des réseaux sans fil au sein du groupe d’étude imec-IDLab à l’université de Gand. Le groupe de recherche IDLab, se composant de chercheurs de l’UGent et de l’UAntwerpen, est impliqué dans de nombreuses initiatives de recherche nationales européennes, dont plusieurs projets liés aux véhicules équipés pour la communication. L’équipe de recherche IDLab dispose d’une large expertise en validation ‘proof-of-concept’ de systèmes sans fil innovants dans le cadre de scénarios réalistes complexes, et possède à cette fin des installations de test étendues, caractérisées par un rayonnement international et utilisées aussi par de nombreux chercheurs et partenaires industriels extérieurs.
L’objectif était que ces nouvelles règles entrent en vigueur le 13 mai 2019, deux mois après leur publication, mais en raison d’objections émises au sein du Conseil de l’Europe par un certain nombre d’états membres, en particulier la Finlande et l’Espagne, 15 pays membres ont demandé un délai supplémentaire pour adopter un point de vue, ce qui fait que l’exécution a été postposée de deux mois. Le 3 juillet, 21 des 28 états membres se sont exprimés par la négative, ce qui signifie que les règles C-ITS présentées par l’Europe ont été rejetées.
Lors de la réunion du Conseil de l’Europe du 8 juillet, cette décision a été formellement entérinée, ce qui signifie que les règles présentées par la Commission européenne sont rejetées et que de nouvelles règles doivent donc être élaborées.
Les objections en Europe portent surtout sur le choix de la technologie pour la communication à courte distance, à savoir entre ITS-G5 et Direct C-V2X, qui exploitent la bande spectrale de 5,9 GHz spécifique à ITS.
Ancien vs récent
La norme ITS-G5 a été définie, il y a dix ans, et a déjà été testée minutieusement et à grande échelle, selon des procédures de test standardisées. Des produits commerciaux sont disponibles depuis longtemps déjà. C’est ainsi que Toyota a déjà intégré des modules ITS-G5 (DSRC) dans une partie de son parc automobile au Japon.
Quant à Volkswagen, elle a annoncé équiper ses voitures à partir de cette année de la technologie ITS-G5. De son côté, Volvo a sélectionné ITS-G5 pour un convoi de camions. Les autres adeptes d’ITS-G5 sont les constructeurs automobiles Renault, DAF, Scania, Daimler Trucks, General Motors, ainsi que des firmes technologiques comme NXP Semiconductors, Cohda Wireless et Siemens.
La norme Direct C-V2X, elle, a été finalisée en septembre 2016. Aujourd’hui, seules des plates-formes de test de prototypes sont disponibles. Ce genre de plate-forme n’est accessible que par des partenaires choisis pour une utilisation dans le cadre de tests-pilotes pré-commerciaux. On attend les premiers produits commerciaux en 2019, qui pourront être incorporés à de futures voitures.
Direct C-V2X sera en outre aussi supportée en 5G, mais il n’existe pas encore de feuille de route publique spécifiant quand des produits 5G Direct C-V2X seront disponibles sur le marché. Des constructeurs automobiles tels Ford, BMW, Daimler et PSA Group (représentant Peugeot, Citroën et Opel), conjointement avec des fabricants de puces 4G/5G comme Qualcomm et Intel, ainsi que le secteur télécom avec des entreprises telles Deutsche Telekom, Ericsson, Huawei et Samsung sont actuellement de solides défenseurs de C-V2X.
Etats-Unis et Asie
Il n’y a pas qu’en Europe que C-ITS défraye la chronique, puisque elle est un sujet d’intenses débats au niveau mondial entre des autorités nationales et des groupes de lobbying technologique. Aux Etats-Unis, une bande spectrale spécifique de 75 MHz (de 5,980 GHz à 5,925 GHz) est attribuée depuis 1999 à la technologie DSRC pour les applications ITS.
Contrairement à l’Europe, la bande ITS a été combinée aux Etats-Unis à la technologie DSRC. En Europe, la bande ITS est technologiquement neutre, ce qui signifie qu’elle peut être utilisée par plusieurs technologies pour des applications ITS.
Mais aux Etats-Unis aussi, la technologie DSRC et la bande ITS spectrale correspondante font l’objet de débats. En 2016, un acte avait été signé en vue de déployer la DSRC dans tous les véhicules, mais cet acte fut désapprouvé par le président Trump. Comme la crainte existe que cette bande spectrale DSRC reste ainsi sous-utilisée, le lobbying va actuellement bon train, afin de l’ouvrir à d’autres applications wifi (qu’ITS) dans l’optique de favoriser l’économie.
