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Tecnologia 5G conectando o mercado automotivo
À medida que o tempo passa e a sociedade evolui, a tecnologia progride de maneira gradual e espalhe-se por diversas áreas do conhecimento. As telecomunicações vêm se transformando desde sinais de fumaça até radiação eletromagnética (2G, 3G, 4G e 5G).
O 5G (Quinta Geração de internet móvel ou Quinta Geração de sistema sem fio), representa a futura geração de telecomunicação móvel. O 5G já vem sendo estudado e testado para substituir o 4G. Apesar de ser apenas tecnicamente uma evolução natural das redes 4G existentes, essa nova tecnologia marcará um ponto de inflexão no futuro das comunicações, trazendo conectividade instantânea de alta potência para bilhões de dispositivos.
Um dos mais novos conceitos trabalhados por gigantes da tecnologia é o veículo para tudo (Vehicle to Everything – V2X). Ele é uma proposta de conectar o carro com tudo ao seu redor para deixar o trânsito mais confortável, eficiente e seguro.
O mercado automotivo está realizando testes com o protocolo C-V2X (Cellular Vehicle to Everything), o qual é baseado em tecnologias celular de evolução a longo prazo (Long Term Evolution – LTE). Em vista disso, este trabalho tem como objetivo realizar um breve estudo sobre o surgimento do C-V2X, funcionalidades, características, formas de adicionar este protocolo em um veículo e exibir aplicações realizadas correlacionadas ao tema.
A seção 2 ilustra informações bibliográficas sobre o C-V2X. Em seguida, a seção 3 elucida os cenários de aplicação do protocolo. A seção 4 por sua vez, exibe trabalhos já realizados que fazem o uso da tecnologia C-V2X, por fim, a seção 5 expõe as considerações sobre o tema em estudo.
Revisão bibliográfica
O C-V2X é baseado em padrões sem fio móveis, foi originalmente concebido para comunicações não críticas (latência superior a 0,1 segundo) em termos de tempo, aplicadas em infraestruturas celular implantada pelas operadoras de serviços móveis (SINHA, 2019).
Segundo Sinha (2019), o 4G já permite que os veículos ofereçam alta conectividade com alta taxa de dados usando conexão baseada em SIM; que pode ser usado para aplicativos de multimídia, internet e tráfego. Entretanto, desde que implementado o órgão de padronização celular Release-12/13/14, o Projeto de Parceria de 3ª Geração (3rd Generation Partnership Project – 3GPP) também introduziu funcionalidades adicionais do tipo comunicação dedicada de curto alcance (Dedicated Short Range Communication – DSRC) no LTE, com base nos padrões IEEE. Assim, aplicações em tempo crítico (latência inferior a 0,1 segundo), não necessitam da conexão de dados celulares.
O C-V2X usa o mesmo espectro de 5,9 GHz que a DSRC para comunicações no modo direto, dispositivo a dispositivo (D2D), e não necessita cartão SIM, assinatura móvel ou alguma infraestrutura de rede móvel (SINHA, 2019). O C-V2X também pode operar em bandas móveis tradicionais, como 1800 MHz e 2600 MHz utilizados no 4G, para se comunicar com a rede móvel (Vehicle to Node – V2N).
Sinha (2019) destaca que as mensagens de comunicação veículo a veículo (V2V) com C-V2X têm um alcance superior a 300 metros e podem detectar perigos ocultos pelo tráfego, terreno ou clima. A comunicação V2V amplia e aprimora os sistemas atualmente disponíveis para evitar acidentes que usam radares e câmeras para detectar ameaças de colisão. Essa nova tecnologia não apenas ajuda os motoristas a sobreviverem a um acidente, eles os ajudam a evitar o acidente completamente.
Conforme a Autotalks (2021), o C-V2X combina dois links de comunicação diferentes para adicionar conectividade segura para aplicações em tempo crítico no veículo, são eles:
· Link direto, usado para comunicação de V2V ou veículo a infraestrutura (V2I). Este link opera na banda não licenciada de 5,9 GHz, usando a interface PC5.
· Link de rede, usado para comunicação V2N, operando no espectro licenciado, usando a interface Uu.
Os dois links são fundamentalmente diferentes. O link direto é usado para comunicação de curto alcance, segurança e em tempo real, enquanto o link de rede atende à telemática e ao informações de entretenimento (Figura 1). No futuro, o 5G pode ser usado para condução teleoperada através da rede, mas isso exigiria um dispositivo de comunicação dedicado adicional, além das unidades de controle telemático (TCU) de hoje (AUTOTALKS, 2021).
