Übersicht und Vergleich der V2X-Technologien

Zusammenfassung

V2X ist die gebräuchliche Bezeichnung für alle Arten der Kommunikation zwischen Fahrzeugen. Betrachten und vergleichen Sie die verfügbaren Spezifikationen, mathematischen Modelle, und sehen Sie, welche kommerziellen Lösungen es in diesem Bereich gibt und wie Sie sie in Russland kaufen können. Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die fertigen und aufkommenden V2X-Standards (IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, 3GPP LTE-V2X, 3GPP 5G NR-V2X und sogar ein bisschen 3GPP 6G NR-V2X). Der zweite Teil ist eine Übersetzung des Vergleichs der Zuverlässigkeit der mathematischen Modelle IEEE 802.11bd und 3GPP 5G NR-V2X. Der dritte Teil gibt einen Überblick über kommerzielle Produkte für V2X, Prozessoren und OBU.

Einleitung

Glossar

V2X - Fahrzeug für alle Kommunikationen
C-V2X - Mobilfunk-V2X
DSRC - Dedicated Short-Range Communications. Dies ist WIFI-basierte V2X
LOS - Sichtlinie - Sichtlinie
NLOS - keine Sichtlinie - keine Sichtlinie
ITS - Intelligente Verkehrssysteme
Midamble - Wird in Computernetzwerken verwendet, um die Header-Nachricht von den Daten zu trennen. Es kann sich um ein Zeichen oder ein Wort handeln

Anwendungsfälle

Wir werden V2X-Technologien für aktive Sicherheit und autonome Fahrszenarien evaluieren, die eine kurze Reaktionszeit bei allen Umgebungsbedingungen zum Hauptqualitätskriterium machen.

Die Hauptszenarien:

• LOS auf einer Landstraße
• LOS auf der Autobahn
• LOS in der Stadt
• bei starkem Verkehr an der Kreuzung in der Stadt
• NLOS auf der Autobahn
• NLOS in der Stadt
• Kontaktlose Mautzahlung
• Crossroads-Verordnung

Motivation

Ich bin ein Ingenieur mit 10 Jahren Erfahrung in der IT. Von diesen 3 (bis 2019) habe ich in einem Autostart getestet. Mein Arbeitsentwurf hatte nichts mit V2X zu tun. Das Interesse für das Thema kam nach der Automotive Testing Expo 2019, auf der ich den Markt für V2X-Geräte und -Anwendungen entdeckte. Nach Schätzungen von Bloomberg wird dieser Markt bis 2022 einen Wert von 1,2 Mrd. USD haben.

Teil 1. Lyric Übersicht der V2X-Spezifikationen

DSRC

Bestehende DSRC-Produkte (Dedicated Short-Range Communications) basieren auf dem IEEE 802.11p-Standard.

Dies ist der erste V2X-Standard, der 2010 veröffentlicht wurde und auf dem WLAN nach IEEE 802.11a basiert. Die 802.11p-Edition im Vergleich zu 802.11a führt Änderungen auf OSI-PHY- und MAC-Ebene ein, um die Leistung des klassischen WLAN für die Kommunikation von Fahrzeugen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 250 km / h zu verbessern. Die nächste Version von IEEE 802.11bd WLAN, die auf IEEE 802.11ac WLAN basiert und abwärtskompatibel mit 802.11p ist, befindet sich in einem frühen Stadium. Es ist geplant, die Arbeit in einer Umgebung mit einer hohen Dichte an Signalquellen zu verbessern, den Durchsatz auf mehr als 1 Gbit / s zu erhöhen, die Fähigkeit, mit schwachen Signalen mit einer Leistung von 3 dB zu arbeiten, um den Aktionsradius zu vergrößern, die Unterstützung für die Positionsbestimmung zu erhalten und die relative Höchstgeschwindigkeit auf 500 km / h zu erhöhen.

C-v2x

LTE-V2X ist die aktuelle Implementierung der Spezifikationen für den C-V2X. Das 5G NR-V2X befindet sich in einem frühen Stadium.

Die Entwicklung von Mobilfunktechnologie-Releases wird von 3GPP, dem 3rd Generation Partnership Project, koordiniert, um nach Möglichkeit die direkte und Rückwärtskompatibilität von Versionen von Mobilfunktechnologie-Standards untereinander sicherzustellen. Die Abwärtskompatibilität von Mobilfunkstandards wird sogar gemäß der Normungsrichtlinie M / 453 der Europäischen Kommission und optional der IVS-Richtlinie 2010/40 / EU rechtlich überprüft. 5G NR-V2X und LTE-V2X sind nicht abwärtskompatibel. Bei der Entwicklung der neuen Version wurde berücksichtigt, dass LTE-V2X nicht über eine ausreichende Penetrationsstufe verfügt, um die Abwärtskompatibilität zu unterstützen. 3GPP Release 8, bekannt als LTE, wurde am 3. Dezember 2009 veröffentlicht und die Entwicklung dauerte ca. 3 Jahre. 3GPP Release 10 LTE-Advanced wurde 2011 veröffentlicht, 3GPP Release 14 LTE-V2X - 2014. Generation 5G startet mit 3GPP Release 15. Im Release-Zeitplan von 3GPP gibt es Projekte, die in 3+ Phasen unterteilt sind, die fast vollständig mit den Releases übereinstimmen. Phasen sind in 3 + Stufen unterteilt. In jedem Fall ist eine Phase / Freisetzung mit einem Zwischenindex von 1, 2, 2+ eine Spezifikation. Index 3 bedeutet die Umsetzung von Standards auf physikalischer Ebene. Releases werden teilweise parallel entwickelt - die Entwicklung des nächsten beginnt vor dem Release des vorherigen. In einigen Fällen kann Stufe 4 hinzugefügt werden, die sich auf Testspezifikationen bezieht. Entsprechend der 3GPP-Roadmap befindet sich das 5G-Projekt noch in einem sehr frühen Stadium. Die Entwicklung von Release 16 soll erst im März 2020 abgeschlossen sein. Aus den Erfahrungen mit den 3G- und 4G-Releases kann davon ausgegangen werden, dass es realistisch ist, ein 5G-NR-Release mit 3GPP- Release 17 für Ende 2021 zu erwarten.
In der Phase von F & E und der Entwicklung von Spezifikationen ist der sogenannte 6G-Standard parallel, den sie im Jahr 2030 einführen wollen. Wenn 6G auch nicht abwärtskompatibel mit 5G NR-V2X ist, wie 5G NR-V2X mit LTE-V2X, werden Unternehmen, die an der Einführung neuer C-V2X-Technologien interessiert sind, 5G NR-V2X wahrscheinlich ignorieren, um auf die Veröffentlichung von 6G zu warten und sofort zu arbeiten mit ihm.

