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Tecnologie per la mobilità autonoma, connessa e cooperativa: lo stato dell’arte

Meno incidenti e più sicurezza sulle strade, più condivisione dei veicoli e abbattimento dei costi dei trasporti. Sono alcuni dei vantaggi che si otterranno da una maggiore diffusione di veicoli autonomi, connessi ed elettrici. Vediamo le tecnologie che lo permetteranno, le sperimentazioni e i progetti in corso in Italia

06 Giu 2019

Stefano Arrigoni

Post-doc di Ingegneria Meccanica, Politecnico di Milano

Mattia Brambilla

Dottorando di Ricerca in Ingegneria dell'Informazione, Politecnico di Milano

Federico Cheli

Professore di I fascia di Meccanica Applicata alle Macchine, Politecnico di Milano

Monica Nicoli

Ricercatore Universitario e Professore Aggregato di Telecomunicazioni, Politecnico di Milano

Aerial view of Shanghai Highway at Night

Le sfide legate alla trasformazione dell’industria automobilistica, e più in generale la mobilità urbana sono molteplici e di non facile soluzione: sicurezza stradale, sostenibilità in termini di impatto sull’ambiente e costi, inquinamento, congestione del traffico, accessibilità per persone con handicap fisici, e così elencando.

Per rispondere a tali esigenze, le tendenze che stanno emergendo e che si prevede veicoleranno la rivoluzione dei trasporti dei prossimi anni sono la multimodalità (e condivisione dei veicoli), la guida autonoma, l’elettrificazione e la connettività (si veda fig.1). Tali strategie fanno parte di un’evoluzione in atto verso i cosiddetti sistemi di trasporto intelligente cooperativi (C-ITS).

Di seguito una panoramica sulle caratteristiche dei veicoli autonomi, sulla importanza della connettività e delle tecnologie di comunicazione V2X,  sui servizi abilitati dalle comunicazioni V2X e sullo stato di implementazione, i progetti e le sperimentazioni in corso in Italia e una indicazione dei possibili benefici  della maggiore diffusione di veicoli autonomi, connessi ed elettrici e di meccanismi di condivisione in termini di riduzione degli incidenti, sicurezza stradale e abbattimento dei costi di trasporto.

Figura 1: i principali trend secondo McKinsey & Company [1].

I sei livelli per i veicoli a guida autonoma

Quando si parla di veicoli autonomi è bene fare riferimento alla classificazione definita dalla SAE (Society of Automotive Engineers) [2], che identifica sei differenti livelli, dal livello 0 (automazione assente) al livello 5 (veicolo completamente autonomo), ed è applicabile ad ogni sistema di assistenza alla guida presente sul veicolo. È interessante notare come lo stato dell’arte dei sistemi di automazione disponibili ad oggi sul mercato raggiunga solamente il livello 2 di tale scala (alcuni prototipi di case automobilistiche sono vicine alla commercializzazione del livello 3 ma in attesa di approvazione secondo le normative vigenti nei differenti paesi).

Figura 2: classificazione dei livelli di automazione – SAE [2].

In fig. 2 sono brevemente illustrate le differenze tra i livelli di automazione più alti descrivendone per ognuno il ruolo del pilota e del veicolo stesso. Risulta evidente come uno scenario popolato di veicoli completamente autonomi sia ancora lontano dall’essere realizzabile, anche se l’evoluzione tecnologica e scientifica degli ultimi decenni lascia presagire che sia solo una questione di tempo.

Perché è importante la connettività e cosa si sta facendo

Un elemento fondamentale nel panorama di evoluzione verso la guida autonoma è rappresentato dalle tecnologie di comunicazione V2X. Sono sistemi concepiti per abilitare una comunicazione diretta “vehicle to everything” fra i veicoli, l’infrastruttura stradale e gli utenti della strada (pedoni, ciclisti, etc.), per la condivisione in tempo reale di informazioni relative alle condizioni stradali e al traffico. L’obiettivo è aumentare la consapevolezza di ciò che avviene nell’ambiente di guida, riducendo i tempi di rilevazione e reazione a eventi di potenziale rischio (come la presenza di un pedone sulla carreggiata) e migliorando il mutuo coordinamento delle manovre ai veicoli (come la sincronizzazione in convogli di veicoli a breve distanza l’uno dall’altro nel cosiddetto platooning).