C’est pour cette raison que certains constructeurs automobiles, tels General Motors, ont reporté l’intégration de la technologie DSRC et ont même pensé à adopter un système 4G-5G. En outre, la 5GAA (5G Automotive Association), une organisation qui promeut le déploiement de la 5G pour l’automatisation de véhicules et fait en tant que telle partie du groupe de lobbying C-V2X, milite pour supprimer la bande DSRC et autoriser la technologie C-V2X dans cette bande 5,9 GHz.
Il y a aussi des divergences dans les pays asiatiques: le Japon avec des constructeurs automobiles comme Toyota a opté pour la DSRC, alors que le gouvernement chinois a marqué clairement sa préférence pour la Direct C-V2X.
L’interopérabilité est la plus grande préoccupation des autorités nationales et le principal incitant à ne choisir qu’une seule technologie.
En raison de la grande incertitude qui plane au niveau mondial à propos du choix ITS-G5/DSRC ou Direct C-V2X, certains constructeurs automobiles et fournisseurs misent à présent sur les deux technologies. Mais ce faisant, tous les problèmes ne sont cependant pas résolus. Les deux technologies ont des modes de fonctionnement très différents et n’ont malheureusement pas été développées pour collaborer dans la même bande spectrale.
Si les deux technologies opèrent dans la même bande, cela générera des conflits et une communication moins fiable. L’interopérabilité est par conséquent la plus grande préoccupation des autorités nationale et le principal incitant à ne choisir qu’une seule technologie. L’objectif ne peut pas être que les véhicules d’une marque équipés d’une technologie ne puissent communiquer avec les véhicules d’une autre marque équipés de la deuxième technologie. De plus, des véhicules équipés de différentes technologies pourraient s’interférer les uns les autres.
Les principales différences entre les deux technologies sont expliquées dans le tableau ci-après.
| Technologie ????Propriétés | ITS-G5/DSRC | Direct C-V2X |
| Mode de fonctionnement | ITS-G5 et DSRC reposent sur la technologie wifi, plus précisément la norme IEEE 802.11p. La technologie wifi a été développée pour être utilisée dans les bandes sans licence et tient compte du fait que plusieurs réseaux wifi (et d’autres aussi) doivent partager le spectre. Le principe de base du wifi, c’est qu’il s’agit d’un mécanisme distribué. Avant d’envoyer un message, un appareil observe si le média sans fil est libre. Dès que le média est libre, un délai bref fixe est d’abord attendu. En outre, l’appareil attend aussi un délai aléatoire supplémentaire, avant d’envoyer le message. Cela permet d’éviter autant que possible les heurts entre les différents appareils qui veulent émettre en même temps. Mais des heurts sporadiques sont encore et toujours possibles. Le délai d’attente supplémentaire, qui augmente en moyenne avec le nombre d’appareils proches, génère un ralentissement des messages.La technologie IEEE 802.11p, sur laquelle reposent ITS-G5 et DSRC, utilise en outre une bande de 10 MHz. Cette largeur de bande spectrale pour applications ITS est inférieure à celle pour l’internet sans fil wifi standard, pour lequel un minimum de 20 MHz est utilisé. Chaque message ITS qui est envoyé par un appareil, utilise l’ensemble de la bande spectrale (la totalité des 10 MHz). | La version actuelle de Direct C-V2X repose sur la technologie LTE (4G). LTE est une technologie cellulaire, qui utilise généralement des pylônes d’antennes et opère dans une bande spectrale exclusive, pour laquelle les opérateurs mobiles doivent payer des frais de licence. En fonctionnement normal, un appareil LTE a besoin d’une carte SIM (combinée à l’abonnement de l’utilisateur), pour pouvoir se connecter à un pylône d’antennes. Ce dernier coordonne l’utilisation du spectre et l’horaire sous la forme d’une grille bidimensionnelle, qui se répète au fil du temps. La grille se compose de petits blocs élémentaires, et chaque bloc englobe une partie du spectre (typiquement 180 KHz) et une unité de temps (typiquement 1 milliseconde). Un appareil LTE est toujours synchronisé dans le temps avec son pylône d’antennes et via ce dernier, l’appareil sait dans quels blocs il peut émettre ou recevoir. Plusieurs appareils peuvent émettre ou recevoir simultanément dans diverses portions du spectre.Direct C-V2X recourt à un canal de 10 MHz dans la bande ITS de 5,9 GHz sans licence, et cette technologie doit pouvoir fonctionner sans carte SIM et sans l’aide de pylônes d’antennes LTE standard, afin de coordonner l’utilisation du spectre et de la synchroniser dans le temps. Un appareil Direct C-V2X réservera à l’avance et de manière distribuée les blocs de temps-fréquence, pour s’assurer que les messages ITS puissent être échangés en temps voulu. Il s’agit ici d’éviter que ces mêmes blocs soient réservés par plusieurs appareils. Le mécanisme de réservation peut provoquer un retard supplémentaire, si la génération de messages par l’application ITS n’est pas toujours synchronisée avec l’horaire de réservation. |
