Descripción general y comparación de las tecnologías V2X

Resumen

V2X es el nombre común para todos los tipos de comunicaciones entre vehículos. Considere y compare las especificaciones disponibles, los modelos matemáticos, vea qué soluciones comerciales existen en esta área y cómo comprarlas en Rusia. Comencemos con una breve revisión de los estándares V2X terminados y emergentes (IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, 3GPP LTE-V2X, 3GPP 5G NR-V2X e incluso un poco de 3GPP 6G NR-V2X). La segunda parte es una traducción de la comparación de la confiabilidad de los modelos matemáticos IEEE 802.11bd y 3GPP 5G NR-V2X. La tercera parte es una descripción general de productos comerciales para V2X, procesadores y OBU.

Introduccion

Glosario

V2X: comunicaciones de vehículo a todo
C-V2X - V2X celular
DSRC - Comunicaciones dedicadas de corto alcance. Este es V2X basado en WIFI
LOS - línea de visión - línea de visión
NLOS - sin línea de visión - fuera de línea de visión
ITS - Sistemas inteligentes de transporte
Midamble: utilizado en redes de computadoras para separar el mensaje del encabezado de los datos, puede ser un carácter o una palabra

Casos de uso

Evaluaremos las tecnologías V2X para escenarios de seguridad activa y conducción autónoma, lo que hace que el tiempo de respuesta corto en cualquier condición ambiental sea el criterio de calidad principal.

Los escenarios principales:

• LOS en un camino rural
• LOS en la autopista
• LOS en la ciudad
• en condiciones de tráfico pesado en la intersección de la ciudad
• NLOS en la autopista
• NLOS en la ciudad
• Pago de peaje sin contacto
• Reglamento de encrucijada

Motivación

Soy ingeniero con 10 años de experiencia en TI. De estos, 3 (hasta 2019), estaba probando en una startup automotriz. Mi borrador de trabajo no estaba relacionado con V2X. El interés en el tema surgió después de Automotive Testing Expo 2019, en el que descubrí el mercado de dispositivos y aplicaciones V2X. Según las estimaciones de Bloomberg, para 2022 este mercado tendrá un valor de 1.200 millones de dólares.

Parte 1. Descripción general de la letra de las especificaciones V2X

DSRC

Los productos existentes de DSRC (comunicaciones dedicadas de corto alcance) están diseñados utilizando el estándar IEEE 802.11p.

Este es el primer estándar V2X lanzado en 2010 y se basa en la WLAN IEEE 802.11a. La edición 802.11p, en comparación con 802.11a, introduce cambios en los niveles OSI PHY y MAC para mejorar el rendimiento de la WLAN clásica para comunicar vehículos de movimiento rápido (hasta 250 km / h). La próxima versión de IEEE 802.11bd WLAN, basada en IEEE 802.11ac WLAN y compatible con versiones anteriores de 802.11p, se encuentra en una etapa temprana. Está previsto mejorar el trabajo en un entorno con una alta densidad de fuentes de señal, aumentar el rendimiento a más de 1 Gb / s, la capacidad de trabajar con señales débiles con una potencia de 3 dB para aumentar el rango, soporte para el posicionamiento, aumentar la velocidad máxima relativa a 500 km / h

C-v2x

LTE-V2X es la implementación actual de las especificaciones para el C-V2X. El 5G NR-V2X se encuentra en una etapa temprana.

El desarrollo de lanzamientos de tecnología celular está coordinado por 3GPP, el Proyecto de Asociación de 3ra Generación, para asegurar, siempre que sea posible, la compatibilidad directa y hacia atrás de las versiones de los estándares celulares entre sí. La compatibilidad con versiones anteriores de los estándares celulares incluso se revisa legalmente de acuerdo con la directiva de estandarización de la Comisión Europea M / 453 y opcionalmente su Directiva 2010/40 / UE. 5G NR-V2X y LTE-V2X no son compatibles con versiones anteriores. Al desarrollar la nueva versión, se consideró que LTE-V2X no tiene un nivel de penetración suficiente para admitir la compatibilidad con versiones anteriores. La versión 8 de 3GPP, conocida como LTE, se lanzó el 3 de diciembre de 2009 y tardó unos 3 años en desarrollarse. 3GPP versión 10 LTE-Advanced se lanzó en 2011, 3GPP versión 14 LTE-V2X - en 2014. La generación 5G comienza con 3GPP versión 15. En el cronograma de lanzamiento de 3GPP hay proyectos que se dividen en 3+ fases que coinciden casi por completo con los lanzamientos, Las fases se dividen en 3+ etapas. En cada caso, una fase / liberación con un índice intermedio de 1, 2, 2+ es una especificación. El índice 3 significa la implementación de estándares a nivel físico. Los lanzamientos se desarrollan parcialmente en paralelo: el desarrollo del siguiente comienza antes del lanzamiento del anterior. En algunos casos, se puede agregar la etapa 4, que se relaciona con las especificaciones de prueba. Por lo tanto, de acuerdo con la hoja de ruta 3GPP , el proyecto 5G aún se encuentra en una etapa muy temprana. Está previsto completar el desarrollo de la versión 16 solo para marzo de 2020. Según la experiencia de las versiones 3G y 4G, se puede suponer que es realista esperar una versión 5G-NR lista para su lanzamiento que incluirá la versión 17 de 3GPP, que sucederá a fines de 2021.
En la etapa de I + D y desarrollo de especificaciones, el llamado estándar 6G está en paralelo, y planean implementarlo en 2030. Si 6G tampoco es compatible con versiones anteriores de 5G NR-V2X como 5G NR-V2X con LTE-V2X, entonces las organizaciones interesadas en introducir nuevas tecnologías C-V2X probablemente ignorarán 5G NR-V2X para esperar el lanzamiento de 6G y trabajar de inmediato con el