CHEN et al. (2020) expõe que com a evolução de padrões e tecnologias, o LTE-V2X pode cobrir serviços eV2X (V2X aprimorado) e satisfazer os requisitos básicos de alguns pelotões de veículos e aplicativos de direção automática limitados. Além disso, o LTE-V2X será complementado por um novo rádio (New Radio – NR)-V2X para suportar aplicativos V2X com recursos técnicos da camada de rádio e arquitetura de rede aprimorados, oferecendo suporte a serviços mais avançados, especialmente quando os requisitos não podem ser suportados por LTE-V2X. Os autores afirmam que com o uso das comunicações ativas permite-se um horizonte de percepção aprimorado em vários casos de uso, o C-V2X pode compreender um sistema abrangente para apoiar várias aplicações e cenários V2X.
Cenários de aplicação
Os veículos que poderiam usar a tecnologia de comunicação V2V com protocolo C-V2X variam de carros e caminhões a ônibus e motocicletas. Bicicletas e pedestres podem um dia aproveitar a tecnologia de comunicação V2V para que os motoristas os visualizem melhor. Além disso, as informações do veículo transmitidas não identificam o condutor ou o veículo, e há controles técnicos disponíveis para impossibilitar o rastreamento e a violação do sistema.
Existem duas opções de como adicionar V2X aos veículos: unidade de controle eletrônico (Electronic Control Unit – ECU) dedicado, contendo apenas a funcionalidade V2X, ou TCU, que contém V2X, além de todos os outros links de comunicação (AUTOTALKS, 2021).
Autotalks (2021) afirma que alguns fabricantes originais de equipamentos (Original Equipment Manufacturer – OEMs) optam estrategicamente pela ECU V2X dedicada com base em alguns ou todos os argumentos abaixo:
· Posicionamento: o sistema V2X é mais econômico quando colocado próximo ao telhado, o que é possível com uma ECU dedicada, mas é mais desafiador para toda a unidade de telemática devido ao aumento da faixa de temperatura que precisa ser suportada neste local.
· Segurança: Colocar V2X em uma ECU dedicada garante maior segurança devido ao isolamento entre domínios de segurança e não-segurança, que geralmente é mais difícil de alcançar em TCUs.
· Flexibilidade: capacidade de introduzir V2X sem uma introdução “forçada” de um novo TCU.
Outros OEMs favorecem a integração do V2X no TCU, o que normalmente reduz o custo geral do V2X adicionado em comparação com o V2X ECU dedicado. Empresas como Autotalks e Qualcomm desenvolveram chips com suporte ao protocolo C-V2X, por exemplo: 9150 C-V2X ASIC da Qualcomm e CRATON2 EVK da Autotalks.
Aplicações correlatas
Lai e Chiueh (2018), apresentam um receptor com C-V2X em tempo real em uma plataforma de rádio definido por software (software-defined-radio – SDR), com uma linguagem computacional aberta (Open Computing Language – OpenCL), demonstrada por meio de uma plataforma de teste OTA (over-the-air). Os autores propuseram implementar técnicas de programação de unidades de processamento gráficas (Graphics Processing Unit – GPU) que aceleram significativamente o processamento da camada física do receptor C-V2X para atender uma comunicação ultraconfiável e de baixa latência (ultra-reliable Low-Latency Communications – URLLC) requisito do V2X.
Por meio dos resultados das simulações de Monte Carlo, Lai e Chiueh (2018) fornecem uma diretriz para adaptar blocos do receptor. Com a especificação do novo NR na quinta geração (5G), o receptor OTA proposto pode servir como base para o rápido desenvolvimento do protótipo NR C-V2X, com pequenas modificações.
Sadio, Ngom, Lishou (2020), visam aumentar a capacidade da comunicação direta C-V2X através da introdução do Wi-fi direto como uma segunda alternativa de conexão. Assim, uma rede definida por software (Software-defined networking – SDN) baseada em uma formação de grupo ponto a ponto (P2P) foi proposta através da ampliação do OpenFlow para gerenciar o plano de controle do Wi-fi direto. Com isso, é possível estabelecer a comunicação multi-hop, algo que não é possível na versão padrão do Wi-fi direto. A análise de desempenho da formação de grupo P2P foi feita através de simulações em um ambiente urbano.
Os resultados das simulações reveladas por Sadio, Ngom, Lishou (2020), indicam dois fatores principais que afetam o desempenho da rede do WiFi Direto. O primeiro é o intervalo de varredura que permite a redução das perdas de conexão. O segundo, é a introdução de estratégias de formação de grupo que permitem redução do número de reformas e transferências de grupo.
O artigo de Lekidis e Bouali (2021) apresenta um novo corte na estrutura da rede C-V2X para aplicações em pelotão. A estrutura proposta inclui uma biblioteca C-V2X de funções de rede virtual (Virtual Network Functions – VNFs), podendo ser utilizadas para personalizar fatias de rede que se estendem sobre toda a infraestrutura 5G. A implementação também inclui funções de computação de borda, afim de proporcionar latência e melhorias de desempenho tão boas quanto funções de monitoramento de segurança de rede para fornecer resiliência cibernética ao pelotão.
