5G enabled connected and automated mobility (CAM) in cross-border conditions: challenges, performance assessment and way forward

Abstract

The work presented in this study investigates the deployment and operational challenges of 5G-enabled Connected and Automated Mobility (CAM) in cross-border conditions. Through a series of comprehensive measurements and analyses, this study evaluates the performance of various 5G network configurations and CAM application settings specifically in the context of 5G Non-Standalone (NSA) architecture, to understand their impact on the CAM user experienced performance across borders. The study begins by outlining the current state of CAM technologies, highlighting the benefits of 5G for CAM, and performs an extensive analysis of the barriers to the adoption and deployment of CAM services across national borders, including issues related to network interoperability, edge node placement, On Board Unit (OBU) and CAM application configuration, data privacy, and the fragmentation of regulatory frameworks across EU member states. A comprehensive analysis of stakeholders' perspectives is presented, revealing that key factors for successful CAM deployment include seamless network coverage, robust cybersecurity measures, and the harmonization of technical standards. Furthermore, the study emphasizes the importance of cross-border cooperation among national governments, telecommunications providers, and automotive manufacturers to ensure the continuity of CAM services as vehicles move between different jurisdictions. A state-of-the art cross-border 5G corridor is set-up between the borders of Greece and Turkey, and extensive measurement campaigns are performed to identify the optimum solutions to mitigate the cross-border challenges and to optimize CAM performance across borders, Level 4 using autonomous tracks and 5G NSA networks. The research presents a detailed examination of key network parameters, including end-to-end (E2E) latency, handover interruption times, and the effects of different roaming and interconnection strategies on service continuity, as well as thorough investigation of the effect of different OBU and application configurations on the observed performance. The findings indicate that the Home Routing (HR) with Direct interconnection configuration offers the most reliable performance for CAM services, with E2E latency consistently meeting the stringent requirements of less than 100 ms. In contrast, the Local Breakout (LBO) strategy, while beneficial in reducing latency under ideal conditions, exhibits significant drawbacks during inter-Public Land Mobile Network (PLMN) handovers, leading to unacceptable service interruptions. Furthermore, the study highlights the critical role of edge computing in reducing latency, where placing applications closer to the network edge substantially improves response times, making it a preferred solution for latency-sensitive CAM applications. The dissertation also identifies the challenges posed by inter-PLMN handovers, particularly in maintaining the Quality of Service (QoS) for high-priority CAM applications during cross-border transitions. In conclusion, the work presented in this study offers some of the first globally available insights regarding cross-border CAM performance with 5G-NSA networks, based on real-life network and application measurements, showcasing the performance limits of 5G-NSA networks for cross-border CAM and pointing towards the proper networks settings and application configurations to optimize performance. The study also provides a roadmap for the future development of CAM in Europe, emphasizing the need for continued investment in 5G infrastructure (evolution towards 5G-SA networks), greater cross-border regulatory alignment, and proactive preparation for the integration of B5G and 6G technologies. By addressing these areas, the EU can accelerate the deployment of CAM, thereby contributing to safer, more efficient, and environmentally friendly transportation systems.