Las diferencias

La principal diferencia entre DSRC y C-V2X desde el punto de vista del uso comercial es que DSRC en producción es estable, probado, evoluciona y evoluciona de manera predecible, pero C-V2X no lo es. Los OEM y los desarrolladores de hardware pueden planificar a largo plazo con la tecnología DSRC. Al mismo tiempo, el DSRC no supera al C-V2X en especificaciones técnicas, y es inferior en algunos componentes. El problema con LTE-V2X es que no se han pasado todas las pruebas necesarias para la implementación a gran escala, como las pruebas transfronterizas y las pruebas de operadores cruzados. Además, en las versiones 3GPP a partir de 16, no se garantiza la compatibilidad con LTE-V2X. Por lo tanto, la comparación de LTE-V2X e IEEE 802.11p no es relevante en relación con el cese del desarrollo del soporte para el primero.

Características comparativas:



Las especificaciones 6G son muy optimistas y es más probable que anuncien exageraciones.

Parte 2. Resultados de las pruebas comparativas de confiabilidad de NR-V2X e IEEE 802.11bd de la Universidad Técnica de Dresde en 2019 [TRADUCCIÓN DEL INGLÉS]

Nota del traductor

La traducción no es estrictamente textual. Las repeticiones automáticas se eliminaron cuando fue posible y la gramática se simplificó cuando fue apropiado. Gracias por los comentarios constructivos.

Los autores

Waqar Anwar, Andreas Trasl, Norman Franchi y Gerhard Fettweis, presidente de Vodafone, Cátedra de Sistemas de Comunicaciones Móviles, Universidad Técnica de Dresde, Alemania

Anotación

Las comunicaciones ultra confiables le permiten implementar escenarios complejos que cubren la conducción autónoma y las aplicaciones críticas para la seguridad. Las tecnologías modernas de comunicación automotriz como IEEE 802.11p y LTE-V2V no cumplen con los requisitos de confiabilidad para estos escenarios. La próxima generación de estas tecnologías se está desarrollando, capaz de cumplir con estos requisitos. Este artículo analiza la confiabilidad estimada de las tecnologías IEEE 802.bd y NR-V2X. Aunque el estándar para la capa física aún no está disponible, utilizamos los parámetros disponibles para nuestro estudio. Utilizamos simulaciones basadas en Monte Carlo para analizar el rendimiento de la capa física de estas tecnologías en varios escenarios V2V. Uno de los principales desafíos para la comunicación ultra confiable es el cambio High Doppler en escenarios V2V. Se ha demostrado que NR-V2X supera a IEEE 802.11bd en confiabilidad debido a un mejor procesamiento de cambio Doppler. En IEEE 802.11bd, un desplazamiento Doppler alto provoca errores de paquetes incluso con una relación señal / ruido SNR alta. Por lo tanto, se discuten y discuten varias medidas para mejorar el rendimiento de IEEE 802.11bd cuando se expone a un efecto Doppler alto.

Los términos clave son IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, LTE-V2X, NR-V2X, comunicación ultra confiable.

Introduccion

La introducción trata sobre lo siguiente: en presencia de radares, lidares, todo tipo de cámaras, también necesitamos dispositivos V2X para condiciones de visibilidad limitada (obstáculos, condiciones climáticas, terreno), operación a larga distancia y escenarios de conducción autónomos.

El primer estándar IEEE 802.11p V2X se introdujo en 2010 y se basó en el estándar de LAN inalámbrica IEEE 802.11a. La revisión del estándar 802.11p introdujo los niveles PHY y MAC destinados a mejorar el rendimiento de WLAN para automóviles. Una alternativa a IEEE 802.11p es el estándar LTE-V2X celular V2X basado en LTE, introducido por 3GPP en 2016. Ambas tecnologías son adecuadas para escenarios de usuario básicos, como notificaciones de obras viales, advertencia de frenado de emergencia, datos de semáforos, notificaciones de vehículos especiales. IEEE y 3GPP están trabajando en la próxima generación de tecnología V2X con soporte para escenarios más complejos. Se espera que el próximo estándar celular V2X, basado en la quinta generación de sistemas de comunicaciones móviles 5G, se complete en junio de 2019 como parte de la Versión 16, con la designación de letra 5G NR, donde NR significa Nueva Radio. De ahí el nombre NR-V2X.

Un grupo de trabajo llamado "IEEE 802.11 próxima generación V2X (NGV)" está trabajando en la creación del estándar IEEE 802.11bd, el sucesor de 802.11p.