Os autores aplicaram uma metodologia ilustrativa de caso do uso de um pelotão de caminhões em um verdadeiro banco de ensaio 5G Standalone (SA), instalados em um campus automotivo. Um conjunto de experimentos foram conduzidos, além de monitorar o desempenho mais relevante indicador chave de performance (Key Performance Indicator – KPIs), incluindo a instanciação da fatia e tempo de terminação, confiabilidade de comunicação e latência de ponta a ponta. Os resultados demonstram que a metodologia proposta ajuda a atender aos requisitos URLLC, abrindo novos horizontes para a adoção de fatias de rede C-V2X em futuras aplicações em pelotão.
Considerações
O protocolo C-V2X pode ser implementado com ou sem infraestrutura, ele também oferece o dobro do alcance da comunicação, menor taxa de erro de pacote, controle superior de congestionamento em ambientes com mais veículos quando comparado ao DSRC. Além disso, espera-se que o sistema NR-V2X tenha design para suportar os requisitos rigorosos dos serviços V2X de latência inferior a 0,1 segundos, alta confiabilidade, sistema com alta capacidade, melhor cobertura e fácil extensão para implantação e desenvolvimento.
A grande preocupação das montadoras de veículos equipados com essas tecnologias é a questão da segurança que o protocolo pode oferecer. Uma delas é a garantia de que o condutor e os passageiros estão seguros para que ninguém consiga invadir o sistema do veículo, tendo a possibilidade de provocar acidentes.
Com a crescente evolução dos carros autônomos disponíveis para o mercado, a tendência é que a tecnologia V2X ganhe cada vez mais espaço e ocasionando diminuição no custo de implementação. Outrossim, governos deverão assegurar a cobertura da rede 5G próximas a rodovias e ruas para que estes sistemas funcionem.
Por fim, este artigo permite ao leitor entender de forma sucinta um dos novos conceitos trabalhados por gigantes da tecnologia, o C-V2X. Nele foi exibido funcionalidades, características, formas de adicionar o protocolo em um veículo, cenários de aplicação, além de apresentar trabalhos vinculados ao tema já realizados, com isso, é possível dar uma noção introdutória ao tema para os entusiastas da tecnologia em veículos automotores.
Referências
AUTOTALKS. C-V2X Implementation Considerations. Disponível em: <https://www.auto-talks.com/wp-content/uploads/2020/12/C-V2X-implementation-considerations-final.pdf>. Acesso em: 18 ago. 2021.
A. Lekidis and F. Bouali, “C-V2X network slicing framework for 5G-enabled vehicle platooning applications,” 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), 2021, pp. 1-7, doi: 10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448769.
M. Lai and T. Chiueh, “Implementation of a C-V2X Receiver on an Over-the-Air Software-Defined-Radio Platform with OpenCL,” 2018 New Generation of CAS (NGCAS), 2018, pp. 170-173, doi: 10.1109/NGCAS.2018.8572101.
N. Sinha, “Emerging Technology Trends in Vehicle-to-Everything Connectivity,” 2019 Wireless Telecommunications Symposium (WTS), 2019, pp. 1-12, doi: 10.1109/WTS.2019.8715535.
O. Sadio, I. Ngom and C. Lishou, “Controlling WiFi Direct Group Formation for Non-Critical Applications in C-V2X Network,” in IEEE Access, vol. 8, pp. 79947-79957, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2990671.
QUALCOMM. 9150 C-V2X ASIC. Disponível em: < https://www.qualcomm.com/products/qualcomm-9150-c-v2x-chipset>. Acesso em: 23 ago. 2021.
S. Chen, J. Hu, Y. Shi, L. Zhao and W. Li, “A Vision of C-V2X: Technologies, Field Testing, and Challenges With Chinese Development,” in IEEE Internet of Things Journal, vol. 7, no. 5, pp. 3872-3881, May 2020, doi: 10.1109/JIOT.2020.2974823.
Bernardo E. M. Ransan
Sou uma pessoa apaixonada por desafios e que busca estar em constante aprendizado profissional e pessoal. Engenheiro Eletrônico pela Universidade de Caxias do Sul (UCS), mestrando na área de dispositivos eletromagnéticos pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Vencedor do Programa Bolsas Íbero-Americanas 2017 – Santander Universidades, reconhecido com MÉRITO SENGE, além de gerenciar o subsistema de elétrica da Equipe BAJA SAE do UCS – CARVI. Sou Engenheiro Eletrônico na Premium Tecnologia, a qual desenvolve eletrônica embarcada para o setor agrícola e rodoviário.
Ricardo Becker
Profissional com mais de 15 anos de experiência no contexto de tecnologia trabalhando em diferentes frentes: liderança de times, gerenciamento de processos, produto e projetos, ensino, consultoria e auditoria. Tenho bom entendimento das técnicas de gerenciamento de projetos de TI, tendo também já trabalhado com o desenvolvimento e implantação de sistemas, além de ter especialização neste contexto. Atualmente Docente de Nível Superior em Cursos de Tecnologia e Bacharelado, além de Conselheiro e Pesquisador do Portotech - Instituto de Ciência e Tecnologia Aplicada.