Unterschiede

Der Hauptunterschied zwischen DSRC und C-V2X im Hinblick auf die kommerzielle Nutzung besteht darin, dass DSRC in der Produktion stabil ist, getestet wird, sich weiterentwickelt und sich vorhersagbar entwickelt, C-V2X jedoch nicht. OEMs und Hardwareentwickler können mit DSRC-Technologie langfristig planen. Gleichzeitig übertrifft der DSRC den C-V2X in seinen technischen Daten nicht und ist in einigen Komponenten unterlegen. Das Problem bei LTE-V2X besteht darin, dass nicht alle für eine groß angelegte Implementierung erforderlichen Tests bestanden wurden, wie z. B. grenzüberschreitende Tests und Tests zwischen Bedienern. Darüber hinaus wird in 3GPP-Releases ab 16 keine Unterstützung für LTE-V2X garantiert. Daher ist der Vergleich von LTE-V2X und IEEE 802.11p im Zusammenhang mit der Einstellung der Supportentwicklung für das erste nicht relevant.

Vergleichende Eigenschaften:



6G-Spezifikationen sind sehr optimistisch und machen eher Werbung für Hype.

Teil 2. Ergebnisse der vergleichenden Zuverlässigkeitstests von NR-V2X und IEEE 802.11bd der Technischen Universität Dresden im Jahr 2019 [ÜBERSETZUNG AUS DEM ENGLISCHEN]

Anmerkung des Übersetzers

Die Übersetzung ist nicht streng wörtlich. Selbstwiederholungen wurden nach Möglichkeit entfernt und die Grammatik gegebenenfalls vereinfacht. Vielen Dank für das konstruktive Feedback.

Die Autoren

Waqar Anwar, Andreas Trasl, Norman Franchi und Gerhard Fettweis, Vodafone-Lehrstuhl für Mobilkommunikationssysteme, Technische Universität Dresden

Anmerkung

Mit äußerst zuverlässiger Kommunikation können Sie komplexe Szenarien implementieren, die autonomes Fahren und sicherheitskritische Anwendungen abdecken. Moderne Fahrzeugkommunikationstechnologien wie IEEE 802.11p und LTE-V2V erfüllen die Zuverlässigkeitsanforderungen für diese Szenarien nicht. Die nächste Generation dieser Technologien wird entwickelt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. In diesem Artikel wird die geschätzte Zuverlässigkeit von IEEE 802.bd- und NR-V2X-Technologien analysiert. Obwohl der Standard für die physikalische Schicht noch nicht verfügbar ist, haben wir die verfügbaren Parameter für unsere Studie verwendet. Wir haben Monte-Carlo-basierte Simulationen verwendet, um die Leistung dieser Technologien auf der physikalischen Schicht in verschiedenen V2V-Szenarien zu analysieren. Eine der größten Herausforderungen für eine äußerst zuverlässige Kommunikation ist die Hoch-Doppler-Verschiebung in V2V-Szenarien. Es wird gezeigt, dass NR-V2X aufgrund der besseren Doppler-Shift-Verarbeitung die Zuverlässigkeit von IEEE 802.11bd übertrifft. In IEEE 802.11bd verursacht ein hoher Doppler-Offset Paketfehler, selbst bei einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Daher werden verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung von IEEE 802.11bd bei Exposition gegenüber einem hohen Doppler-Effekt diskutiert und diskutiert.

Schlüsselbegriffe sind IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, LTE-V2X, NR-V2X und Ultra-zuverlässige Kommunikation.

Einleitung

Die Einführung befasst sich mit Folgendem: Bei Vorhandensein von Radar, Lidar und Kameras aller Art benötigen wir zusätzlich V2X-Geräte für Bedingungen mit eingeschränkter Sicht (Hindernisse, Wetterbedingungen, Gelände), Arbeiten in größerer Entfernung und autonome Fahrszenarien.

Der erste IEEE 802.11p V2X-Standard wurde 2010 eingeführt und basierte auf dem WLAN-Standard IEEE 802.11a. Durch die Überarbeitung des Standards 802.11p wurden PHY- und MAC-Level eingeführt, um die Leistung von WLAN für Autos zu verbessern. Eine Alternative zu IEEE 802.11p ist der LTE-basierte Mobilfunk-V2X-Standard LTE-V2X, der 2016 von 3GPP eingeführt wurde. Beide Technologien eignen sich für grundlegende Anwenderszenarien wie Benachrichtigungen über Straßenarbeiten, Warnungen vor Notbremsungen, Daten von Ampeln und Benachrichtigungen über Sonderfahrzeuge. IEEE und 3GPP arbeiten an der nächsten Generation der V2X-Technologie mit Unterstützung für komplexere Szenarien. Der nächste zellulare V2X-Standard, der auf der fünften Generation von 5G-Mobilkommunikationssystemen basiert, wird voraussichtlich im Juni 2019 als Teil von Release 16 mit der Buchstabenbezeichnung 5G NR fertiggestellt, wobei NR für New Radio steht. Daher der Name NR-V2X.

Eine Arbeitsgruppe mit dem Namen "IEEE 802.11 Next Generation V2X (NGV)" arbeitet an der Schaffung des Standards IEEE 802.11bd, dem Nachfolger von 802.11p.

