Evaluation and Synthesis of Connected Vehicle Communication Technologies (2021)

Below is the uncorrected machine-read text of this chapter, intended to provide our own search engines and external engines with highly rich, chapter-representative searchable text of each book. Because it is UNCORRECTED material, please consider the following text as a useful but insufficient proxy for the authoritative book pages.

Page 1  NCHRP Project 23‐10, “Evaluation and Synthesis of Connected Vehicle  Communications Technologies”  Summary  This report contains a compilation of several white papers and other deliverables submitted under  NCHRP Project 23‐10, “Evaluation and Synthesis of Connected Vehicle Communication Technologies.”   The project recognizes that Connected Vehicle (CV) technologies enable all types of vehicles, roadways,  and mobile devices to communicate and share vital transportation information. The mediums that  enable this communication are collectively known as vehicle‐to‐everything (V2X).    Infrastructure owners and operators (IOOs) are critical stakeholders in ensuring that CV technologies are  safely and reliably integrated into transportation operations.  The timing of the project coincided with a  need to help explain the impacts of the Federal Communication Commission (FCC)’s efforts to reduce  the amount of spectrum in the 5.9 GHz band dedicated to “operations related to the improvement of  traffic flow, traffic safety and other intelligent transportation service applications,” realized today  through CV applications.  Overview of Deliverables  In Phase 1 of the project, the NCHRP 23‐10 team produced three key deliverables:  1. A two‐page summary published in February 2020, that provides an overview of the FCC Notice of Proposed Rulemaking (NPRM) to change the alignment of the spectrum. This document outlined the process for the proposed rulemaking and potential impacts to state departments of transportation (DOTs). 2. A comprehensive white paper was then published in March 2020.  This document presented a high‐level look back at the history of the spectrum and regulatory uncertainty that culminated in the NPRM to reallocate a majority portion of the 5.9 GHz spectrum for other non‐transportation purposes. This white paper also provided additional technical information on the enabling transportation mediums as well as an analysis of potential barriers. 3. This first white paper was supported by an addendum in June 2020. This addendum summarized additional developments that occurred after the publication of the first white paper, including submissions received by the FCC during the reply comment period for the NPRM. In Phase 2 of the project, the team produced another set of deliverables:  1. A second two‐page summary that was published in December 2020, highlighting the FCC’s approval of a First Report & Order and Further Notice of Proposed Rulemaking. 2. A second comprehensive white paper that summarized the broad implementation considerations for IOOs as they plan to adjust to changes in the 5.9 GHz spectrum outlined in the FCC’s further actions. Published in March 2021, this paper included an overview of general industry impacts, guidance on specific implications for IOOs and their future planning and

Page 2  operational activities, and a framework for moving forward despite the ongoing regulatory and  technological uncertainty.  3. A set of presentation slides and a recorded narration, that provides a high‐level summary of the 5.9 GHz proposed rulemaking and summary of implications to IOOs.  This presentation intends to give an overview of the regulatory and technical environment to support the policy needs of state DOT executives with varying levels of engagement and awareness of V2X. 4. An addendum to the second white paper was published in June 2021, that provided a real‐world case study on the impacts of the FCC’s now published ruling.  Using an existing DSRC deployment, the authors provide technical detail on the steps and cost necessary to convert to a C‐V2X deployment. As shown in Figure 1 below, there is a relationship in timing between the FCC actions for the proposed  spectrum allocation and the different deliverables this project produced.  Summary of Impacts and Next Steps for IOOs  Several key impacts and potential responses include:    Existing DSRC deployments will begin planning a migratory path to Channel 180 and eventually C‐V2X.  Agencies with roadside units (RSUs) that are currently operating on any portion of the lower 45 MHz can meet with their device vendors and understand what firmware (and possibly hardware) updates will be necessary to migrate to Ch 180.  Every vendor and device will likely have a different path toward this change.  Deployments will likely require additional time and budget. Additional time and resources will be required for any kind of device or channel changeover.  There are many unknowns as devices exist in various configurations around the country, and all were designed to operate on seven channels, not one. Proposed Reallocation • Nov 2019: FCC Approves NPRM for Reallocation • Feb 2020: FCC Publishes NPRM • Mar 2020: Comment Window Closes  • April 2020: Reply Comment Window Closes  Outcome from Proposed Reallocation • Nov 2020: FCC Approves R&O and FNPRM • May 2021: FCC Publishes R&O and FNPRM Project Phase 1 • Feb 2020: Fact Sheet  • Mar 2020: White Paper #1  • June 2020: Addendum to White Paper #1 Project Phase 2 • Dec 2020: Fact Sheet  • Mar 2021: White Paper #2  • June 2021: Presentation Summary • June 2021: Addendum to White Paper #2 FCC Actions and Timeline NCHRP 23‐10 Deliverables and Timeline Figure1 ‐ FCC Actions and NCHRP 23‐10 Deliverables 