Il ruolo della connettività diventa particolarmente rilevante al crescere del livello di automazione. Lo scambio di dati fra veicoli e infrastruttura è infatti indispensabile nei sistemi a guida completamente autonomi (livello 5) per garantire una mobilità sicura e al contempo efficiente. Per questo motivo le principali case automobilistiche, in partnership con le industrie delle telecomunicazioni, hanno accelerato negli ultimi anni la sperimentazione di sistemi di guida assistita avanzata (ADAS) che integrano al loro interno dispositivi di comunicazione V2X. Una forte spinta verso la diffusione di queste tecnologie è data dal consorzio 5G Automotive Association (5GAA) [3], che dal 2016 ha intrapreso un percorso di collaborazione fra aziende ICT e del settore automobilistico per promuovere l’integrazione delle tecnologie V2X cellulari nel processo di trasformazione verso un sistema connesso di trasporti.

Come illustrato in fig. 3, il veicolo autonomo sfrutta una massiccia sensoristica (GPS, unità inerziali, radar, lidar, videocamere, ultrasuoni) per monitorare l’area circostante e un computer di bordo per regolare la dinamica del moto sulla base delle informazioni acquisite. Senza cooperazione tuttavia la percezione è limitata dal raggio di copertura dei sensori (ad es., per i radar circa 250 m) e l’incertezza sulle traiettorie pianificate dagli altri veicoli obbliga a ridondare le distanze, limitando l’efficienza di manovra in scenari ad elevata densità di traffico.

La comunicazione diretta fra i veicoli (V2V) e con l’infrastruttura (V2I) estende tali capacità di percezione/controllo abilitando meccanismi cosiddetti “cooperativi”. Attraverso l’interazione V2V i veicoli possono fondere in tempo reale i dati dei sensori e costruire mappe ad elevata risoluzione dell’ambiente stradale, estendendo l’orizzonte di percezione ben oltre il proprio campo di visione e aumentando la sicurezza. Lo scambio V2V fra i sistemi di controllo consente inoltre di coordinare e sincronizzare le traiettorie, riducendo l’inter-distanza in sicurezza, con benefici in termini di fluidità ed efficienza del traffico.

Figura 3: le comunicazioni V2X abilitano sistemi cooperativi di percezione e controllo che aumentano la sicurezza e l’efficienza del traffico. Nell’esempio il veicolo blu usa la rete veicolare V2X per “vedere” attraverso i sensori dei veicoli che lo precedono e sincronizzarsi alle loro traiettorie, estendendo il campo di visione e riducendo le inter-distanze in sicurezza.

La guida autonoma cooperativa e il 5G

La guida autonoma cooperativa richiede in prospettiva lo sviluppo di nuove tecnologie V2X che supportino uno scambio di grandi volumi di dati (fino a 1 Gb/s), ultra-veloce (con latenza nell’ordine del ms) e continuo (con affidabilità 10-5), anche in condizioni fortemente dinamiche (fino a 250 km/h).

Le tecnologie dedicate V2X ad oggi disponibili operano a 5.9 GHz e sono pensate per la messa in esercizio di servizi C-ITS prevalentemente di guida assistita o parzialmente autonoma, attraverso la diffusione (broadcast) di messaggi di allerta sicurezza/traffico. Il primo sistema ad essere standardizzato in Europa, nel 2009, è ETSI ITS-G5 [4] basato su tecnologia WiFi IEEE 802.11p, come il predecessore americano IEEE WAVE [5]. Più di recente, nel 2016, è stata introdotta la tecnologia cellulare 3GPP C-V2X, con le Release 14 dello standard LTE (4G) [6].