Der Vergleich und das Testen, einschließlich Feld, 802.11p und LTE-V2X, ist Gegenstand vieler Veröffentlichungen [1] - [5]. Kürzlich wurde ein Leistungsvergleich in Bezug auf den erwarteten Durchsatz, die Latenz und die Zuverlässigkeit der NGV-Technologien 802.11bd und NR-V2X [6] veröffentlicht (dieselben Autoren wie in diesem Dokument). Szenarien wie die kooperative adaptive Geschwindigkeitsregelung oder sicherheitskritische Anwendungen stellen hohe Anforderungen an Schaltverzögerungen und die Zuverlässigkeit von Kommunikationssystemen. Das Erreichen einer Kommunikationszuverlässigkeit ist in Kraftfahrzeugen aufgrund der sich schnell ändernden Natur der drahtlosen Kommunikationskanalumgebung, die zu einer schnellen Überalterung der Kanalschätzungsdaten führt, besonders schwierig. Zusätzlich zu der hohen Doppler-Verschiebung in V2X-Szenarien wird der Engpass zur Intercarrier-Interferenz (ICI). Da sich die Doppler-Verschiebung in verschiedenen Szenarien erheblich unterscheidet, z. B. das Intracity-Sichtlinienszenario (LOS-Szenario) sich von dem LOS-Skript auf der Route unterscheidet, ist eine separate Überprüfung der Arbeit in diesen Szenarien erforderlich.

In dieser Arbeit prüfen wir den PHY-Level der entwickelten V2X-Technologien 802.11bd und NR-V2X auf das Verhältnis von Fehlern zu übertragenen Paketen (Paketfehlerrate - PER). PER wird häufig zur Messung der Zuverlässigkeit von Empfängern verwendet. Beachten Sie, dass Zuverlässigkeit wichtig ist, da Relais in den meisten Fällen aufgrund strenger Verzögerungsanforderungen nicht verwendet werden können. Diese Arbeit hat gezeigt, dass hohe Doppler-Offsets zu Paketfehlern bei einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 802.11bd führen können. Dies ist auf eine veraltete Kanalbewertung in Verbindung mit einem tiefen Fading zurückzuführen.

Verwenden Sie Syncwords oder Midambles, um die Kanalschätzung zu verbessern
Sättigungseffekt zu verhindern. Es wird gezeigt, dass Midambles in regelmäßigen Abständen im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs verwendet werden müssen. Um 802.11bd in Bereichen mit niedrigem SNR weiter zu verbessern, empfehlen wir die Verwendung von Funktionen, die in IEEE 802.11ax definiert sind, wie z. B. die erweiterte Bereichspräambel und die Dual-Carrier-Modulation DCM. Schließlich wurde die Leistung von 802.11bd nach all diesen Verbesserungen bewertet und mit der Leistung des NR-V2X verglichen.

Technologieübersicht

In diesem Abschnitt finden Sie eine Erläuterung und einen Vergleich der wahrscheinlichsten Verbesserungen der zukünftigen Standards 802.11bd und NR-V2X mit ihren Vorgängern.

IEEE 802.11bd

IEEE 802.11p wurde 2010 als Revision des Standards 802.11 eingeführt. Seitdem sind verschiedene Arten von PHY-Layer-Implementierungen für WLAN-Systeme verfügbar, die für V2X angepasst werden müssen. Es ist zu erwarten, dass der nächste 802.11bd-Standard auf vorhandenen WLAN-Technologien wie IEEE 802.11ac basiert und die verfügbaren PHY-Konfigurationen verwendet.

In den letzten 802.11-Versionen wurde die Bandbreite auf PHY-Ebene aufgrund der höheren Modulationsreihenfolge und der höheren Codierungsschemata (MCS - Modulation Coding Scheme), der breitbandigeren Konfigurationen (mehr Bandbreite) unter Verwendung der Trägeraggregation und des MIMO-Datenübertragungsverfahrens (Multiple Input Multiple Output) erhöht . Die Paritätsprüfungsmethode mit niedriger Dichte wurde eingeführt, die für hohe Nutzlasten effizienter ist und die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit erhöht. Die Zuverlässigkeit wurde später durch Space Time Block Coding (STBC) oder DCM verbessert. STBC ist eine Diversity-Antennenkonfiguration, bei der zwei Diversity-Zweige auf der Senderseite, bei der DCM für Frequenz-Diversity steht, zwei Diversity-Zweige verwenden. Mithilfe zahlreicher Zeitschlitze für zyklische Präfixe (CP) können Sie ein bestimmtes Auswahlszenario implementieren, um Intersymbol-Interferenzen (ISI) zu vermeiden, sodass 802.11-Standards besser für eine Umgebung im Freien geeignet sind. Die Verwendung von Midambles ermöglicht weniger häufige Kanalschätzungen mit Midambles und ermöglicht es Ihnen, mit hohen Doppler-Verschiebungen besser umzugehen.

Es ist auch eine erweiterte Bereichskonfiguration verfügbar, die die Synchronisation und Kanalschätzung beschleunigt und bestimmte Felder von Präambelsignalen wiederholt, um den Bereich und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Gemäß dem 802.11bd-Projektautorisierungsbericht werden die folgenden PHY-Parameter berücksichtigt:
Trägermodulationsschema: OFDM
Zwischenträgerabstand: 156,25 kHz und 178,125 kHz.
CP-Dauer: 1,6 ms, 3,2 ms
Kanalcodierung: LDPC
Niedrigste Rate: MCS9 (⅚ 256-QAM)
Zielgeschwindigkeit = 250 km / h
Doppler-Wiederherstellungsmethode: Midambles mit hoher Dichte



Die Ableitung von Zahlenwerten aus der Tabelle ist in einer früheren Arbeit derselben Autoren gezeigt.

NR-V2X

Der erste zellulare LTE-V2X-V2X-Standard wurde von 3GPP im Jahr 2016 in Release 14 fertiggestellt. Mit dem zukünftigen 5G-NR-Standard, der neue V2X-Szenarien und -Anforderungen definiert, werden erhebliche Änderungen erwartet. Die endgültige Version der Spezifikationen wird voraussichtlich Ende 2019 in Release 16 fertiggestellt sein. Aufgrund der möglichen Einstellungen der physikalischen Schicht gehen wir davon aus, dass sich der NR-V2X auf NR-Uplink (UL) konzentrieren wird. Da die NR-UL-Spezifikationen bereits verfügbar sind, können Sie ein Framework zur Simulation des NR-V2X entwerfen.