| Portée | La portée type est de 500 à 1.000 m, soit davantage que le wifi standard pour l’internet sans fil, en raison de la puissance d’émission tolérée supérieure dans la bande ITS de 5,9 GHz. | La portée type est de 500 à 1000 m.Grâce à l’utilisation de techniques de codage récentes, la portée de Direct C-V2X dans de bonnes conditions est un peu supérieure à celle d’ITS-G5/DSRC. |
| Evolutivité | L’utilisation du temps d’attente ‘aléatoire’ par la technologie wifi génère davantage de heurts et des retards supérieurs en cas de forte densité de véhicules. D’autres tests comparatifs sont nécessaires. | En cas de forte densité de véhicules, il se peut que certains d’entre eux réservent les mêmes blocs temps-fréquence et que cela provoque donc des heurts.L’utilisation de blocs de fréquences proches dans le même créneau horaire par des véhicules proches peut causer des interférences et une communication moins fiable. D’autres tests comparatifs sont nécessaires. |
| Disponibilité | La technologie date de 10 ans, et plusieurs jeux de puces commerciaux sont sur le marché. ITS-G5/DSRC est un jeu de puces particulier pour une intégration dans les véhicules. | La technologie est très récente. Il n’y a pas encore de jeux de puces commerciaux sur le marché. Seuls des prototypes de cartes de test sont disponibles pour effectuer des essais avec des véhicules et ce, conformément aux conditions strictes du fabricant de puces. Les premiers jeux de puces commerciaux sont attendus cette année encore. |
| Maturité | La technologie est très mature et a été testée en profondeur, y compris dans des essais à grande échelle avec des véhicules. | Il existe un rapport de test étoffé élaboré par 5GAA. Plusieurs tests à petite échelle ont déjà été effectués avec des véhicules. Les tests à grande échelle de la technologie n’ont été exécutés qu’en laboratoire. |
| Autres évolutions | Un nouveau groupe de travail, IEEE 802.11bd, en charge de l’évolution future de l’actuelle norme IEEE 802.11p, a été récemment créé. La nouvelle norme prévoit notamment des extensions pour des vitesses data plus élevées et pour des vitesses supérieures des véhicules. | La technologie Direct C-V2X prévoit dans le futur aussi un mode permettant une collaboration avec les pylônes d’antennes LTE pour une synchronisation en temps et l’attribution de blocs temps-fréquence (mais cela exigera une carte SIM et un abonnement chez un opérateur télécom).La norme 5G-V2X est actuellement aussi déjà définie. |
| Coexistence (si ITS-G5/SDRC et Direct C-V2X utilisent le même spectre) | En présence de LTE, IEEE 802.11p postposera l’envoi de messages, si le média sans fil est occupé par des messages Direct C-V2X. Il y aura en outre également des heurts à cause d’un chevauchement de messages avec Direct C-V2X.La capacité et la fiabilité d’IEEE 802.11p diminueront alors nettement. | La technologie Direct C-V2X ‘estimera’ que l’ensemble du spectre peut être utilisé en exclusivité et ne tiendra pas compte des autres technologies. Direct C-V2X n’attendra pas que le média sans fil soit libre avant d’émettre. Direct C-V2X enverra par conséquent ses messages prévus, même si un appareil IEEE 802.11p est en train d’émettre à ce moment-là. Il en résultera des heurts, et la fiabilité diminuera fortement. |
| Interopérabilité | Une rétrocompatibilité avec la norme 802.11p est l’une des priorités du groupe de travail IEEE dans le cadre du développement de la nouvelle norme IEEE 802.11bd. Jusqu’à présent, il n’y a pas d’interopérabilité directe entre ITS-G5/DSRC et Direct C-V2X au niveau radio, et il n’y a aucune indication que ce sera le cas dans les futures normes IEE. | 5G-V2X (à partir de la version 15) n’est pas rétro-compatible avec Direct C-V2X (version 14). On ne prend actuellement en considération que le scénario, où 5G-V2X et Direct C-V2X (version 14) opèrent dans des canaux de fréquences différents et sont utilisés pour des use cases complémentaires.3GPP, l’organisation de standardisation pour les technologies cellulaires 3G/4G/5G, ne prévoit à ce jour aucune interopérabilité directe entre ITS-G5/DSRC et Direct C-V2X au niveau radio, et il n’y a aucune indication que ce sera le cas dans les futures normes. |
Pour savoir vraiment quelle technologie convient le mieux pour améliorer la sécurité et l’efficience des véhicules, d’autres tests s’avèrent nécessaires.
