Présentation et comparaison des technologies V2X

Résumé

V2X est le nom commun pour tous les types de communications entre véhicules. Considérez et comparez les spécifications disponibles, les modèles mathématiques, voyez quelles solutions commerciales existent dans ce domaine et comment les acheter en Russie. Commençons par un bref examen des normes V2X finies et émergentes (IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, 3GPP LTE-V2X, 3GPP 5G NR-V2X et même un peu de 3GPP 6G NR-V2X). La deuxième partie est une traduction de la comparaison de la fiabilité des modèles mathématiques IEEE 802.11bd et 3GPP 5G NR-V2X. La troisième partie est un aperçu des produits commerciaux pour V2X, processeurs et OBU.

Présentation

Glossaire

V2X - véhicule à tout communications
C-V2X - cellulaire V2X
DSRC - Communications dédiées à courte portée. Ceci est basé sur WIFI V2X
LOS - ligne de mire - ligne de mire
NLOS - hors ligne de vue - hors de la ligne de vue
ITS - Systèmes de transport intelligents
Midamble - utilisé dans les réseaux informatiques pour séparer le message d'en-tête des données, peut être un caractère ou un mot

Cas d'utilisation

Nous évaluerons les technologies V2X pour des scénarios de sécurité active et de conduite autonome, ce qui fait d'un temps de réponse court dans toutes les conditions environnementales le principal critère de qualité.

Les principaux scénarios:

• LOS sur une route de campagne
• LOS sur l'autoroute
• LOS dans la ville
• dans des conditions de trafic intense à l'intersection de la ville
• NLOS sur l'autoroute
• NLOS dans la ville
• Paiement du péage sans contact
• Règlement Carrefour

La motivation

Je suis ingénieur avec 10 ans d'expérience en informatique. Parmi ceux-ci, 3 (jusqu'en 2019), je testais dans une startup automobile. Mon projet de travail n'était pas lié à V2X. L'intérêt pour le sujet est venu après l'Automotive Testing Expo 2019, au cours de laquelle j'ai découvert le marché des appareils et applications V2X. Selon les estimations de Bloomberg, d' ici 2022, ce marché sera évalué à 1,2 milliard USD.

Partie 1. Présentation lyrique des spécifications V2X

DSRC

Les produits DSRC (communications dédiées à courte portée) existants sont conçus en utilisant la norme IEEE 802.11p.

Il s'agit du premier standard V2X publié en 2010 et basé sur le WLAN IEEE 802.11a. L'édition 802.11p, par rapport à 802.11a, introduit des changements aux niveaux OSI PHY et MAC pour améliorer les performances du WLAN classique pour communiquer avec des véhicules en mouvement rapide (jusqu'à 250 km / h). La prochaine version du WLAN IEEE 802.11bd, basée sur le WLAN IEEE 802.11ac et rétrocompatible avec 802.11p, est à un stade précoce. Il est prévu d'améliorer le travail dans un environnement à forte densité de sources de signaux, d'augmenter le débit à plus de 1 Gb / s, la capacité de travailler avec des signaux faibles d'une puissance de 3 dB pour augmenter le rayon d'action, l'aide à la détermination du positionnement, l'augmentation de la vitesse maximale relative à 500 km / h.

C-v2x

LTE-V2X est l'implémentation actuelle des spécifications du C-V2X. Le 5G NR-V2X est à un stade précoce.