La comparación y las pruebas, incluido el campo, 802.11p y LTE-V2X, es el tema de muchas publicaciones [1] - [5]. Recientemente, se publicó una comparación de rendimiento en términos del rendimiento, la latencia y la confiabilidad esperados de las tecnologías NGV 802.11bd y NR-V2X [6] (los mismos autores que este documento). Escenarios como el control de crucero adaptativo cooperativo o las aplicaciones críticas para la seguridad tienen altas demandas sobre los retrasos en el cambio de marcha y la confiabilidad de los sistemas de comunicación. Lograr la fiabilidad de la comunicación es particularmente difícil en los automóviles debido a la naturaleza rápidamente cambiante del entorno del canal de comunicación inalámbrico, lo que conduce a la rápida obsolescencia de los datos de estimación del canal. Además del alto cambio Doppler en los escenarios V2X, el cuello de botella se convierte en interferencia entre operadores (ICI). Dado que el cambio Doppler es significativamente diferente en diferentes escenarios, por ejemplo, el escenario de línea de visión intraurbana (LOS) es diferente del escenario LOS en la ruta, se requiere una verificación separada del trabajo en estos escenarios.

En este trabajo, verificamos el nivel de PHY de las tecnologías V2X desarrolladas 802.11bd y NR-V2X para la relación de errores a paquetes transmitidos (tasa de error de paquete - PER). PER a menudo se usa para medir la confiabilidad del receptor. Tenga en cuenta que la confiabilidad es importante porque en la mayoría de los casos la retransmisión no se puede usar debido a los estrictos requisitos de demora. Este trabajo demostró que las altas compensaciones Doppler pueden conducir a errores de paquetes con una alta relación señal / ruido (SNR) de 802.11bd. Esto se debe a una clasificación de canal desactualizada junto con un desvanecimiento profundo.

Para mejorar la estimación del canal, use palabras de sincronización o midambles
para evitar el efecto de saturación. Está demostrado que los medios deben usarse periódicamente en proporción a la velocidad del vehículo. Para mejorar aún más 802.11bd en áreas de baja SNR, sugerimos usar características definidas en IEEE 802.11ax, como el preámbulo de rango extendido y la modulación de portadora dual DCM. Finalmente, el rendimiento de 802.11bd después de todas estas mejoras ha sido evaluado y comparado con el rendimiento del NR-V2X.

Resumen de tecnología

En esta sección, puede encontrar una discusión y una comparación de las mejoras más probables para los futuros estándares 802.11bd y NR-V2X con sus predecesores.

IEEE 802.11bd

IEEE 802.11p se introdujo en 2010 como una revisión del estándar 802.11. Desde entonces, varios tipos de implementaciones de capa PHY para sistemas WLAN están disponibles y deben adaptarse para V2X. Se puede esperar que el próximo estándar 802.11bd se base en tecnologías WLAN existentes como IEEE 802.11ac y use las configuraciones PHY disponibles.

En las últimas revisiones 802.11, el ancho de banda de nivel PHY se ha incrementado debido a un mayor orden de modulación y esquemas de codificación (MCS - Esquema de codificación de modulación), más configuraciones de banda ancha (más ancho de banda) usando agregación de portadora y el método de transferencia de datos de múltiples entradas múltiples salidas (MIMO) . Se introdujo el método de verificación de paridad de baja densidad, que es más eficiente para altas cargas útiles, aumentando la velocidad y la confiabilidad. La fiabilidad se mejoró más tarde mediante la codificación de bloque de espacio-tiempo (STBC) o DCM. STBC es una configuración de antena de diversidad que permite dos ramas de diversidad en el lado del transmisor, donde DCM es diversidad de frecuencia, use dos ramas de diversidad. Numerosos intervalos de tiempo de prefijos cíclicos (CP) le permiten implementar un escenario de elección específico para evitar la interferencia entre símbolos (ISI), lo que hace que los estándares 802.11 sean más adecuados para un entorno al aire libre. El uso de midambles permite estimaciones de canal menos frecuentes usando midambles, y le permite hacer frente mejor a los cambios Doppler altos.

También está disponible una configuración de rango extendido, que acelera la sincronización y la estimación del canal, repite campos específicos de señales de preámbulo para aumentar el rango y la confiabilidad.

De acuerdo con el informe de autorización del proyecto 802.11bd, se consideran los siguientes parámetros PHY:
Esquema de modulación del operador: OFDM
Espaciado de subportadora: 156.25 kHz y 178.125 kHz.
Duraciones de CP: 1.6ms, 3.2ms
Codificación de canal: LDPC
Tarifa más baja: MCS9 (⅚ 256-QAM)
Velocidad objetivo = 250 km / h
Método de recuperación Doppler: midambles de alta densidad



La derivación de valores numéricos de la tabla se muestra en un trabajo anterior de los mismos autores.