Η έρευνα που παρουσιάζεται διερευνά τις προκλήσεις ανάπτυξης και λειτουργίας της Συνδεδεμένης και Αυτοματοποιημένης Κινητικότητας (Connected and Automated Mobility - CAM) μέσω δικτύων 5G σε διασυνοριακές συνθήκες. Μέσω μιας σειράς εκτεταμένων μετρήσεων και αναλύσεων, αυτή η μελέτη αξιολογεί την απόδοση των υπηρεσιών CAM σε διασυνοριακές συνθήκες υπό διαφορετικές διαμορφώσεις δικτύου 5G και ρυθμίσεων της εφαρμογής CAM για 5G Non-Standalone (NSA) δίκτυα, ώστε να κατανοήσει τον αντίκτυπό τους στη διασυνοριακή απόδοση που βιώνει ένα αυτόνομο όχημα. Η μελέτη ξεκινά με την περιγραφή της τρέχουσας κατάστασης των τεχνολογιών CAM, τονίζοντας τα οφέλη του 5G για το CAM και πραγματοποιεί μια εκτενή ανάλυση των εμποδίων στην υιοθέτηση και ανάπτυξη υπηρεσιών CAM πέρα από τα εθνικά σύνορα, συμπεριλαμβανομένων ζητημάτων που σχετίζονται με τη διαλειτουργικότητα του δικτύου, την τοποθέτηση edge nodes , τη διαμόρφωση των CAM εφαρμογών, το απόρρητο των δεδομένων και τον κατακερματισμό των ρυθμιστικών πλαισίων στα κράτη μέλη της ΕΕ.Παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη ανάλυση των απαιτήσεων της Ευρωπαϊκής βιομηχανίας, αποκαλύπτοντας ότι οι βασικοί παράγοντες για την επιτυχή ανάπτυξη CAM περιλαμβάνουν την απρόσκοπτη κάλυψη δικτύου, τα ισχυρά μέτρα κυβερνο-ασφάλειας και την εναρμόνιση των τεχνικών προτύπων. Επιπλέον, η μελέτη τονίζει τη σημασία της διασυνοριακής συνεργασίας μεταξύ των εθνικών κυβερνήσεων, των παρόχων τηλεπικοινωνιών και των κατασκευαστών αυτόνομων οχημάτων. Στα πλαίσια της μελέτης δημιουργήθηκε ένας υπερσύγχρονος διασυνοριακός διάδρομος 5G μεταξύ των συνόρων Ελλάδας και Τουρκίας όπου πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μετρήσεις για τον εντοπισμό των βέλτιστων λύσεων για τον μετριασμό των διασυνοριακών προκλήσεων και τη βελτιστοποίηση της διασυνοριακής απόδοσης των εφαρμογών CAM. Η έρευνα παρουσιάζει μια λεπτομερή ανάλυση των βασικών παραμέτρων δικτύου, συμπεριλαμβανομένης της καθυστέρησης από άκρο σε άκρο (E2E), των χρόνων διακοπής υπηρεσίας και των επιπτώσεων διαφορετικών στρατηγικών περιαγωγής και διασύνδεσης, στην παρατηρούμενη απόδοση. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι το Home Routing (HR) με άμεση διασύνδεση των γειτονικών δικτύων προσφέρει την πιο αξιόπιστη απόδοση για υπηρεσίες CAM, με την καθυστέρηση E2E να ικανοποιεί σταθερά τις αυστηρές απαιτήσεις κάτω των 100 ms. Αντίθετα, η στρατηγική Local Breakout (LBO), αν και είναι ωφέλιμη για τη μείωση της καθυστέρησης δικτύου υπό ιδανικές συνθήκες, παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα ως προς την παροχή αδιάκοπης σύνδεσης. Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης τον κρίσιμο ρόλο του edge computing στην σημαντική βελτίωση των χρόνων απόκρισης, καθιστώντας το μια προτιμώμενη λύση για εφαρμογές CAM. Συμπερασματικά, η συγκεκριμένη διατριβή προσφέρει μερικά από τα πρώτα παγκοσμίως διαθέσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη διασυνοριακή απόδοση εφαρμογών CAM μέσω δικτύων 5G-Non-Standalone (5G-NSA), βασισμένα σε πραγματικές μετρήσεις δικτύου και εφαρμογών, εξερευνώντας τα όρια απόδοσης των εφαρμογών CAM μέσω δικτύων 5G-NSA σε διασυνοριακές συνθήκες, ενώ προσδιορίζει και τις κατάλληλες ρυθμίσεις δικτύων και διαμορφώσεις εφαρμογών για βελτιστοποίηση της απόδοσης. Η μελέτη παρέχει επίσης έναν οδικό χάρτη για τη μελλοντική ανάπτυξη του CAM στην Ευρώπη, τονίζοντας την ανάγκη για συνεχείς επενδύσεις σε υποδομές 5G (εξέλιξη προς δίκτυα 5G-SA), μεγαλύτερη διασυνοριακή ρυθμιστική ευθυγράμμιση και προληπτική προετοιμασία για την ενοποίηση των μελλοντικών δικτύων B5G και 6G. Αντιμετωπίζοντας αυτούς τους τομείς, η ΕΕ μπορεί να επιταχύνει την ανάπτυξη του CAM, συμβάλλοντας έτσι σε ασφαλέστερα, αποτελεσματικότερα και φιλικά προς το περιβάλλον συστήματα μεταφορών.