Se la prima tecnologia (ETSI ITS-G5) è stata largamente testata negli ultimi dieci anni, rendendola quindi matura e pronta per la commercializzazione, la seconda (3GPP C-V2X) è stata rilasciata di recente e quindi è oggetto solo da qualche mese di test sul campo; molte delle analisi di prestazione ad oggi disponibili si basano su simulazioni. Entrambe le tecnologie offrono la possibilità di comunicazioni dirette V2V, V2I e V2P (veicolo-pedone) senza la necessità di un’infrastruttura di rete su cui appoggiarsi, pertanto sono in grado di supportare servizi di mobilità cooperativa anche in condizione ambientali sfavorevoli (per. es tunnel). Sono state progettate per supportare servizi base di sicurezza stradale, in accordo alle specifiche ETSI EN 302 637 [7], dove vengono definiti i messaggi CAM (cooperative awareness messages) e DENM (decentralized environmnental notification messages), i primi relativi allo di ciascun utente della strada, i secondi riportanti invece il verificarsi di eventi specifici e occasionali (per es. incidenti).

La scarsa disponibilità di banda sotto i 6 GHz limita tuttavia la capacità trasmissiva di questi sistemi, che nella banda di 10 MHz attualmente allocata per servizi base C-ITS arriva a 27 Mb/s per ETSI ITS-G5 e intono ai 100 Mb/s per il C-V2X 4G. La frequenza di aggiornamento massima è di 10 Hz e la latenza minima di 20-100 ms. Per supportare funzionalità C-ITS avanzate di percezione/controllo cooperativo sono necessarie tecnologie di nuova generazione, in quanto i sistemi a guida autonoma generano ad oggi un flusso aggregato di circa 10 Gbps e la latenza end-to-end richiesta per un controllo cooperativo stabile in veicoli a distanza ravvicinata è stimata intorno a 1-10 ms.

Per supportare tali sistemi avanzati sono in corso di sviluppo sistemi 5G per una connettività aumentata di tipo Tactile Internet, ovvero con affidabilità ultra-elevata, latenza ultra-bassa e alta capacità trasmissiva, chiamati ultra-reliable low-latency communications (URLLC). Con la Release 15 dello standard cellulare 3GPP [8], è in corso di definizione (termine ultimo previsto per giugno 2019) una nuova tecnologia V2X 5G che garantisce prestazioni superiori rispetto al 4G, riducendo ad esempio la latenza da 20 ms a 10 ms.

Sono inoltre iniziati i lavori per lo sviluppo della Release 16 (5G New Radio, NR) che porterà ad avere nel 2020 una connettività ad alta capacità, ultra veloce e ultra affidabile in grado di abilitare qualunque servizio avanzato di mobilità. Sarà per esempio possibile condividere in tempo reale dati video ad elevata risoluzione prodotti dai sistemi di imaging di bordo (camera, radar, lidar) per estendere il campo di visione, come in fig. 4; realizzare applicazioni di tipo see-through dove un veicolo oscurato da un camion che lo precede potrà ricevere informazioni visive ad alta qualità dalle telecamere installate sul camion stesso, guadagnando visibilità e avendo una maggior percezione dell’ambiente; realizzare sistemi di controllo cooperativo ultra-veloce per platooning ad elevata densità.

Figura 4: la cooperazione V2V estende la capacità di percezione agendo come una videocamera virtuale che combina immagini incomplete e sfuocate acquisite da più veicoli per estrarne una visione più ampia e ad elevata risoluzione dell’ambiente circostante.

Uso delle onde millimetriche in ambito veicolare

Aspetto chiave del 5G, per far fronte alla crescente richiesta di banda, è l’utilizzo di frequenze nello spettro delle onde millimetriche (30-300 GHz), attraverso sistemi con schiere di antenne co-locate (centinaia) e sofisticati algoritmi di beamforming che consentono di formare fasci fortemente direttivi, compensando l’elevata attenuazione che caratterizza queste frequenze (fig. 5). L’applicazione in ambito veicolare è particolarmente critica, perché richiede algoritmi avanzati di correzione dinamica del puntamento per massimizzare il guadagno di antenna anche in condizioni di forte mobilità.

Figura 5: esempio di comunicazioni direttive ad onde millimetriche in uno scenario di mobilità veicolare.

Un altro aspetto fondamentale è la geo-localizzazione, la cui accuratezza deve essere sempre più elevata al crescere del livello di autonomia, fino a garantire un errore al di sotto dei 10 cm per i servizi C-ITS più avanzati. I sistemi di localizzazione satellitare (GNSS), anche aumentati con correzioni differenziali, non riescono a garantire tale precisione in scenari complessi di propagazione come quelli urbani. La ricerca scientifica sta esplorando quindi meccanismi cooperativi che sfruttano la rete veicolare per la fusione di informazioni di posizione raccolte dai diversi veicoli e aumentare la precisione della localizzazione satellitare (GNSS augmentation).