Le développement des versions de la technologie cellulaire est coordonné par le 3GPP, le projet de partenariat de 3e génération, afin d'assurer, dans la mesure du possible, la compatibilité directe et en amont des versions des normes cellulaires entre elles. La compatibilité ascendante des normes cellulaires est même légalement révisée conformément à la directive de normalisation M / 453 de la Commission européenne et éventuellement à la directive STI 2010/40 / UE. 5G NR-V2X et LTE-V2X ne sont pas rétrocompatibles. Lors du développement de la nouvelle version, il a été considéré que le LTE-V2X n'avait pas un niveau de pénétration suffisant pour prendre en charge la compatibilité descendante. La version 8 de 3GPP, connue sous le nom de LTE, a été publiée le 3 décembre 2009 et a pris environ 3 ans à se développer. La version 3GPP 10 LTE-Advanced a été lancée en 2011, la version 3GPP 14 LTE-V2X - en 2014. La génération 5G commence par la version 15. La planification 3GGPP comporte des projets qui sont divisés en plus de 3 phases qui coïncident presque complètement avec les versions, les phases sont divisées en 3+ étapes. Dans chaque cas, une phase / libération avec un indice intermédiaire de 1, 2, 2+ est une spécification. L'index 3 signifie la mise en œuvre de normes au niveau physique. Les versions sont développées partiellement en parallèle - le développement de la prochaine commence avant la sortie de la précédente. Dans certains cas, l'étape 4 peut être ajoutée, qui concerne les spécifications des tests. Ainsi, selon la feuille de route 3GPP , le projet 5G est encore à un stade très précoce. Il est prévu de terminer le développement de la version 16 uniquement d'ici mars 2020. D'après l'expérience des versions 3G et 4G, on peut supposer qu'il est réaliste de s'attendre à une version 5G-NR prête à être déployée qui comprendra la version 17 du 3GPP, qui aura lieu à la fin de 2021.
Au stade de la R&D et du développement des spécifications, la norme dite 6G est en parallèle, qu'ils prévoient de déployer en 2030. Si la 6G n'est pas non plus rétrocompatible avec la 5G NR-V2X comme la 5G NR-V2X avec LTE-V2X, les organisations intéressées par l'introduction de nouvelles technologies C-V2X ignoreront probablement la 5G NR-V2X pour attendre la sortie de la 6G et fonctionner immédiatement. avec lui.

Les différences

La principale différence entre DSRC et C-V2X du point de vue de l'utilisation commerciale est que le DSRC en production est stable, testé, évolutif et évolutif de manière prévisible, mais pas le C-V2X. Les OEM et les développeurs de matériel peuvent planifier à long terme avec la technologie DSRC. Dans le même temps, le DSRC ne surpasse pas le C-V2X dans les spécifications techniques et est inférieur dans certains composants. Le problème avec LTE-V2X est que tous les tests nécessaires à une implémentation à grande échelle n'ont pas été passés, tels que les tests transfrontaliers et les tests inter-opérateurs. De plus, dans les versions 3GPP à partir de 16, la prise en charge de LTE-V2X n'est pas garantie. Ainsi, la comparaison de LTE-V2X et IEEE 802.11p n'est pas pertinente dans le cadre de l'arrêt du développement du support pour le premier.

Caractéristiques comparatives:



Les spécifications 6G sont très optimistes et sont plus susceptibles de faire de la publicité pour le battage médiatique.

Partie 2. Résultats des tests comparatifs de fiabilité de NR-V2X et IEEE 802.11bd de l'Université technique de Dresde en 2019 [TRADUCTION DE L'ANGLAIS]

Note du traducteur

La traduction n'est pas strictement mot pour mot. Les auto-répétitions ont été supprimées dans la mesure du possible et la grammaire a été simplifiée le cas échéant. Merci pour la rétroaction constructive.

Les auteurs

Waqar Anwar, Andreas Trasl, Norman Franchi et Gerhard Fettweis, président Vodafone Mobile Communications Systems, Université technique de Dresde, Allemagne

