Cooperative Perception for Connected and Automated Vehicles using V2X Communications

Abstract

Los vehículos autónomos hacen uso de múltiples sensores para detectar su entorno. Los sensores utilizados (cámaras, radares o lidars) han mejorado significativamente su capacidad de detección en los últimos años. Sin embargo, sus capacidades aún están limitadas ante la presencia de obstáculos o condiciones climáticas adversas, entre otros factores. Una opción para mitigar estos retos es la percepción cooperativa o colectiva, la cual permite a los vehículos intercambiar información sobre los objetos detectados por sus sensores utilizando las comunicaciones V2X (Vehicle-to-Everything). De esta forma, los vehículos disponen de información no sólo de los objetos detectados por sus propios sensores sino también de los detectados por los sensores de los vehículos cercanos. De esta forma, la percepción cooperativa permite que los vehículos mejoren su rango de detección más allá de las capacidades de sus sensores locales. La percepción cooperativa también puede ayudar a mejorar la precisión y confianza en la detección de objetos, y ayuda a mitigar el impacto negativo de las condiciones climáticas o de visibilidad adversas. ETSI y SAE están definiendo actualmente nuevos estándares V2X para la percepción cooperativa. SAE aún no ha publicado su estándar, mientras que ETSI ha publicado un Informe Técnico sobre percepción colectiva que incluye aspectos importantes como el formato del Mensaje de Percepción Colectiva (CPM) y las reglas de generación de mensajes para decidir cuándo debe generarse un nuevo CPM y qué información debe incluir. ETSI está actualmente en proceso de finalizar un primer estándar sobre percepción colectiva, y asociaciones industriales como el CAR 2 CAR Communication Consortium (C2C-CC) y 5G Automotive Association (5GAA) han incluido la percepción cooperativa en sus hojas de ruta. Todos estos esfuerzos destacan el interés industrial y el potencial de las comunicaciones V2X para apoyar el desarrollo y despliegue de la percepción cooperativa en vehículos conectados y autónomos. A pesar de los avances realizados hasta la fecha, el concepto de percepción cooperativa es relativamente novedoso y se requiere un profundo estudio de su funcionamiento y rendimiento antes de considerar su despliegue comercial. La percepción cooperativa permite intercambiar de forma frecuente actualizaciones sobre los objetos detectados por los sensores con el fin de aumentar la precisión de la detección. Sin embargo, las actualizaciones frecuentes aumentan la carga en los canales de comunicación, y suponen un reto para la escalabilidad de la red de comunicaciones V2X y la efectividad de la percepción cooperativa. Además, pueden generar altos niveles de redundancia pues muchos vehículos cercanos pueden detectar un mismo objeto y reportarlo simultáneamente. Este reporte simultáneo puede, hasta cierto punto, mejorar la precisión en la detección. Sin embargo, un alto nivel de redundancia puede sobrecargar el canal de comunicaciones y afectar al funcionamiento y efectividad de la percepción cooperativa ante la imposibilidad de transmitir los mensajes críticos por la saturación del canal de comunicaciones. El desafío general en la percepción cooperativa ocurre principalmente cuando el mensaje de la percepción cooperativa no está bien organizado. Por ejemplo, podría ser muy ineficiente generar un mensaje de percepción cooperativa que contenga una pequeña cantidad de objetos detectados, lo que también podría aumentar la carga del canal de comunicaciones y podría afectar la percepción cooperativa. Esta tesis estudia y evalúa exhaustivamente el funcionamiento y rendimiento de la percepción cooperativa, y propone diferentes soluciones para mejorar su eficiencia y escalabilidad. Para ello, en primer lugar, la tesis realiza un estudio de dimensionado para comprender mejor el funcionamiento de la percepción cooperativa, e identificar las posibles ineficiencias existentes. Este estudio evalúa las reglas de generación de mensajes de percepción cooperativa propuestas en ETSI, y analiza en detalle el impacto de diferentes configuraciones de sensores, densidades de tráfico y tasas de penetración de la tecnología en el mercado. Esta tesis también investiga por primera vez el impacto del control de congestión en la percepción cooperativa. Este estudio es muy relevante ya que los protocolos de control de congestión pueden modificar la generación y transmisión de mensajes cuando el canal radio está congestionado, y por lo tanto alterar el funcionamiento de la percepción cooperativa. El estudio considera el sistema de control de congestión (DCC, control de congestión descentralizado) estandarizado por ETSI y que abarca varias capas de la pila de protocolos. El estudio realizado demuestra el impacto de la configuración DCC en el funcionamiento y efectividad de la percepción cooperativa. En base a los resultados del estudio de dimensionado, esta tesis proponen dos técnicas para mitigar las ineficiencias identificadas en el proceso de percepción cooperativa, la técnica Look-Ahead y una técnica de mitigación o control de redundancia. La técnica de mitigación de redundancia reduce la redundancia en la red de comunicaciones eliminando del mensaje de percepción cooperativa los objetos detectados que no han cambiado significativamente su posición, velocidad y rumbo desde la última vez que fueron recibidos como parte de un mensaje de percepción cooperativa enviado por otro vehículo cercano. La evaluación muestra que la técnica de control de redundancia propuesta reduce significativamente la redundancia y la carga del canal de comunicaciones, y mantiene la capacidad de percepción para distancias cortas y medias críticas para la seguridad. La técnica Look-Ahead reorganiza la transmisión de objetos en el mensaje de percepción cooperativa con el fin de reducir el overhead en las comunicaciones V2X. Para ello, la técnica incluye objetos en el mensaje de percepción cooperativa actual que predice se incluirían en el siguiente mensaje de percepción cooperativa. Esta reorganización busca reducir el número de mensajes de percepción cooperativa generados haciendo que cada mensaje incluya información sobre una mayor cantidad de objetos detectados. Los resultados del análisis muestran que Look-Ahead reduce el overhead y la carga del canal de comunicaciones V2X a la vez que mejora la percepción de los vehículos. Por último, la tesis propone métodos para combinar las técnicas propuestas (Look-Ahead y mitigación de redundancia) con el fin de mejorar aún más la efectividad de la percepción cooperativa y la escalabilidad del sistema. Este estudio considera la combinación de las dos técnicas con y sin control de congestión DCC, y muestra que las combinaciones propuestas reducen la carga del canal y mejoran la escalabilidad de los servicios de percepción cooperativa.