Die Hauptverbesserung der physikalischen Schicht von NR UL im Vergleich zu LTE besteht darin, dass DFT-gespreiztes OFDM und OFDM beide Verfahren zur Datenübertragung verwendet werden können. OFDM verbessert die Durchsatzleistung für Breitbandvorgänge bei geringerer Implementierungskomplexität und eignet sich daher besser für Anwendungen, bei denen ein hoher Durchsatz erforderlich ist. Bei Low-Budget-Geräten, bei denen eine hohe Energieeffizienz erforderlich ist, ist DFT-s-OFDM aufgrund seines geringen PARP (Peak-to-Average-Leistungsverhältnis) die beste Wahl. Eine weitere in NR eingeführte Verbesserung sind die skalierbaren OFDM-Numerologien, mit denen Sie zwischen verschiedenen Zwischenträgerabständen von 15 kHz bis 480 kHz wählen können. Zusammen mit dieser Numerologie liegt die Schlitzdauer im Bereich von 1 ms bis 0,031 ms. Im Gegensatz zu LTE entspricht das minimale Übertragungszeitintervall (TTI) in NR der Dauer eines Slots (eine Slot-Dauer). Zusätzlich zur Kommunikation mit geringer Latenz ist eine Mini-Slot-Option für die Datenübertragung mit nur 2, 4 oder 7 OFDM-Symbolen ohne Slot-Grenzen verfügbar. Skalierbare Numerologie und variable Dauer (CPs) in NR bieten die Voraussetzungen für Anwendungen und Anpassungsfähigkeit an eine bestimmte Umgebung.
NR bietet auch verschiedene DMRS-Optionen (Demodulation Reference Signaling) für eine bessere Kanalwiederherstellung für frequenz- und zeitselektive Kanäle. Da die Kanalcodierung einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und den Durchsatz der drahtlosen Kommunikation hat, wurden effizientere und zuverlässigere Codiertechniken angewendet (ursprünglich übernommen). Beispielsweise wurden LTE-Turbocodes durch LDPC-Codes für Datenkanäle und LTE-Faltungscodes ersetzt ersetzt durch eine zyklische Redundanzprüfung (CRC), ergänzt durch Polarcodes zur Kanalüberwachung. Darüber hinaus kann NR das Millimeterwellenspektrum mit Frequenzen über 24 GHz auch mit Frequenzen unter 6 GHz verwenden. Die maximale Kanalbreite, die dem Benutzer in NR zur Verfügung steht, beträgt 100 MHz für Frequenzen unter 6 GHz und 400 MHz für die Datenübertragung im Millimeter-Spektrum, was viel höher ist als die für LTE verfügbare Kanalbreite von 20 MHz. Eine größere Kanalbreite ermöglicht entweder höhere Spitzendatenraten oder eine höhere Übertragungsdichte in NR. Alle oben genannten Merkmale machen NR zuverlässiger, die Kanalbandbreite effizienter und flexibler.

V2V-Szenarien und Kanalmodelle

Eine Reihe von V2V-Kanalmodellen, die vom 802.11-Team für DSRC-Tests und Leistungsbewertung für Kurzstrecken-Kommunikation vorgestellt wurden. Kanalmodelle wurden aus drei Messkampagnen abgeleitet, die von mehreren Organisationen für fünf gängige V2V-Szenarien durchgeführt wurden (siehe Abbildung 1). Diese Kanalmodelle wurden vom 802.11bd-Forschungsteam zur Bewertung der Leistung verwendet und sind die Basisreferenz ) für weitere Verbesserungen. Das gemessene RMS-Verzögerungsprofil und der Doppler dieser Kanalmodelle sind allgemein in Tabelle 2 gezeigt

Los im Dorf

Dieses Modell implementiert die Kommunikation zwischen zwei Fahrzeugen in einem offenen Raum. Außerhalb der Stadt erfolgt die LOS-Kommunikation in der Regel in Abwesenheit anderer Autos, großer Zäune und Gebäude. Somit zeigt das erhaltene Verzögerungsprofil den starken Einfluss der LOS-Komponenten in mehreren schwachen Mehrwegekomponenten und eine maximale Doppler-Verschiebung von 490 Hz.

LOS nähert sich Fahrzeugen in der Stadt

Aufgrund der Gebäude und der hohen Dichte der Maschinen werden starke Reflexionen und Mehrwege-Fading beobachtet. Aus den Messungen ist ersichtlich, dass die reflektierten Hochleistungskomponenten im Gegensatz zum suburbanen LOS-Szenario einen starken Einfluss auf das Signal haben.

NLOS City Crossroads

Betrachten Sie die Kommunikation zwischen zwei sich nähernden Autos an einer Kreuzung mit eingeschränkter Sicht in einem sich bewegenden Strom. An den Ecken der Kreuzung wird es Gebäude und Zäune geben, die zu Reflexionen und vielen Mehrwegkomponenten führen. Aufgrund des Fehlens einer dominanten LOS-Komponente und kleiner Leistungsunterschiede der reflektierten Komponenten ist mit einer starken Mehrfachdurchlaufdämpfung zu rechnen.

LOS Autobahn

In diesem Szenario wird die Kommunikation zwischen zwei aufeinander folgenden Computern in einem mehrspurigen Trunk simuliert. Trotz der hohen Verkehrsdichte, Schilder, Hügel, Überführungen ist eine LOS-Kommunikation weiterhin möglich, da keine physischen Hindernisse zwischen den kommunizierenden Maschinen bestehen. Im Vergleich zu anderen Szenarien ist aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen entgegenkommenden Maschinen eine höhere Doppler-Verschiebung zu erwarten.