Annotation

Les communications ultra-fiables vous permettent de mettre en œuvre des scénarios complexes couvrant la conduite autonome et les applications critiques pour la sécurité. Les technologies de communication automobile modernes telles que IEEE 802.11p et LTE-V2V ne répondent pas aux exigences de fiabilité de ces scénarios. La prochaine génération de ces technologies est en cours de développement, capable de répondre à ces exigences. Cet article analyse la fiabilité estimée des technologies IEEE 802.bd et NR-V2X. Bien que la norme pour la couche physique ne soit pas encore disponible, nous avons utilisé les paramètres disponibles pour notre étude. Nous avons utilisé des simulations basées sur Monte Carlo pour analyser les performances de la couche physique de ces technologies dans divers scénarios V2V. L'un des principaux défis de la communication ultra-fiable est le décalage Doppler élevé dans les scénarios V2V. NR-V2X est montré pour surpasser IEEE 802.11bd en fiabilité en raison d'un meilleur traitement de décalage Doppler. Dans IEEE 802.11bd, un décalage Doppler élevé provoque des erreurs de paquet même avec un rapport signal / bruit SNR élevé. Par conséquent, diverses mesures pour améliorer les performances de l'IEEE 802.11bd lorsqu'il est exposé à un effet Doppler élevé sont discutées et discutées.

Les termes clés sont IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, LTE-V2X, NR-V2X, communication ultra-fiable.

Présentation

L'introduction porte sur les éléments suivants: en présence de radars, de lidars, de toutes sortes de caméras, nous avons également besoin d'appareils V2X pour des conditions de visibilité limitée (obstacles, conditions météorologiques, terrain), travailler à une plus grande distance et des scénarios de conduite autonome.

La première norme IEEE 802.11p V2X a été introduite en 2010 et était basée sur la norme LAN sans fil IEEE 802.11a. La révision de la norme 802.11p a introduit les niveaux PHY et MAC visant à améliorer les performances du WLAN pour les voitures. Une alternative à IEEE 802.11p est la norme LTE-V2X cellulaire V2X basée sur LTE, introduite par 3GPP en 2016. Les deux technologies conviennent aux scénarios d'utilisation de base, tels que les notifications de travaux routiers, les avertissements de freinage d'urgence, les données des feux de circulation, les notifications de véhicules spéciaux. IEEE et 3GPP travaillent sur la prochaine génération de technologie V2X avec prise en charge de scénarios plus complexes. La prochaine norme cellulaire V2X, basée sur la cinquième génération de systèmes de communications mobiles 5G, devrait être achevée en juin 2019 dans le cadre de la version 16, avec la désignation de lettre 5G NR, où NR signifie New Radio. D'où le nom NR-V2X.

Un groupe de travail appelé «IEEE 802.11 next generation V2X (NGV)» travaille sur la création de la norme IEEE 802.11bd, le successeur de 802.11p.

La comparaison et les tests, y compris sur le terrain, 802.11p et LTE-V2X, font l'objet de nombreuses publications [1] - [5]. Récemment, une comparaison des performances a été publiée en termes de débit, de latence et de fiabilité attendus des technologies NGV 802.11bd et NR-V2X [6] (les mêmes auteurs que ce document). Les scénarios tels que le régulateur de vitesse adaptatif coopératif ou les applications critiques pour la sécurité ont des exigences élevées sur les retards de changement de vitesse et la fiabilité des systèmes de communication. Il est particulièrement difficile d'atteindre la fiabilité des communications dans les automobiles en raison de la nature en évolution rapide de l'environnement des canaux de communication sans fil, ce qui conduit à une obsolescence rapide des données d'estimation des canaux. En plus du décalage Doppler élevé dans les scénarios V2X, le goulot d'étranglement devient une interférence inter-porteuse (ICI). Étant donné que le décalage Doppler est significativement différent dans différents scénarios, par exemple, le scénario Intracity Line-of-sight (LOS) est différent du scénario LOS sur la Route, une vérification distincte du travail dans ces scénarios est requise.

Dans ce travail, nous vérifions le niveau PHY des technologies V2X développées 802.11bd et NR-V2X pour le rapport des erreurs aux paquets transmis (taux d'erreur de paquet - PER). PER est souvent utilisé pour mesurer la fiabilité du récepteur. Notez que la fiabilité est importante car dans la plupart des cas, le relais ne peut pas être utilisé en raison d'exigences strictes de retard. Ce travail a démontré que des décalages Doppler élevés peuvent conduire à des erreurs de paquets à un rapport signal / bruit élevé (SNR) de 802.11bd. Cela est dû à une cote de canal obsolète associée à un fondu profond.