Page 3   Agencies with RSUs that are currently operating DSRC only on Ch 180 will potentially have 2‐3 years under the current FCC timeline, but can also begin charting a course to switch over to currently available long term evolution (LTE) C‐V2X sooner.  However, device vendors may opt to scale‐back support for DSRC devices sooner than desired, which may have the unintended consequence of accelerating FCC timelines.  Planned V2X deployments that decide to keep moving forward can emphasize no‐regret investments. There are many benefits to continued deployment of V2X communications.  If your agency is already in the procurement process, you can implement dual‐mode RSUs or LTE C‐V2X only. It is recognized that not every agency can change mid‐procurement and stopping a project might jeopardize other elements that could bring benefits.  Continuing to emphasize no‐regret elements will increase the return on investment ‐ such as next generation signal controllers, enhanced communications and network architecture, data collection, security ‐ so that potential benefits can still be garnered through pilot testing and early deployment regardless of radio technology.  Impact on applications may vary.  For DSRC‐focused deployments, discuss with your project partners what applications might be compromised given the many unknowns that currently exist with migrating to a single‐channel configuration.  Likewise, for LTE C‐V2X‐focused deployments, discuss any concerns related to application interference from unlicensed devices. Over the next year or two we will learn a lot about channel congestion and interference that will likely impact application development and performance.  LTE C‐V2X device availability, licensing, and testing is evolving.  LTE C‐V2X devices are still in their infancy and with limited availability.  The standards are still unfolding, and deployment experience has been small scale.  Likewise, the licensing process remains uncertain (experimental licenses are assumed as of this writing), as is the availability of reliable and affordable test equipment. The industry will benefit from its experience with DSRC but it will take time for best practices to emerge, and new issues to be worked out at scale.  DSRC was still experiencing lessons learned for deployment after 5‐7 years.  Track and respond to the FNPRM and other docket activities. There will be a comment and reply comment period following the official publication of the FNPRM (which took place in May 2021). This is an opportunity for existing deployers to communicate the cost of migrating to Ch 180 and/or moving away from DSRC, impacts of the reduction in spectrum to current and planned applications, and potential loss or change in benefits realized by the agency and the users of your system. Additional Research Needed  There are several areas that remain high priority for the future of V2X technology.  All of these will need  to be addressed before the industry can successfully move forward with widespread adoption:  Interference ‐ Neither DSRC nor C‐V2X have been subjected to any significant at‐scale testing in a single  channel operational environment.   For that matter, given that the rules proposed by the FCC are still  evolving, CV vendors and researchers must guess what future rules will be, and as identified in White 