NR-V2X

El primer estándar V2X celular LTE-V2X fue completado por 3GPP en 2016 en la versión 14. Se esperan cambios significativos con el próximo estándar 5G NR, que define los nuevos escenarios y requisitos de V2X. Se planea completar la versión final de las especificaciones para fines de 2019 en la versión 16. Según los posibles ajustes de la capa física, suponemos que el NR-V2X se centrará en el enlace ascendente NR (UL). Como las especificaciones NR-UL ya están disponibles, puede diseñar un marco para simular el NR-V2X.

La mejora principal en la capa física de NR UL en comparación con LTE es que DFT-spread-OFDM y OFDM pueden usarse ambos métodos para la transmisión de datos. OFDM mejora la eficiencia de rendimiento para operaciones de banda ancha con menor complejidad de implementación y, por lo tanto, es más adecuado para aplicaciones donde se requiere un alto rendimiento. En el caso de dispositivos de bajo presupuesto donde se requiere una alta eficiencia energética, DFT-s-OFDM es la mejor opción debido a su bajo PARP (relación de potencia pico a promedio). Otra mejora introducida en NR son las numerologías escalables OFDM, que le permiten elegir entre diferentes espacios de subportadora de 15 kHz a 480 kHz. Junto con esta numerología, la duración de la ranura está en el rango de 1 ms - 0.031 ms. A diferencia de LTE, el intervalo de tiempo mínimo de transmisión (TTI) en NR es igual a la duración de un intervalo (duración de un intervalo). Además de la comunicación de baja latencia, se proporciona una opción de mini ranura para la transmisión de datos utilizando solo 2, 4 o 7 símbolos OFDM sin límites de ranura. La numerología escalable junto con las duraciones variables (PC) en NR proporcionan los requisitos para las aplicaciones y la adaptabilidad a un entorno específico.
NR también proporciona varias opciones de señalización de referencia de desmodulación (DMRS) para una mejor recuperación de canales para canales selectivos de frecuencia y tiempo. Dado que la codificación de canales tiene un impacto significativo en la confiabilidad y el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas, se han aplicado técnicas de codificación más efectivas y confiables (adoptadas originalmente), por ejemplo, los códigos turbo LTE han sido reemplazados por códigos LDPC para canales de datos y códigos convolucionales LTE reemplazado por una verificación de redundancia cíclica (CRC) complementada por códigos polares para el monitoreo de canales. Además, NR tiene la capacidad de utilizar el espectro de ondas milimétricas con frecuencias superiores a 24 GHz también con frecuencias inferiores a 6 GHz. El ancho máximo del canal disponible para el usuario en NR es de 100 MHz para frecuencias inferiores a 6 GHz y 400 MHz para la transmisión de datos en el espectro milimétrico, que es mucho mayor que el ancho del canal de 20 MHz disponible para LTE. Un ancho de canal mayor permite velocidades de datos pico más altas o una mayor densidad de transmisión en NR. Todas las características anteriores hacen que NR sea más confiable, el ancho de banda del canal más eficiente y flexible.

Escenarios V2V y modelos de canales

Un conjunto de modelos de canales V2V presentados por el equipo de evaluación de rendimiento y pruebas DSRC de comunicaciones de corto alcance dedicadas 802.11. Los modelos de canal se derivaron de tres campañas de medición realizadas por varias organizaciones para cinco escenarios comunes de V2V, como se muestra en la figura 1. Estos modelos de canal fueron utilizados por el equipo de investigación 802.11bd para evaluar el rendimiento y son la referencia base ) para futuras mejoras. El perfil de retardo RMS medido y el Doppler de estos modelos de canal generalmente se muestran en la Tabla 2

Los en el pueblo

Este modelo implementa la comunicación entre dos vehículos en un espacio abierto. Fuera de la ciudad, las comunicaciones LOS generalmente ocurren en ausencia de otros automóviles, grandes cercas y edificios. Por lo tanto, el perfil de retardo obtenido demuestra la fuerte influencia de los componentes LOS en varios componentes débiles multitrayectoria y un desplazamiento Doppler máximo de 490 Hz.

LOS se acerca a vehículos en la ciudad

Debido a los edificios y la alta densidad de las máquinas, se observan fuertes reflejos y desvanecimientos por múltiples caminos. De las mediciones se puede ver que los componentes reflejados de alta potencia tienen una fuerte influencia en la señal, en contraste con el escenario LOS fuera de la ciudad.

NLOS City Crossroads

Considere la comunicación entre dos autos que se aproximan en una intersección de la ciudad con visibilidad limitada en una corriente en movimiento. Habrá edificios y cercas en las esquinas de la intersección, lo que dará lugar a reflexiones y muchos componentes de múltiples caminos. Debido a la ausencia de un componente LOS dominante y las pequeñas diferencias en el poder de los componentes reflejados, uno puede esperar una fuerte atenuación de múltiples pasos.

Autopista LOS

Este escenario simula la comunicación entre dos máquinas que se siguen en un enlace troncal de varios carriles. A pesar de la alta densidad de tráfico, señales, colinas, pasos elevados, la comunicación LOS todavía es posible, ya que no hay obstáculos físicos entre las máquinas de comunicación. En comparación con otros escenarios, se puede esperar un mayor cambio de Doppler debido a la alta velocidad relativa entre las máquinas que se aproximan.