Comme il ressort du tableau, chaque technologie possède ses propres caractéristiques spécifiques, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Pour savoir vraiment quelle technologie convient le mieux pour améliorer la sécurité et l’efficience des véhicules, d’autres tests s’avèrent nécessaires.
Comme les plates-formes prototypes Direct C-V2X sont encore loin d’être disponibles – initialement uniquement pour les constructeurs automobiles et les fabricants d’équipement de communication sans fil et, récemment, aussi pour des instituts indépendants tels l’imec -, il n’existe à ce jour encore aucune analyse objective et complète pour comparer ITS-G5/DSRC et Direct C-V2X. Les analyses actuelles sont souvent basées sur des simulations, des tests en laboratoire, où l’environnement sans fil est imité par le biais de câbles et d’un affaiblissement des signaux, ou sur des tests expérimentaux à petite échelle le long de la route sur d’assez petites distances avec un nombre limité de véhicules. Ces analyses sont aussi commanditées par des groupes de lobbying, où l’attention est surtout accordée aux avantages d’une technologie déterminée.
Actuellement, il y a diverses initiatives au niveau flamand, dont Smart Highway (cf. encadré) et au niveau européen, dont CONCORDA, 5G-CARMEN et 5G-MOBIX. Dans ces projets, dans lesquels l’imec est impliqué, l’objectif est de mettre en oeuvre des sites de tests le long d’autoroutes, pour comparer de manière objective les performances des différentes technologies dans plusieurs scénarios réalistes.
Les technologies continueront toujours d’évoluer, et le meilleur choix d’aujourd’hui ne sera assurément plus le même demain. On peut toujours postposer des choix et des décisions, mais un jour, il faudra bien trancher dans le vif pour équiper les voitures des systèmes de communication nécessaires en vue de rendre le trafic plus sûr et plus efficient.
La communication directe entre les véhicules et l’infrastructure routière ne pourra pas être uniquement déterminée par la technologie la plus récente. Les voitures plus récentes devront aussi continuer de supporter l’ancienne technologie.
Les technologies sans fil évoluent selon un cycle nettement plus rapide que la durée de vie d’un véhicule. Un véhicule n’est malheureusement pas comparable à un smartphone, qui est en général remplacé tous les 2 à 3 ans et qui offre de ce fait la technologie la plus récente. La communication directe entre les véhicules et l’infrastructure routière ne pourra pas être uniquement déterminée par la technologie la plus récente. Les voitures plus récentes devront aussi continuer de supporter l’ancienne technologie. L’interopérabilité entre des générations successives d’une même famille de technologies ou de familles de technologies différentes reste un défi important pour les années à venir.
Smart Highway
Smart Highway est un projet du gouvernement flamand en parallèle avec le projet européen CONCORDA. D ans le cadre de ces projets, une technologie est développée et testée dans des voitures collaboratives et connectées, dans le but de rendre la circulation – dont feront partie les futures voitures autonomes – plus intelligente en étendant leur champ de vision grâce aux informations des voitures proches.
Les deux projets sont coordonnés en Flandre par l’imec, plus précisément par le groupe de recherche IDLab se composant de chercheurs de l’UAntwerpen et de l’UGent, avec la VUB, la KU Leuven et Flanders Make (uniquement Smart Highway) comme partenaires de recherche, ainsi que Toyota, Ericsson (CONCORDA), BMW, Telenet et Septentrio (Smart Highway) comme partenaires associés du monde industriel. Quant au projet européen CONCORDA, il se déroule en parallèle dans des pays comme l’Allemagne, les Pays-Bas, la France et l’Espagne.
Dans le cadre de Smart Highway, une infrastructure de test est déployée le long de l’E313 avec des modules de communication ITS-G5 et C-V2X. Ces modules communiquent avec des voitures équipées également de cette technologie, ce qui permet de tester en profondeur les technologies de communication C-ITS les plus récentes et de les comparer objectivement dans un environnement réel.
Lors d’un événement public organisé le 8 avril 2019, ces tests ont été officiellement initiés. A cette occasion, une manoeuvre de freinage a été transférée vers une voiture à l’arrière et vers l’infrastructure routière.
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