Sistemi avanzati di intelligenza distribuita e mobile edge computing sono inoltre indispensabili per consentire ai veicoli di organizzarsi in reti cloud veicolari ed elaborare/fondere le informazioni più critiche localmente senza fare affidamento su cloud remoti che inevitabilmente aumentano la latenza. La prospettiva di lungo termine è quella dell’Internet dei Veicoli, dove veicoli interconnessi V2X agiscono come una rete distribuita di sensori/decisori/attuatori che cooperano per monitorare l’ambiente stradale e coordinare mutuamente le proprie traiettorie, in modo da garantire un traffico sicuro e il più possibile fluido in completa autonomia (col supporto di un’infrastruttura stradale intelligente).

I servizi abilitati dalle comunicazioni V2X e stato di implementazione

Una lista delle principali tipologie di servizio e dei relativi requisiti di comunicazione è presentata tabelle 1 e 2, facendo riferimento ai documenti ETSI [9,10]. La tabella 1 presenta alcune applicazioni C-ITS di base per servizi quali la sicurezza attiva e la gestione cooperativa del traffico. La tabella 2 presenta invece i casi di uso più evoluti per scenari di guida autonoma avanzata, dove l’uso di tecnologie 5G diventa fondamentale. Fra questi, citiamo il platooning ad elevata densità, i sistemi di guida avanzata dove il veicolo comunica i propri dati e/o le proprie intenzioni ad altri veicoli in prossimità, i sistemi extended sensors dove gli utenti della strada (veicoli, pedoni, stazioni radio a bordo strada) si scambiano enormi quantità di dati per aumentare la propria percezione dell’ambiente e i servizi di guida da remoto dove è possibile radiocomandare un veicolo da distanza.

Tabella 1: Basic Safety Services – ETSI [9]

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ClassApplicationUse CaseDescriptionLatency [ms]Update rate [Hz]Positioning [m]
Active road safetyDriving assistance: Co-operative Awareness (CA)Emergency Vehicle WarningEnables an active emergency vehicle to indicate its presence.10010N.A.
Intersection collision warningIn case of risk of collision, informs vehicles in the affected area to mitigate the risk.10010N.A.
Co-operative forward collision warningDetects a risk of forward collision to avoid accidents either through driver assistance or direct action on the car.100101
Lane Change ManoeuvreInforms a driver about vehicles in its blind spot region.100102
Driving assistance: Road Hazard Warning (RHW)Roadwork warningProvides information on current valid roadwork and associated constraints.1002N.A.
Vulnerable road user warningProvides warning to vehicles of the presence of vulnerable road users, e.g. pedestrian or cyclist, in case of a dangerous situation.1001N.A.
Traffic condition warningAllows any vehicle or roadside station to signal to other vehicles or infrastructure the current traffic condition at the sensor point.N.A.1N.A.
Stationary vehicle warningAllows an immobilized vehicle to signal its presence to other approaching vehicles.10010N.A.
Cooperative traffic efficiencyCo-operative Speed Management (CSM)Regulatory/contextual speed limits notificationInforms vehicles of any permanent and temporary speed limits currently in force.N.A.1-10N.A.
Traffic light optimal speed advisoryAllows a traffic light to broadcast timing data associated to its current state (e.g. time remaining before switching color phase).10025
Co-operative Navigation (CN)In-vehicle signageProvides vehicles with information on current valid traffic signs.5001N.A.
Public transport informationProvides access to local public transport information to improve or influence routing recommendations.N.A.N.A.N.A.

Tabella 2: enhanced V2X scenarios – ETSI [10].