Autopista NLOS

Este escenario es similar al escenario LOS, excepto que el camión bloquea la visibilidad entre las máquinas de comunicación. Se pueden producir fuertes degradaciones y cambios en la calidad del compuesto, debido a que, debido a la alta velocidad de flujo, no hay objetos fuertemente reflectantes durante un largo período de tiempo. Este es el escenario más difícil entre todos los anteriores, ya que estamos lidiando con la comunicación NLOS, la atenuación de múltiples pasos y la atenuación rápida debido al alto cambio Doppler.

Calificación de desempeño

Los cálculos teóricos que se muestran en la Tabla 1 se pueden usar para comparar tecnologías dentro de las velocidades de datos disponibles y los retrasos. Estos valores solo se pueden lograr si se entregan todos los paquetes, lo cual es imposible en el mundo físico. Por lo tanto, en esta sección, el rendimiento de ambas tecnologías se evalúa en términos de PER para los modelos de canal V2V descritos anteriormente. PER se define como la relación entre los errores de transmisión y el número total de paquetes transmitidos. Esta es una métrica genérica utilizada para evaluar el rendimiento y la fiabilidad del destinatario. Queremos saber qué tecnología funciona de manera más confiable en diferentes condiciones. La fiabilidad también es crítica porque la transferencia de datos no es compatible con la mayoría de las aplicaciones de baja latencia. A pesar de esto,NR describe la capacidad de enviar una solicitud de repetición automática híbrida (HARQ) para mejorar la confiabilidad. No consideramos esta posibilidad en este documento debido al requisito de baja latencia.

Para comparar el rendimiento de estas tecnologías, se realizó una implementación completa de la funcionalidad PHY del nivel de estas tecnologías en MATLAB. Con el fin de simular la atenuación rápida y los efectos multitrayecto además del ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN), los modelos anteriores se construyeron utilizando la distribución de Rician. En NR-V2X DMRS, el mapeo tipo A con 3 símbolos de referencia adicionales se usa con una longitud máxima de = 1. Usando este esquema, se usan 24 símbolos DMRS dentro del intervalo de tiempo (en cada símbolo OFDM de 3 m mientras se encuentra en la subportadora alternativa en frecuencia). Debido a la alta densidad del DMRS, es posible una mejor estimación del canal. Otros parámetros relevantes utilizados en la simulación se muestran en la Tabla 3.



A modo de comparación, se utilizaron dos combinaciones de modulación y velocidad de codificación. Comparamos la opción MCS más baja disponible (MCS0) en ambos estándares (por ejemplo, QPSK con una tasa de codificación de 0.12 en NR-V2X y ½ BPSK en 802.11bd), que también determina el rango de la tecnología. Para una comparación justa, también los comparamos para ½ 16QAM que se aplica a MCS13 en NR-V2X y MCS3 en 802.11bd. Limitamos nuestro análisis a solo los dos MCS que son más relevantes para lograr una conectividad ultra confiable. Para verificar el cumplimiento de los requisitos de ultra confiabilidad, es necesario medir PER <10 ^ -5, lo cual es difícil de hacer en la simulación por un tiempo limitado. Por lo tanto, nuestras estimaciones están limitadas a PER = 10 ^ -3. Sin embargo, para PERs más bajos, el rendimiento puede predecirse extendiendo los gráficos obtenidos.

Comparación PER con el MCS más bajo

En la Figura 2 (a), puede ver el gráfico PER para el MCS más bajo (MCS0) para ambas tecnologías y los modelos de canal V2X descritos anteriormente. Dado que NR V2X y 802.11bd definen diferentes combinaciones de modulación de velocidad de codificación, la velocidad de datos máxima diferirá de la que se muestra en la Tabla 1.