NLOS Autobahn

Dieses Szenario ähnelt dem LOS-Szenario, außer dass der LKW die Sicht zwischen den kommunizierenden Maschinen blockiert. Es kann zu starker Degradation und Qualitätsveränderungen der Verbindung kommen, da sich aufgrund der hohen Durchflussrate über einen längeren Zeitraum keine stark reflektierenden Objekte befinden. Dies ist das schwierigste Szenario, da es sich aufgrund der hohen Doppler-Verschiebung um NLOS-Kommunikation, Multipass-Dämpfung und schnelle Dämpfung handelt.

Leistungsbewertung

Die in Tabelle 1 gezeigten theoretischen Berechnungen können verwendet werden, um Technologien innerhalb der verfügbaren Datenraten und Verzögerungen zu vergleichen. Diese Werte können nur erreicht werden, wenn alle Pakete zugestellt werden, was in der physischen Welt unmöglich ist. Daher wird in diesem Abschnitt die Leistung beider Technologien in Bezug auf PER für die zuvor beschriebenen V2V-Kanalmodelle bewertet. PER ist definiert als das Verhältnis von Übertragungsfehlern zur Gesamtzahl der übertragenen Pakete. Dies ist eine allgemeine Metrik, mit der die Leistung und Zuverlässigkeit des Empfängers bewertet wird. Wir wollen wissen, welche Technologie unter verschiedenen Bedingungen zuverlässiger funktioniert. Die Zuverlässigkeit ist auch deshalb von entscheidender Bedeutung, weil die Datenübertragung in den meisten Anwendungen mit geringer Latenz nicht unterstützt wird. TrotzdemNR beschreibt die Fähigkeit, eine hybride automatische Wiederholungsanforderung (HARQ) zu senden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. In diesem Artikel wird diese Möglichkeit aufgrund der geringen Latenz nicht berücksichtigt.

Um die Leistung dieser Technologien zu vergleichen, wurde eine vollständige Implementierung der PHY-Funktionalität des Niveaus dieser Technologien in MATLAB durchgeführt. Um die schnellen Dämpfungs- und Mehrwegeeffekte zusätzlich zum additiven weißen Gaußschen Rauschen (AWGN) zu simulieren, wurden die obigen Modelle unter Verwendung der Rician-Verteilung konstruiert. In NR-V2X DMRS wird eine Abbildung vom Typ A mit 3 zusätzlichen Referenzsymbolen mit einer maximalen Länge = 1 verwendet. Bei diesem Schema werden innerhalb des Zeitintervalls 24 DMRS-Symbole verwendet (in jedem 3-m-OFDM-Symbol, während sich der alternative Hilfsträger in der Frequenz befindet). Aufgrund der hohen Dichte des DMRS ist eine bessere Kanalschätzung möglich. Andere relevante Parameter, die in der Simulation verwendet werden, sind in Tabelle 3 gezeigt.



Zum Vergleich wurden zwei Kombinationen von Modulation und Codierrate verwendet. Wir vergleichen die niedrigste verfügbare MCS-Option (MCS0) in beiden Standards (z. B. QPSK mit einer Codierungsrate von 0,12 in NR-V2X und ½ BPSK in 802.11bd), die auch die Reichweite der Technologie bestimmt. Für einen fairen Vergleich vergleichen wir sie auch für ½ 16QAM, was für MCS13 in NR-V2X und MCS3 in 802.11bd gilt. Wir beschränken unsere Analyse auf die beiden MCS, die für die Erzielung einer äußerst zuverlässigen Konnektivität am relevantesten sind. Um die Einhaltung der Ultra-Zuverlässigkeitsanforderungen zu überprüfen, muss PER <10 ^ -5 gemessen werden, was in der Simulation für eine begrenzte Zeit schwierig ist. Daher sind unsere Schätzungen auf PER = 10 ^ -3 begrenzt. Für niedrigere PERs kann die Leistung jedoch vorhergesagt werden, indem die erhaltenen Diagramme erweitert werden.

PER-Vergleich mit dem niedrigsten MCS

In Abbildung 2 (a) sehen Sie das PER-Diagramm für das niedrigste MCS (MCS0) für beide Technologien und die oben beschriebenen V2X-Kanalmodelle. Da NR V2X und 802.11bd unterschiedliche Kombinationen der Codierungsratenmodulation definieren, unterscheidet sich die maximale Datenrate von der in Tabelle 1 gezeigten.

Es ist zu beobachten, dass sich der NR-V2X in allen V2V-Kanalmodellen gleich gut verhält und sein PER sich geringfügig auf verschiedene Verzögerungsprofile und Doppler-Verschiebungen auswirkt. Bei 802.11bd hängen die PER-Änderungen stark vom Kanaltyp ab. Der NR-V2X hat einen Vorteil von 9 dB gegenüber 802.11bd, wenn Sie den ähnlichen PER im Szenario mit dem Vorort-LOS und etwa 10 dB im Szenario mit dem Gegenverkehr vergleichen. In allen anderen Szenarien wird der PER für 802.11bd abgerufen, sobald die Kanalschätzung während der Übertragung des Pakets veraltet ist. (im Laufe des Pakets). Diese Sättigung tritt auf, wenn das Verhältnis der Paketdauer zur Kohärenzzeit größer oder gleich 1 ist. Wenn die Paketdauer größer als die Kanalkohärenzzeit ist,Die Kanalschätzung ist für Zeichen am Ende des Pakets nicht mehr gültig. Der Effekt dieser veralteten Kanalschätzung hängt von der aktuellen Dämpfungstiefe ab. Wenn kein tiefes Fade auftritt, kann eine kleine absolute Abweichung der Kanalschätzung von ihrem Referenzwert beobachtet werden. In Kombination mit einer tiefen Dämpfung führt diese absolute Abweichung zu einem großen relativen Fehler, der dann Paketübertragungsfehler verursacht. Um die Leistung in schnelllebigen Kanälen zu verbessern, können Sie Midambles verwenden, die weiter unten erläutert werden. Andere Techniken können verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer starken Dämpfung zu verringern, beispielsweise Diversifikation.Wenn kein tiefes Fade auftritt, kann eine kleine absolute Abweichung der Kanalschätzung von ihrem Referenzwert beobachtet werden. In Kombination mit einer tiefen Dämpfung führt diese absolute Abweichung zu einem großen relativen Fehler, der dann Paketübertragungsfehler verursacht. Um die Leistung in schnelllebigen Kanälen zu verbessern, können Sie Midambles verwenden, die weiter unten erläutert werden. Andere Techniken können verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer starken Dämpfung zu verringern, beispielsweise Diversifikation.Wenn kein tiefes Fade auftritt, kann eine kleine absolute Abweichung der Kanalschätzung von ihrem Referenzwert beobachtet werden. In Kombination mit einer tiefen Dämpfung führt diese absolute Abweichung zu einem großen relativen Fehler, der dann Paketübertragungsfehler verursacht. Um die Leistung in schnelllebigen Kanälen zu verbessern, können Sie Midambles verwenden, die weiter unten erläutert werden. Andere Techniken können verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer starken Dämpfung zu verringern, beispielsweise Diversifikation.Um die Leistung in schnelllebigen Kanälen zu verbessern, können Sie Midambles verwenden, die weiter unten erläutert werden. Andere Techniken können verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer starken Dämpfung zu verringern, beispielsweise Diversifikation.Um die Leistung in schnelllebigen Kanälen zu verbessern, können Sie Midambles verwenden, die weiter unten erläutert werden. Andere Techniken können verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer starken Dämpfung zu verringern, beispielsweise Diversifikation.