Pour améliorer l'estimation des canaux, utilisez des mots de synchronisation ou des midambules
pour éviter l'effet de saturation. Il est démontré que les midambles doivent être utilisés périodiquement proportionnellement à la vitesse du véhicule. Pour améliorer encore le 802.11bd dans les zones à faible SNR, nous suggérons d'utiliser des fonctionnalités définies dans IEEE 802.11ax, telles que le préambule à plage étendue et la modulation à double porteuse DCM. Enfin, les performances du 802.11bd après toutes ces améliorations ont été évaluées et comparées aux performances du NR-V2X.

Aperçu technologique

Dans cette section, vous trouverez une discussion et une comparaison des améliorations les plus probables des futures normes 802.11bd et NR-V2X avec leurs prédécesseurs.

IEEE 802.11bd

IEEE 802.11p a été introduit en 2010 en tant que révision de la norme 802.11. Depuis lors, plusieurs types d'implémentations de couche PHY pour les systèmes WLAN sont devenus disponibles et doivent être adaptés pour V2X. Vous pouvez vous attendre à ce que la prochaine norme 802.11bd soit basée sur les technologies WLAN existantes telles que IEEE 802.11ac et utilisera les configurations PHY disponibles.

Dans les dernières révisions 802.11, la bande passante au niveau PHY a été augmentée en raison de l'ordre de modulation plus élevé et des schémas de codage (MCS - Modulation Coding Scheme), des configurations plus large bande (plus de bande passante) utilisant l'agrégation de porteuses et la méthode de transfert de données à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) . La méthode de contrôle de parité à faible densité a été introduite, qui est plus efficace pour les charges utiles élevées, augmentant la vitesse et la fiabilité. La fiabilité a ensuite été améliorée par le codage par blocs spatio-temporels (STBC) ou DCM. STBC est une configuration d'antenne de diversité qui permet deux branches de diversité du côté de l'émetteur, où DCM est la diversité de fréquence, utilisez deux branches de diversité. De nombreux intervalles de temps de préfixes cycliques (CP) vous permettent de mettre en œuvre un scénario de choix spécifique pour empêcher les interférences intersymboles (ISI), rendant ainsi les normes 802.11 plus adaptées à un environnement extérieur. L'utilisation de midambles permet des estimations de canaux moins fréquentes à l'aide de midambles et vous permet de mieux faire face aux décalages Doppler élevés.

Une configuration de plage étendue est également disponible, ce qui accélère la synchronisation et l'estimation du canal, répète des champs spécifiques de signaux de préambule pour augmenter la plage et la fiabilité.

Selon le rapport d'autorisation de projet 802.11bd, les paramètres PHY suivants sont pris en compte:
Schéma de modulation de la porteuse: OFDM
Espacement des sous-porteuses: 156,25 kHz et 178,125 kHz.
Durées CP: 1,6 ms, 3,2 ms
Codage des canaux: LDPC
Taux le plus bas: MCS9 (⅚ 256-QAM)
Vitesse cible = 250 km / h
Méthode de récupération Doppler: midambules haute densité



La dérivation des valeurs numériques du tableau est montrée dans un travail précédent des mêmes auteurs.

NR-V2X

Le premier standard V2X cellulaire LTE-V2X a été complété par le 3GPP en 2016 dans la version 14. Des changements importants sont attendus avec le futur standard 5G NR, qui définit les nouveaux scénarios et exigences V2X. La version finale des spécifications devrait être terminée d'ici la fin de 2019 dans la version 16. Sur la base des paramètres possibles de la couche physique, nous supposons que le NR-V2X se concentrera sur la liaison montante NR (UL). Étant donné que les spécifications NR-UL sont déjà disponibles, vous pouvez concevoir un cadre pour simuler le NR-V2X.