Se puede observar que el NR-V2X se comporta igualmente bien en todos los modelos de canales V2V y su PER tiene un ligero efecto con varios perfiles de retardo y cambios Doppler. Para 802.11bd, los cambios PER dependen en gran medida del tipo de canal. El NR-V2X tiene una ventaja de 9dB sobre 802.11bd si compara el PER similar en el escenario con LOS suburbano y aproximadamente 10dB en el caso del escenario con tráfico urbano que se aproxima. En todos los demás escenarios, el PER para 802.11bd se obtiene tan pronto como la estimación del canal queda desactualizada durante la transmisión del paquete. (en el transcurso del paquete). Esta saturación ocurre cuando la relación entre la duración del paquete y el tiempo de coherencia es mayor o igual a 1. Si la duración del paquete es mayor que el tiempo de coherencia del canal,la estimación del canal ya no es válida para los caracteres al final del paquete. El efecto de esta estimación de canal obsoleta depende de la profundidad de atenuación actual. Si no se produce un desvanecimiento profundo, se puede observar una pequeña desviación absoluta de la estimación del canal de su valor de referencia. En combinación con una atenuación profunda, esta desviación absoluta conduce a un gran error relativo, que luego causa errores de transmisión de paquetes. Para mejorar el rendimiento en canales de ritmo rápido, puede usar midambles, que se analizan a continuación. Se pueden utilizar otras técnicas para reducir la probabilidad de atenuación profunda, como la diversificación.Si no se produce un desvanecimiento profundo, se puede observar una pequeña desviación absoluta de la estimación del canal de su valor de referencia. En combinación con una atenuación profunda, esta desviación absoluta conduce a un gran error relativo, que luego causa errores de transmisión de paquetes. Para mejorar el rendimiento en canales de ritmo rápido, puede usar midambles, que se analizan a continuación. Se pueden utilizar otras técnicas para reducir la probabilidad de atenuación profunda, como la diversificación.Si no se produce un desvanecimiento profundo, se puede observar una pequeña desviación absoluta de la estimación del canal de su valor de referencia. En combinación con una atenuación profunda, esta desviación absoluta conduce a un gran error relativo, que luego causa errores de transmisión de paquetes. Para mejorar el rendimiento en canales de ritmo rápido, puede usar midambles, que se analizan a continuación. Se pueden utilizar otras técnicas para reducir la probabilidad de atenuación profunda, como la diversificación.Para mejorar el rendimiento en canales de ritmo rápido, puede usar midambles, que se analizan a continuación. Se pueden utilizar otras técnicas para reducir la probabilidad de atenuación profunda, como la diversificación.Para mejorar el rendimiento en canales de ritmo rápido, puede usar midambles, que se analizan a continuación. Se pueden utilizar otras técnicas para reducir la probabilidad de atenuación profunda, como la diversificación.

A diferencia de 802.11bd, los DMRS están integrados en los datos de estimación de canal en el NR-V2X en el lado del receptor. Además, el NR-V2X proporciona varias configuraciones de DMRS, dependiendo del tiempo y la frecuencia de la selección del canal, lo que conduce a una mejor estimación del canal. Otra razón para el excelente rendimiento del NR-V2X es su tasa de codificación más baja en comparación con 802.11bd - 0.12 <0.5. Por lo tanto, cuando se usa MCS0, el NR-V2X puede lograr un mayor rango y confiabilidad en comparación con 802.11bd.

PER comparación con ½ 16QAM

En aras de una comparación objetiva de tecnologías, aquí se utilizan tasas de codificación y modulación iguales. La Figura 2 (b) muestra el PER logrado por las tecnologías con ½ 16QAM en diferentes modelos de canales V2X. Aunque la diferencia entre NR-V2X y 802.11bd se reduce significativamente en comparación con MCS0, el NR-V2X tiene una ventaja del orden de 3dB en comparación con 802.11bd para escenarios de LOS suburbanos, LOS de carreteras e intersección de la ciudad NLOS. La ventaja en el caso de un escenario de un modelo de canal LOS urbano que se aproxima es de solo 1 dB, y cuando se utiliza el modelo de autopista NLOS, el PER para 802.11bd se satura debido a la mala estimación del canal, como se mostró anteriormente. El rendimiento de 802.11bd con ½ 16QAM es mucho mejor en comparación con MCS0 para los modelos de canal troncal LOS, troncal NLOS y NLOS city junction.La razón de las mejoras es una reducción de 4 veces en la duración del paquete, ya que la velocidad máxima de transferencia de datos es 4 veces mayor cuando se utiliza ½ 16QAM en comparación con MCS0 (½ BPSK). Las longitudes reducidas de paquetes conducen a un rendimiento mejorado para las estimaciones de canal basadas en preámbulos de canales 802.11bd, ya que se reduce la relación entre la duración del paquete y el tiempo de coherencia. Si esta relación es << 1, no se producirá saturación. (no se producirá saturación). Para un escenario NLOS en una autopista, esta relación es mayor que 1, ya que el 50% del tiempo de coordinación (a menudo considerado aproximadamente como 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, que es menor que la duración de los paquetes = 236ms.dado que la velocidad máxima de transferencia de datos es 4 veces mayor cuando se utiliza ½ 16QAM en comparación con MCS0 (½ BPSK). Las longitudes reducidas de paquetes conducen a un rendimiento mejorado para las estimaciones de canal basadas en preámbulos de canales 802.11bd, ya que se reduce la relación entre la duración del paquete y el tiempo de coherencia. Si esta relación es << 1, no se producirá saturación. (no se producirá saturación). Para un escenario NLOS en una autopista, esta relación es mayor que 1, ya que el 50% del tiempo de coordinación (a menudo considerado aproximadamente como 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, que es menor que la duración de los paquetes = 236ms.dado que la velocidad máxima de transferencia de datos es 4 veces mayor cuando se utiliza ½ 16QAM en comparación con MCS0 (½ BPSK). Las longitudes reducidas de paquetes conducen a un rendimiento mejorado para las estimaciones de canal basadas en preámbulos de canales 802.11bd, ya que se reduce la relación entre la duración del paquete y el tiempo de coherencia. Si esta relación es << 1, no se producirá saturación. (no se producirá saturación). Para un escenario NLOS en una autopista, esta relación es mayor que 1, ya que el 50% del tiempo de coordinación (a menudo considerado aproximadamente como 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, que es menor que la duración de los paquetes = 236ms.a medida que se reduce la relación entre la duración del paquete y el tiempo de coherencia. Si esta relación es << 1, no se producirá saturación. (no se producirá saturación). Para un escenario NLOS en una autopista, esta relación es mayor que 1, ya que el 50% del tiempo de coordinación (a menudo considerado aproximadamente como 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, que es menor que la duración de los paquetes = 236ms.a medida que se reduce la relación entre la duración del paquete y el tiempo de coherencia. Si esta relación es << 1, no se producirá saturación. (no se producirá saturación). Para un escenario NLOS en una autopista, esta relación es mayor que 1, ya que el 50% del tiempo de coordinación (a menudo considerado aproximadamente como 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, que es menor que la duración de los paquetes = 236ms.