Automated vehicles make use of multiple sensors to detect their surroundings. The sensing technology has significantly improved over the last years. However, the capabilities of onboard sensors like cameras, radars, or lidars are still limited under the presence of obstacles or adverse weather conditions, among other factors. Cooperative perception (a.k.a. collective perception or cooperative sensing) has been proposed to help mitigate these challenges by exchanging sensor data among vehicles using V2X (Vehicle-to-Everything) communications. V2X communications allow vehicles to exchange information about detected objects, and hence improve their sensing range beyond the capabilities of their local sensors thanks to cooperative perception. Cooperative perception can also help improve the vehicles’ sensor detection accuracy and increase the confidence about the detected objects. It can also help mitigate the negative impact of adverse weather conditions or the negative effect of lighting conditions on the sensitivity. ETSI and SAE are currently defining new V2X standards for cooperative perception. SAE has not yet published its standard. On the other hand, ETSI has published a Technical Report on collective perception that includes important aspects such as the Collective Perception Message (CPM) format and the message generation rules to decide when a new CPM should be generated and what information it should include. ETSI is now finalizing the standardization of the Technical Specification on collective perception. Industrial associations such as the C2C-CC and the 5GAA have included cooperative perception in their roadmaps. All these efforts highlight the industrial interest and potential of V2X communications to support the development and deployment of cooperative perception in connected and automated vehicles. Despite the advances made to date, the concept of cooperative perception is relatively new and an in-depth study of its operation and performance is required before considering its commercial deployment. Cooperative perception allows frequent exchange of updates on the sensors detected objects to increase detection accuracy. However, the frequent updates increase the channel load on the communications channels, and pose a challenge for the scalability of the V2X communications network and the effectiveness of cooperative perception. In addition, they can generate high levels of object redundancy since many nearby vehicles can detect the same object and report it simultaneously. This simultaneous reporting of objects can improve detection accuracy to some extent. However, a high level of redundancy can overload the communications channel and affect the operation and effectiveness of the cooperative perception given the impossibility of transmitting critical messages due to the saturation of the communications channel. The general challenge in cooperative perception occurs mainly when the cooperative perception message is not well organized. It might be very inefficient to generate a cooperative perception message that contains a small number of detected objects, which could also increase the load on the communications channel and affect cooperative perception. This thesis extensively studies and evaluates the performance and operation of cooperative perception solutions and proposes different techniques to address the identified challenges, fulfilling the existing literature gaps. To this aim, the thesis presents first a dimensioning study to identify any inefficiencies in existing cooperative perception solutions and support the design of more advanced and scalable techniques. This dimensioning study evaluates the cooperative perception message generation rules proposed at ETSI and compares them with periodic generation policies to analyze its effectiveness and identify existing limitations. Then the impact of different sensor configurations, traffic densities and market penetration rates are analyzed in detail. The study also investigates the impact of congestion control on cooperative perception, since congestion control protocols can modify message generation and transmission when the radio channel is congested. ETSI has standardized a DCC (Decentralized Congestion Control) framework for V2X communications that spans over multiple layers of the protocol stack. To the author’s knowledge, this is the first study that evaluates the combination of the ETSI defined DCC Access and DCC Facilities on cooperative perception. The study demonstrates the importance of the DCC configuration for the operation of the V2X network and the effectiveness of cooperative perception. Based on the findings of the dimensioning study, different techniques are proposed in this thesis to mitigate the inefficiencies identified. This thesis mainly proposes two different techniques, namely the look-ahead technique and redundancy mitigation or control technique. The redundancy mitigation proposal is designed to reduce the redundancy in the network by filtering the detected objects reported in cooperative perception messages that have not significantly changed their position, speed, and heading since the last time they were received as part of a cooperative perception message from other vehicles. The evaluation shows that the proposed redundancy mitigation technique significantly reduces the redundancy and channel load without degrading the perception for safety-critical short and medium distances. The Look-Ahead proposal reorganizes the transmission of objects in the cooperative perception message. It includes objects in the current cooperative perception message that are predicted to be included in the following cooperative perception message. This reorganization results in vehicles transmitting fewer messages, and each message includes information about a higher number of detected objects. This approach reduces the communications overhead and the channel load, and improves the perception. Finally, the thesis proposes methods to combine the proposed techniques (Look-Ahead and redundancy mitigation) to further improve the effectiveness of cooperative perception and the system’s scalability. The different combinations are evaluated with and without DCC, and the conducted study shows that combining the two proposals can further reduce the channel load and improve the scalability of cooperative perception services without degrading the perception.