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ScenarioDescriptionLatency [ms]Data Rate [Mbps]Reliability [%]
Vehicles PlatooningEnables the vehicles to dynamically form a group travelling together at short inter-vehicle distance. Platooning applications may allow the vehicles following to be autonomously driven.10-50050-6590-99.99
Advanced DrivingEnables semi-automated or fully-automated driving. Each vehicle and/or RSU shares data obtained from its local sensors as well as driving intention with vehicles in proximity, thus allowing vehicles to coordinate their trajectories or maneuvers.3-10010-5090-99.999
Extended SensorsEnables the exchange of raw or processed data gathered through local sensors of vehicles, RSUs and pedestrians. Vehicles enhance their perception of the environment – beyond what their own sensors can detect – and have a more holistic view of the local situation.3-10010-100090-99.999
Remote DrivingEnables a remote driver or a V2X application to operate a remote vehicle for those passengers who cannot drive themselves or a remote vehicle located in dangerous environments.5Uplink: 25 Downlink:199.999

Le sperimentazioni dei servizi

La sperimentazione dei servizi sopra citati è obiettivo di diversi progetti di ricerca e sviluppo, sia a livello nazionale che internazionale. Si sta seguendo un approccio incrementale, partendo dalla gestione di scenari relativamente semplici, fino ad arrivare a scenari più complessi di guida autonoma e cooperativa. Numerose sperimentazioni sono state effettuate per testare le comunicazioni V2X in servizi di segnalazione del sopraggiungere di veicoli, ciclisti o pedoni, così come nella ripetizione a bordo veicolo di segnali stradali. Incrementando la complessità, si passa a scenari dove diversi veicoli (anche di tipologia differente, cioè moto e autovetture) comunicano le proprie intenzioni nell’approcciarsi ad un incrocio, prevenendo quindi potenziali situazioni di collisione.

Anche il Politecnico di Milano lavora attivamente da diversi anni su tematiche affini. Citiamo nel seguito a scopo indicativo e non esaustivo alcune delle tematiche di ricerca attualmente in corso di sviluppo nell’ateneo milanese, frutto di collaborazioni industriali e di progetti nazionali ed europei.

I progetti in corso

La mobilità connessa e cooperativa è oggetto di alcuni degli scenari applicativi del progetto di sperimentazione delle tecnologie 5G nell’area metropolitana di Milano, promosso dal Ministero dello Sviluppo Economico e guidato da Vodafone in collaborazione con il Politecnico di Milano ed importanti realtà industriali italiane ed internazionali.

Nel progetto MIE, «Mobilità Intelligente Ecosostenibile», finanziato dal Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca con il bando Cluster Tecnologico Nazionale “Tecnologie per le Smart Communities” sono state sviluppati sistemi innovativi per il monitoraggio e la gestione della mobilità, incluse tecniche cooperative di geo-localizzazione e di elaborazione dei dati per analisi predittive.

Il progetto mm-CONVOY, iniziativa del Dipartimento di Ingegneria Gestionale e del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, sta esplorando tecnologie ad onde millimetriche per le comunicazioni V2X di futura generazione per supportare la guida autonoma cooperativa. Il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano e la Fondazione Politecnico di Milano hanno inoltre avviato una nuova iniziativa Joint Research Lab per la Mobilità Elettrica Connessa ed Autonoma Urbana per la realizzazione di un laboratorio cittadino per la sperimentazione e certificazione di veicoli autonomi e connessi.

Infine il progetto TEINVEIN POR FESR 2014/2020 – Innovazione e Competitività, nato grazie alla Regione Lombardia e al Fondo Europeo di Sviluppo Regionale, si pone come obiettivo la realizzazione di una piattaforma riconducibile ad un veicolo intelligente che funga da piattaforma di base per lo sviluppo di un veicolo completamente autonomo (in fig. 6 il veicolo prototipale in fase di realizzazione).

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Figura 6: veicolo prototipale del progetto TEINVEIN POR FESR 2014/2020 / innovazione e competititvità.

Come cambierà il sistema veicolo e il modo di vivere la mobilità

Fornire indicazioni sul futuro del veicolo e della mobilità in generale risulta estremamente difficile. Considerando le problematiche attuali e gli attuali trend già discussi nel paragrafo introduttivo, nel seguito si vuole fornire un’indicazione quanto più quantitativa possibile dei benefici della diffusione di veicoli autonomi, connessi ed elettrici. Logicamente tali prospettive dipendono fortemente dal livello di diffusione di tali tecnologie che, allo stato attuale, possiamo solo ipotizzare sulla base dei dati forniti dagli analisti.