La razón del mayor rendimiento de NR-V2X con la misma combinación de parámetros ambientales y velocidad de codificación es nuevamente la mejor estimación del canal y el uso de DFT-s-OFDM. DFT-s-OFDM proporciona mejores PER en comparación con OFDM para el desvanecimiento selectivo de frecuencia, ya que los símbolos de datos se distribuyen por todo el ancho del canal.

Estimación de canal para cambios Doppler variables

Vimos anteriormente que el rendimiento de 802.11bd está fuertemente influenciado por el cambio Doppler y con las estimaciones de canales basadas en preámbulos. Por lo tanto, para mejorar el rendimiento, puede considerar el uso de midámbulo, donde el símbolo de estimación de canal (conocido como midámbulo) se repite dentro de los datos para obtener la estimación de canal actual, como se muestra en la Figura 4. La frecuencia de midámbulos debe adaptarse según la velocidad relativa de los vehículos. Los midambles de baja frecuencia conducirán a errores de estimación de canal, y los midambles de alta frecuencia aumentarán la duración de los paquetes (inversamente con la velocidad de datos). Para evaluar la tecnología bajo la influencia de un cambio Doppler cambiante, elegimos el escenario con la autopista NLOS, que es el peor de los casos.El perfil del canal Doppler se escala para tres cambios Doppler máximos iguales a 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz. Para 802.11bd, suponga dos conjuntos de configuraciones: un conjunto sin midambles, el segundo con midambles adaptativos.

Frecuencia de midambles = 10, 5 y 3 símbolos OFDM para 250, 500 y 1000 Hz, respectivamente. Con estos parámetros, la frecuencia de los midambles es aproximadamente el 90% del tiempo de conectividad para los tres turnos Doppler.

La Figura 3 (a) muestra el PER para MCS0 para diferentes desplazamientos Doppler. Se puede ver que el NR-V2X es muy confiable bajo la influencia de los cambios Doppler debido a la alta densidad de DMRS utilizada para la estimación del canal y la muy baja tasa de codificación. Aunque las altas compensaciones Doppler también causan ICI (interferencia entre portadoras), para SNR más lentos los valores de ruido son más dominantes que ICI, por lo tanto, no importa en este caso. Como se mostró anteriormente, el rendimiento de 802.11bd se degrada con el aumento de las compensaciones Doppler debido a estimaciones de canales desactualizadas. El uso de midambles adaptativos mejora en gran medida el rendimiento de 802.11bd y ayuda a superar el nivel mínimo de errores de estimación de canal, dado que la frecuencia de midambles es significativamente mayor que el tiempo de conectividad del canal. Aunque la adición de midambles elimina la saturación de PER a 802.11bd, todavía hay una diferencia de 10dB en comparación con el NR-V2X.

Una comparación similar se presenta en la Figura 3 (b) para el caso con ½ 16QAM. Nuevamente, de los resultados presentados se deduce que la alta confiabilidad de 802.11bd solo es posible cuando se usan midambles. Incluso con tasas de modulación de codificación equivalentes, el NR-V2X tiene más de 1 dB de ventaja para todas las compensaciones Doppler. Se puede ver que ICI se está volviendo cada vez más visible a altas SNR. Por lo tanto, la diferencia en PER entre tecnologías aumenta para diferentes valores de compensaciones Doppler con SNR creciente.

Efectos DCM y opción de rango extendido

En la subsección anterior, mostramos que agregar midambles puede mejorar significativamente el rendimiento de 802.11bd. Todavía necesita al menos una SNR de 10dB para lograr un PER de 10 ^ -3, mientras que un NR-V2X puede lograr el mismo objetivo con una SNR de menos de 0dB. En el futuro, para mejorar el rendimiento de 802.11bd en áreas de baja SNR y lograr el objetivo de aumentar el rango 2 veces en comparación con 802.11p, puede adaptar el modo de rango aumentado y DCM de 802.11ax. Usando el modo de extensión de rango, el campo de señalización se repite dos veces y la potencia de ciertos campos de preámbulo aumenta considerablemente, lo que mejora la sensibilidad del receptor en 3 dB. En DCM, los datos se duplican en la mitad inferior y superior de las subportadoras disponibles para mejorar la diversificación de frecuencia y los canales selectivos de frecuencia. IEEE 802.11ax proporciona estas opciones para pedidos MCS más bajos para mejorar el rendimiento del borde de la celda. La mejora del rendimiento lograda al incluir estas opciones en 802.11bd es el tema de discusión en esta sección.