Im Gegensatz zu 802.11bd sind DMRS auf der Empfängerseite im NR-V2X in die Kanalschätzungsdaten eingebettet. Darüber hinaus bietet der NR-V2X abhängig von der Zeit und Häufigkeit der Kanalauswahl verschiedene DMRS-Konfigurationen, die zu einer besseren Kanalschätzung führen. Ein weiterer Grund für die hervorragende Leistung des NR-V2X ist die niedrigere Codierungsrate im Vergleich zu 802.11bd - 0.12 <0.5. Somit kann der NR-V2X bei Verwendung von MCS0 eine größere Reichweite und Zuverlässigkeit im Vergleich zu 802.11bd erzielen.

PER-Vergleich mit ½ 16QAM

Um einen objektiven Vergleich der Technologien zu ermöglichen, werden hier gleiche Modulations- und Codierungsraten verwendet. Abbildung 2 (b) zeigt die PER, die mit Technologien mit ½ 16QAM in verschiedenen V2X-Kanalmodellen erzielt wird. Obwohl der Unterschied zwischen NR-V2X und 802.11bd im Vergleich zu MCS0 erheblich verringert ist, hat der NR-V2X einen Vorteil in der Größenordnung von 3 dB im Vergleich zu 802.11bd für Szenarien mit vorstädtischen Stadtkreuzungen, Autobahnkreuzungen und NLOS-Stadtkreuzungen. Der Vorteil im Fall eines Szenarios eines LOS-Kanalmodells für entgegenkommende Städte beträgt nur 1 dB, und wenn das NLOS-Autobahnmodell verwendet wird, wird der PER für 802.11bd aufgrund einer schlechten Kanalschätzung gesättigt, wie oben gezeigt. Die Leistung von 802.11bd mit ½ 16QAM ist im Vergleich zu MCS0 für die LOS-Trunk-, NLOS-Trunk- und NLOS-City-Junction-Channel-Modelle viel besser.Der Grund für die Verbesserungen ist eine vierfache Reduzierung der Paketdauer, da die maximale Datenübertragungsrate bei Verwendung von ½ 16QAM im Vergleich zu MCS0 (½ BPSK) viermal höher ist. Reduzierte Paketlängen führen zu einer verbesserten Leistung für Präambel-basierte Kanalschätzungen von 802.11bd-Kanälen, da die Beziehung zwischen Paketdauer und Kohärenzzeit reduziert wird. Wenn dieses Verhältnis << 1 ist, tritt keine Sättigung auf. (Es tritt keine Sättigung auf). Für ein NLOS-Szenario auf einer Autobahn ist dieses Verhältnis größer als 1, da 50% der Koordinierungszeit (oft als 9 / (16pi * f_d) betrachtet) = 202 ms ist, was weniger als die Dauer der Pakete = 236 ms ist.da die maximale Datenübertragungsrate bei Verwendung von ½ 16QAM im Vergleich zu MCS0 (½ BPSK) viermal höher ist. Reduzierte Paketlängen führen zu einer verbesserten Leistung für Präambel-basierte Kanalschätzungen von 802.11bd-Kanälen, da die Beziehung zwischen Paketdauer und Kohärenzzeit reduziert wird. Wenn dieses Verhältnis << 1 ist, tritt keine Sättigung auf. (Es tritt keine Sättigung auf). Für ein NLOS-Szenario auf einer Autobahn ist dieses Verhältnis größer als 1, da 50% der Koordinierungszeit (oft als 9 / (16pi * f_d) betrachtet) = 202 ms ist, was weniger als die Dauer der Pakete = 236 ms ist.da die maximale Datenübertragungsrate bei Verwendung von ½ 16QAM im Vergleich zu MCS0 (½ BPSK) viermal höher ist. Reduzierte Paketlängen führen zu einer verbesserten Leistung für Präambel-basierte Kanalschätzungen von 802.11bd-Kanälen, da die Beziehung zwischen Paketdauer und Kohärenzzeit reduziert wird. Wenn dieses Verhältnis << 1 ist, tritt keine Sättigung auf. (Es tritt keine Sättigung auf). Für ein NLOS-Szenario auf einer Autobahn ist dieses Verhältnis größer als 1, da 50% der Koordinierungszeit (oft als 9 / (16pi * f_d) betrachtet) = 202 ms ist, was weniger als die Dauer der Pakete = 236 ms ist.wenn sich die Beziehung zwischen Paketdauer und Kohärenzzeit verringert. Wenn dieses Verhältnis << 1 ist, tritt keine Sättigung auf. (Es tritt keine Sättigung auf). Für ein NLOS-Szenario auf einer Autobahn ist dieses Verhältnis größer als 1, da 50% der Koordinierungszeit (oft als 9 / (16pi * f_d) betrachtet) = 202 ms ist, was weniger als die Dauer der Pakete = 236 ms ist.wenn sich die Beziehung zwischen Paketdauer und Kohärenzzeit verringert. Wenn dieses Verhältnis << 1 ist, tritt keine Sättigung auf. (Es tritt keine Sättigung auf). Für ein NLOS-Szenario auf einer Autobahn ist dieses Verhältnis größer als 1, da 50% der Koordinierungszeit (oft als 9 / (16pi * f_d) betrachtet) = 202 ms ist, was weniger als die Dauer der Pakete = 236 ms ist.