Uno degli aspetti relativi alla guida autonoma riguarda la prospettiva di un enorme incremento della sicurezza stradale. Considerando quanto pubblicato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) nel 2015, le morti sulla strada risultano essere in media 1.25 milioni l’anno e, stando ai dati del 2018, risultano essere una delle prime dieci cause di morte al mondo (fig. 7).

Figura 7: dati sulle cause di morte nel mondo – WHO [11].

Se a questo leghiamo quanto emerso da uno studio effettuato dalla NHTSA (agenzia americana del traffico autostradale) su dati di incidenti stradali occorsi tra il 2005 e il 2007, secondo cui il 94 % degli incidenti fu causato da errati comportamenti umani, si evince quanto sia grande il potenziale numero di vite che verrebbero salvate da sistemi di guida autonoma.

Volendo considerare più ad ampio spettro i potenziali benefici della guida autonoma, connessa ed elettrica è possibile prendere ad esempio una ricerca pubblicata da Boston Consulting Group con il supporto dell’MIT nella quale differenti scenari futuristici caratterizzati dalla presenza di veicoli autonomi sono stati comparati alla situazione di traffico attuale presente nella città di di Boston (in fig. 8 sono riportati i risultati sintetici [12]). Tale studio consiste nel considerare mix di traffico tradizionale e di veicoli autonomi in diverse percentuali.

Figura 8: tratta da “Making autonomous vehicles a reality”- BCG [12].

Considerando uno scenario che contempla la sostituzione di veicoli tradizionali privati con veicoli autonomi e condivisi, come riportato in fig. 8, emergono una serie di vantaggi sintetizzati nel seguito:

  • una riduzione fino all’87% circa degli incidenti stradali;
  • la guida meno aggressiva (grazie a manovre più graduali) e l’utilizzo di veicoli elettrici ridurrà le emissioni di inquinanti (anche se in tale analisi non sono stati valutati gli effetti di un aumento della produzione di energia elettrica);
  • la presenza di veicoli autonomi ridurrà la necessità di avere parcheggi nelle immediate vicinanze e la diffusione di autovettore condivise ne ridurrà drasticamente il numero;
  • la maggiore efficienza nella guida (riduzione di incidenti) e la diffusione della mobilità condivisa diminuiranno le code; la maggior convenienza economica aumenterà tuttavia il numero di persone che ricorreranno a questo tipo di mobilità limitandone i vantaggi per via del numero maggiore di persone circolanti sulla strada (accesso alla mobilità a persone incapaci di guidare);
  • la diffusione di servizi di mobilità condivisa porterà ad un progressivo abbattimento dei costi di trasporto rendendo non conveniente il possesso di un mezzo privato;
  • grazie alla riduzione dei tempi di viaggio e alla mancata necessità di porre attenzione alla guida, il tempo di viaggio potrà essere impiegato in maniera più produttiva.

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BIBLIOGRAFIA

[1] McKinsey & Company, “Automotive Revolution – Perspective Towards 2030”, Gennaio 2016.

[2] SAE J3016, “Taxonomy and Definitions for Terms Related to On-Road Motor Vehicle Automated Driving Systems”.

[3] 5GAA, “Telecommunications and Automotive Players Form Global Cross-Industry 5G Automotive Association”, Settembre 2016.
[4] ETSI EN 302 663 – ITS-G5 Access Layer Specification for Intelligent Transport Systems Operating in the 5 GHz Frequency Band.

[5] “IEEE 1609 – Family of Standards for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)”U.S. Department of Transportation.

[6] 3GPP TR 21.914 – Release 14 Description.

[7] ETSI EN 302 637 – Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 2: Specification of Cooperative Awareness Basic Service / Part 3: Specifications of Decentralized Environmental Notification Basic Service.

[8] 3GPP TR 21.915 – Release 15 Description.

[9] ETSI TR 102 638 Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Definitions.

[10] ETSI TS 122 186 – 5G; Service Requirements for Enhanced V2X Scenarios.

[11] World Health Organization, “Global Health Estimates 2016: Deaths by Cause, Age, Sex, by Country and by Region, 2000-2016”, Maggio 2018

[12] The Boston Consulting Group, “Making Autonomous Vehicles a Reality”, Ottobre 2017.

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