Page 4  Paper #1 developed under NCHRP 23‐10, rely on past tests that have shown potential issues with out‐of‐ band interference.    While additional research will be necessary to immediately determine the impacts of interference on  both DSRC and LTE C‐V2X, a higher‐level review of applications that might remain possible under this  reduced scenario will also present an opportunity.  How many message sets can be exchanged in limited  channel arrangements?  What tolerance to interference might these messages have, and will this  potentially eliminate broad safety‐related applications from consideration (noting that targeted safety  applications might still be feasible on a smaller scale)?  Future Spectrum Needs ‐ Key stakeholders have submitted statements to the FCC stating that 30 MHz is  not sufficient to support the full set of needs of the V2X ecosystem, not just in the future, but  immediately.   Assuming that the limited spectrum is dedicated to safety, and where possible, the  operational needs, there will be no spectrum remaining to support complementary efficiency  applications that are a foundation for agencies making the investment, and no specifically identified  spectrum to handle over‐the‐air messages used for safety, certificate management, credential  revocation, firmware updates, and possibly event capture ‐ all of which are critical to the success of V2X.   DSRC was designed with seven channels available to address this specifically.  The C‐V2X proponents had  expected to eventually take control of the middle 40 MHz for use by the next generation or New Radio  C‐V2X (C‐V2X NR) to support similar control or over‐the‐air needs.  In either case, the 30 MHz remaining  only allows for a portion of the vison to be realized, and additional research is needed to further  quantify what will be excluded ‐ and options for satisfying those needs.   End‐to‐End Security ‐ While so much has been focused on the over‐the‐air element of the technology,  an often overlooked and costly component requiring significant additional research is the securing of the  agency network upon which most of the data will flow.  This is critical to protect the agency from  security breaches and is also critical to ensure that all data provided to vehicles from the infrastructure  is legitimate.  It is not sufficient to implement digital certificates on the OTA part of this transaction  alone.  Rather, secure data handling, starting with its origin, whether that is a signal controller, a traffic  management center or other, must be in place.    Testing and Application Development ‐ The potential changes initiated by the FCC action could result in  a “reset of expectations” in terms of V2X capabilities.  Existing pilot deployments are only now making  plans to evaluate a single channel DSRC approach.  There are a small handful of LTE C‐V2X pilots here in  the US, but many are still in their early stages and we have little to no results to build awareness of  future capabilities.  Even the USDOT‐funded Smart Columbus CV pilot deployment, which will provide a  realistic evaluation of a single channel paradigm, is only now just getting ready to launch.    The body of knowledge in a reduced‐spectrum environment does not yet exist, and to date has only  been theorized on paper. In order to be robust, the efforts would consider the ability for either DSRC or  LTE C‐V2X to exchange multiple message sets in a single channel model, including side‐by‐side and  concurrent with adjacent Wi‐Fi operating, and predicated on applications that were originally developed  in a multi‐channel architecture and will need to be re‐engineered. 

Page 5  Further Notice of Proposed Rulemaking   As suggested above, IOO response and input to the FNPRM will play a role in the future of V2X.  The  FNPRM will address several issues not covered in the First Report & Order (R&O).  Specifically, they are  seeking comments and feedback on:  1. the transition of all ITS operations to C‐V2X‐based technology; 2. the codification of C‐V2X technical parameters in the Commission’s rules; 3. other transition considerations; and 4. the transmitter power and emission limits, and other issues, related to full‐power outdoor unlicensed operations across the entire 5.850‐5.895 GHz portion of the 5.9 GHz band. At the writing of this report, the comment period is opening and the process is continuing forward.  The  eventual outcome from this process will be a Second R&O that presumably establishes additional rules  on how C‐V2X will occupy the upper 30 MHz of the spectrum.  The Second R&O will also address specific  technical parameters will define not only that portion of the band ‐ but how unlicensed devices can  specifically use the lower 45 MHz in such a manner to not interfere with operations of connected  vehicles.  Connected vehicle applications made possible by this dedicated radio frequency band can—and will—be  a difference‐maker in future transportation systems.  The National Highway Traffic Safety  Administration (NHTSA) has publicly stated that V2X communications “will provide drivers with the tools  they need to anticipate potential crashes and significantly reduce the number of lives lost each year.”1    How the industry reacts to the FNPRM, what licensing changes could occur, and what role the new US  DOT administration will take remains uncertain at the time of this writing.  However, given the  understanding that IOO projects require time and resources to plan and execute, and any FCC actions  won’t be immediate, efforts to pilot or deploy safety‐related applications can be pursued today.  Engagement is cited as a best practice by those agencies currently involved in pilot or deployment  efforts, and staying up‐to‐date on the FCC’s actions is recognized as another.  1 https://www.nhtsa.gov/technology‐innovation/vehicle‐vehicle‐communication