Der Grund für die höhere Leistung von NR-V2X bei gleicher Kombination von Umgebungsparametern und Codierungsrate liegt wiederum in der besseren Kanalschätzung und der Verwendung von DFT-s-OFDM. DFT-s-OFDM bietet im Vergleich zu OFDM bessere PERs für frequenzselektives Fading, da Datensymbole über die gesamte Kanalbreite verteilt sind.

Kanalschätzung für variierende Doppler-Verschiebungen

Wir haben zuvor gesehen, dass die Leistung von 802.11bd stark von der Doppler-Verschiebung und von Kanalschätzungen auf Präambelbasis beeinflusst wird. Um die Leistung zu verbessern, können Sie daher die Verwendung von Midamble in Betracht ziehen, bei der das Kanalschätzungssymbol (als Midamble bezeichnet) in den Daten wiederholt wird, um die aktuelle Kanalschätzung zu erhalten (siehe Abbildung 4). Die Häufigkeit von Midambles sollte entsprechend der relativen Geschwindigkeit der Fahrzeuge angepasst werden. Niederfrequente Midambles führen zu Kanalschätzungsfehlern, und hochfrequente Midambles verlängern die Dauer der Pakete (umgekehrt zur Datenrate). Um die Technologie unter dem Einfluss einer sich ändernden Doppler-Verschiebung zu bewerten, haben wir das Szenario mit der NLOS-Autobahn gewählt, was der schlimmste Fall ist.Das Doppler-Kanalprofil ist für drei maximale Doppler-Verschiebungen skaliert, die 250 Hz, 500 Hz und 1000 Hz entsprechen. Nehmen wir für 802.11bd zwei Einstellungssätze an - einen Satz ohne Midambles, den zweiten mit adaptiven Midambles.

Frequenz der Midambles = 10, 5 und 3 OFDM-Symbole für 250, 500 bzw. 1000 Hz. Mit diesen Parametern beträgt die Häufigkeit von Midambles ungefähr 90% der Konnektivitätszeit für alle drei Doppler-Verschiebungen.

3 (a) zeigt die PER für MCS0 für verschiedene Doppler-Verschiebungen. Es ist ersichtlich, dass der NR-V2X unter dem Einfluss von Doppler-Verschiebungen aufgrund der für die Kanalschätzung verwendeten hohen Dichte von DMRS und der sehr niedrigen Codierungsrate sehr zuverlässig ist. Hohe Doppler-Offsets verursachen zwar auch ICI (Inter-Carrier Interference), für langsamere SNRs sind die Rauschwerte jedoch dominanter als ICI, daher spielt dies in diesem Fall keine Rolle. Wie bereits gezeigt, nimmt die Leistung von 802.11bd mit zunehmenden Doppler-Offsets aufgrund veralteter Kanalschätzungen ab. Die Verwendung von adaptiven Midambles verbessert die Leistung von 802.11bd erheblich und hilft, die minimale Anzahl von Kanalschätzfehlern zu überwinden, da die Häufigkeit von Midambles erheblich länger ist als die Kanalverbindungszeit. Das Hinzufügen von Midambles beseitigt zwar die PER-Sättigung bei 802.11bd gibt es noch einen Unterschied von 10dB gegenüber dem NR-V2X.

Ein ähnlicher Vergleich ist in Abbildung 3 (b) für den Fall mit ½ 16QAM dargestellt. Wiederum ergibt sich aus den vorgestellten Ergebnissen, dass eine hohe Zuverlässigkeit von 802.11bd nur bei Verwendung von Midambles möglich ist. Selbst bei äquivalenten Codierungsmodulationsraten hat der NR-V2X für alle Doppler-Offsets einen Vorteil von mehr als 1 dB. Es ist ersichtlich, dass ICI bei hohen SNRs zunehmend sichtbar wird. Somit nimmt der Unterschied in der PER zwischen Technologien für unterschiedliche Werte von Doppler-Offsets mit zunehmendem SNR zu.

DCM-Effekte und Extended Range Option

Im vorherigen Unterabschnitt haben wir gezeigt, dass das Hinzufügen von Midambles die Leistung von 802.11bd erheblich verbessern kann. Er benötigt immer noch mindestens 10 dB SNR, um einen PER von 10 ^ -3 zu erreichen, während ein NR-V2X mit einem SNR von weniger als 0 dB dasselbe Ziel erreichen kann. Um in Zukunft die 802.11bd-Leistung in Bereichen mit niedrigem SNR zu verbessern und das Ziel einer zweifachen Erhöhung der Reichweite im Vergleich zu 802.11p zu erreichen, können Sie den erweiterten Reichweitenmodus und das DCM von 802.11ax anpassen. Bei Verwendung des Bereichserweiterungsmodus wird das Signalisierungsfeld zweimal wiederholt und die Leistung bestimmter Präambelfelder stark erhöht, wodurch die Empfängerempfindlichkeit um 3 dB verbessert wird. In DCM werden Daten in der unteren und oberen Hälfte der verfügbaren Unterträger dupliziert, um die Frequenzdiversifikation und frequenzselektive Kanäle zu verbessern. IEEE 802.11ax bietet diese Optionen für niedrigere MCS-Bestellungen, um die Leistung der Zellenkante zu verbessern. Die durch die Aufnahme dieser Optionen in 802.11bd erzielte Leistungsverbesserung wird in diesem Abschnitt erörtert.