La ganancia de rendimiento para 802.11bd cuando se usa el modo de rango extendido y DCM se muestra en la Figura 5. 802.11bd muestra una ganancia de ~ 5dB después de habilitar estas opciones. La eficiencia espectral de NR-V2X con MCS0 es 2 veces menor en comparación con 802.11bd MCS0. Después de encender DCM, la eficiencia espectral de 802.11bd disminuyó 2 veces y se volvió igual al NR-V2X MCS0. Aunque DCM y el rango aumentado mejoran 802.11bd en 5dB, el NR-V2X requiere una SNR 5dB más baja para lograr los mismos resultados PER con la misma eficiencia espectral. Como cuando se usa DCM, la eficiencia espectral se reduce 2 veces, entonces se pueden usar otras opciones diversificadas para lograr un aumento similar sin el costo de la eficiencia espectral reducida, como STBC o la diversificación de la recepción de señal (diversidad de recepción).En la diversificación de la recepción, las antenas se colocan lo suficientemente alejadas entre sí, por lo que las señales recibidas en ambas antenas muestran una atenuación no relacionada. Por lo tanto, se pueden realizar mejoras adicionales para usar estas opciones.

Conclusión

En este trabajo, comparamos el rendimiento de las tecnologías V2X desarrolladas en varios escenarios V2X para garantizar la fiabilidad. Con base en los resultados, se demostró que el NR-V2X es más avanzado que 802.11bd, en gran parte porque 802.11bd es muy propenso a los cambios Doppler. Además, hemos demostrado que el uso de midambles mejora significativamente el rendimiento de 802.11bd bajo la influencia de altos cambios Doppler, siempre que el período de midambles sea mucho menor que el período de conectividad del canal. Hemos demostrado que DCM y el modo de rango extendido mejoran el rendimiento de 802.11bd. Aunque los midambles, los preámbulos de rango extendido y los DCM han demostrado la posibilidad de mejorar la confiabilidad de 802.11bd, aún no puede vencer al NR-V2X debido a una mejor estimación del canal debido a la alta densidad de DMRS.menores tasas de codificación y DFT-s-OFDM. En el futuro, el trabajo se centrará en el diseño de métodos analíticos, como la abstracción PHY, para ampliar las comparaciones para otras aplicaciones y escenarios objetivo.

Parte 3. Dispositivos V2X disponibles para pruebas en el mercado

Resumen

En primer lugar, observo que es prácticamente imposible pedir un dispositivo en Rusia por dinero. Si planea comprar un dispositivo compatible con V2X 802.11p o LTE-V2X (desde 2000 euros), en primer lugar, los desarrolladores y distribuidores casi nunca compran una licencia para importar sus productos en Rusia, por lo que nadie sabe qué puede pasar en la aduana, cuánto dinero querrán tomar de usted en la aduana, cuánta aclaración, ejecución y otra burocracia pueden durar. Por lo tanto, es costoso, puede pasar de 3 meses sin una garantía de que se permitirá cruzar la frontera, todos los riesgos son suyos. Existe la opción de comprar dicho dispositivo a una empresa importadora rusa, pero, por regla general, dichas empresas no solicitan copias individuales, ya que no es rentable, entonces si no va a comprar a granel, esta tampoco es su opción. Queda por pedir dispositivos de prueba en una dirección en la Unión Europea y llevarlos en su equipaje de mano a su tierra natal, o ir directamente al almacén y llevar de nuevo el equipaje.

Investigué un poco sobre los dispositivos V2X disponibles en el mercado. No se pudo realizar la prueba debido a la falta de fondos para la adquisición de los mismos. Y cuestan un poco. A continuación se muestra cuánto más.

Producto

OBU

Procesadores de comunicación V2x

Los componentes de semiconductores son más fáciles y baratos de comprar que los productos terminados. Pero en este caso, tendrá que ensamblar el OBU con sus propias manos, lo cual es difícil.

Conclusión

Comenzamos con una breve descripción de las tecnologías existentes, con un resumen de las especificaciones. Después de eso, llegamos a la conclusión de que 802.11p y LTE-V2X no son de interés para la investigación, ya que las próximas generaciones ya están en la etapa avanzada de desarrollo de especificaciones y el 5G NR-V2X no es compatible con LTE-V2X. La siguiente parte fue una traducción de una comparación de modelos basada en las especificaciones disponibles de los estándares 802.11bd y 5G NR-V2X. La última parte proporciona una breve descripción de los productos existentes basados ​​en 802.11p. En el momento de la publicación, no había productos comerciales creados sobre la base de 802.11bd o 5G NR-V2X, respectivamente, no se incluyeron en la revisión.

Por lo tanto, está claro que el mercado de dispositivos V2X es aún muy joven y pequeño. La modesta penetración de las tecnologías V2X en mi opinión se debe al hecho de que los productos comerciales asequibles no cumplen con los altos requisitos de las aplicaciones de baja latencia. En el caso de soluciones que puedan aumentar significativamente la autonomía de los vehículos, estamos esperando el crecimiento explosivo del mercado y la penetración de la tecnología V2X.