Die Leistungssteigerung für 802.11bd bei Verwendung des erweiterten Bereichsmodus und von DCM ist in Abbildung 5 dargestellt. 802.11bd zeigt nach Aktivierung dieser Optionen eine Verstärkung von ~ 5 dB. Die spektrale Effizienz von NR-V2X mit MCS0 ist im Vergleich zu 802.11bd MCS0 2-mal geringer. Nach dem Einschalten von DCM verringerte sich die spektrale Effizienz von 802.11bd um das Zweifache und wurde gleich dem NR-V2X MCS0. Obwohl DCM und der erweiterte Bereich 802.11bd um 5 dB verbessern, benötigt der NR-V2X ein um 5 dB niedrigeres SNR, um die gleichen PER-Ergebnisse bei gleicher spektraler Effizienz zu erzielen. Da bei Verwendung von DCM die spektrale Effizienz um das 2-fache reduziert wird, können andere diversifizierte Optionen verwendet werden, um eine ähnliche Erhöhung zu erzielen, ohne die Kosten für eine reduzierte spektrale Effizienz wie STBC oder Diversifizierung des Signalempfangs (Empfangsdiversity) zu tragen.Bei der Diversifikation des Empfangs sind die Antennen weit genug voneinander entfernt, sodass die empfangenen Signale auf beiden Antennen eine unabhängige Dämpfung aufweisen. Somit können weitere Verbesserungen vorgenommen werden, um diese Optionen zu nutzen.

Fazit

In dieser Arbeit haben wir die Leistung der entwickelten V2X-Technologien in verschiedenen V2X-Szenarien auf ihre Zuverlässigkeit hin verglichen. Basierend auf den Ergebnissen wurde gezeigt, dass der NR-V2X weiter fortgeschritten ist als 802.11bd, hauptsächlich weil 802.11bd sehr anfällig für Doppler-Verschiebungen ist. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Verwendung von Midambles die 802.11bd-Leistung unter dem Einfluss hoher Doppler-Verschiebungen erheblich verbessert, vorausgesetzt, die Midambles-Periode ist viel kürzer als die Kanalkonnektivitätsperiode. Wir haben gezeigt, dass DCM und Extended Range Mode die Leistung von 802.11bd verbessern. Obwohl Midambles, Extended Range Preambles und DCMs die Möglichkeit gezeigt haben, die Zuverlässigkeit von 802.11bd zu verbessern, kann sie den NR-V2X aufgrund einer besseren Kanalschätzung aufgrund der hohen Dichte von DMRS immer noch nicht übertreffen.niedrigere Codierraten und DFT-s-OFDM. In Zukunft liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Entwicklung von Analysemethoden wie der PHY-Abstraktion, um die Vergleiche für andere Zielanwendungen und -szenarien zu erweitern.

Teil 3. Auf dem Markt erhältliche V2X-Geräte zum Testen

Zusammenfassung

Erstens stelle ich fest, dass es praktisch unmöglich ist, in Russland ein Gerät für Geld zu bestellen. Wenn Sie vorhaben, ein mit V2X 802.11p oder LTE-V2X kompatibles Gerät (ab 2000 Euro) zu kaufen, erwerben Entwickler und Händler fast nie eine Lizenz für den Import ihrer Produkte in Russland, sodass niemand weiß, was beim Zoll passieren kann. Wie viel Geld werden sie Ihnen beim Zoll abnehmen wollen, wie viel Klärung, Ausführung und andere Bürokratie können dauern. Somit ist es teuer, es kann ab 3 Monaten ohne Garantie über die Grenze erlaubt werden, alle Risiken gehen auf Sie über. Es gibt eine Option, ein solches Gerät bei einem russischen Importeur zu kaufen, aber in der Regel bestellen diese Unternehmen keine Einzelexemplare, da dies nicht rentabel ist. Wenn Sie dann nicht in großen Mengen kaufen, ist dies auch nicht Ihre Option. Es bleibt entweder übrig, Testgeräte an einer Adresse in der Europäischen Union zu bestellen und im Handgepäck in die Heimat zu tragen, oder direkt ins Lager zu gehen und das Gepäck wieder mitzunehmen.

Ich habe ein wenig über die verfügbaren V2X-Geräte auf dem Markt recherchiert. Test fehlgeschlagen, da für den Erwerb keine Mittel zur Verfügung standen. Und sie kosten ein bisschen. Unten ist, wie viel mehr.

Produkt

OBU

V2x Kommunikationsprozessoren

Halbleiterkomponenten sind einfacher und billiger zu kaufen als fertige Produkte. In diesem Fall müssen Sie die OBU jedoch mit Ihren eigenen Händen zusammenbauen, was schwierig ist.

Fazit

Wir begannen mit einem kurzen Überblick über vorhandene Technologien und einer Zusammenfassung der Spezifikationen. Danach kamen wir zu dem Schluss, dass 802.11p und LTE-V2X nicht von Forschungsinteresse sind, da sich die nächsten Generationen bereits in einem späten Stadium der Entwicklung von Spezifikationen befinden und das 5G NR-V2X nicht mit LTE-V2X kompatibel ist. Der nächste Teil war eine Übersetzung eines Modellvergleichs basierend auf den verfügbaren Spezifikationen der Standards 802.11bd und 5G NR-V2X. Der letzte Teil bietet einen kurzen Überblick über vorhandene Produkte, die auf 802.11p basieren. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung waren keine kommerziellen Produkte auf der Basis von 802.11bd oder 5G NR-V2X entwickelt worden und wurden nicht in die Überprüfung einbezogen.

Somit ist klar, dass der Markt für V2X-Geräte noch sehr jung und klein ist. Die bescheidene Verbreitung von V2X-Technologien ist meiner Meinung nach darauf zurückzuführen, dass erschwingliche kommerzielle Produkte nicht den hohen Anforderungen von Anwendungen mit geringer Latenz entsprechen. Bei Lösungen, die die Autonomie von Fahrzeugen deutlich erhöhen können, warten wir auf das explosive Wachstum des Marktes und das Eindringen der V2X-Technologie.