La principale amélioration de la couche physique de NR UL par rapport à LTE est que les deux méthodes DFT-spread-OFDM et OFDM peuvent être utilisées pour la transmission de données. OFDM améliore l'efficacité du débit pour les opérations à large bande avec une complexité de mise en œuvre moindre, et convient donc mieux aux applications où un débit élevé est requis. Dans le cas d'appareils à petit budget où une efficacité énergétique élevée est requise, le DFT-s-OFDM est le meilleur choix en raison de son faible PARP (rapport puissance crête / moyenne). Une autre amélioration introduite dans NR est la numérologie OFDM évolutive, qui vous permet de choisir entre différents espacements de sous-porteuses de 15 kHz à 480 kHz. Avec cette numérologie, la durée des créneaux est comprise entre 1 ms et 0,031 ms. Contrairement à LTE, l'intervalle de temps de transmission minimum (TTI) dans NR est égal à la durée d'un créneau (durée d'un créneau). En plus de la communication à faible latence, une option de mini-slot est fournie pour la transmission de données en utilisant seulement 2, 4 ou 7 symboles OFDM sans limites de slot. La numérologie évolutive ainsi que les durées variables (CP) dans NR fournissent les exigences pour les applications et l'adaptabilité à un environnement spécifique.
NR propose également diverses options de signalisation de référence de démodulation (DMRS) pour une meilleure récupération des canaux pour les canaux sélectifs en fréquence et en temps. Étant donné que le codage des canaux a un impact significatif sur la fiabilité et le débit des communications sans fil, des techniques de codage plus efficaces et plus fiables ont été appliquées (adoptées à l'origine), par exemple, les codes turbo LTE ont été remplacés par des codes LDPC pour les canaux de données et des codes convolutionnels LTE remplacé par un contrôle de redondance cyclique (CRC) complété par des codes polaires pour la surveillance des canaux. De plus, NR a la possibilité d'utiliser le spectre des ondes millimétriques avec des fréquences supérieures à 24 GHz également avec des fréquences inférieures à 6 GHz. La largeur de canal maximale disponible pour l'utilisateur en NR est de 100 MHz pour les fréquences inférieures à 6 GHz et de 400 MHz pour la transmission de données dans le spectre millimétrique, ce qui est beaucoup plus élevé que la largeur de canal de 20 MHz disponible pour le LTE. Une plus grande largeur de canal permet des débits de données de crête plus élevés ou une densité de transmission plus élevée dans NR. Toutes les fonctionnalités ci-dessus rendent NR plus fiable, la bande passante du canal plus efficace et flexible.

Scénarios V2V et modèles de canaux

Un ensemble de modèles de canaux V2V présentés par l'équipe de test et d'évaluation des performances DSRC dédiée aux communications à courte portée 802.11. Les modèles de canaux ont été dérivés de trois campagnes de mesure menées par plusieurs organisations pour cinq scénarios V2V courants, comme le montre la figure 1. Ces modèles de canaux ont été utilisés par l'équipe de recherche 802.11bd pour évaluer les performances et sont la référence de base ) pour de nouvelles améliorations. Le profil de retard RMS mesuré et le Doppler de ces modèles de canal sont généralement présentés dans le tableau 2

Los dans le village

Ce modèle met en œuvre la communication entre deux véhicules dans un espace ouvert. En dehors de la ville, les communications LOS se produisent généralement en l'absence d'autres voitures, de grandes clôtures et de bâtiments. Ainsi, le profil de retard obtenu démontre la forte influence des composants LOS dans plusieurs composants multitrajets faibles et un décalage Doppler maximum de 490 Hz.

LOS s'approchant de véhicules dans la ville

En raison des bâtiments et de la haute densité des machines, de fortes réflexions et des évanouissements à trajets multiples sont observés. Les mesures montrent que les composants réfléchis de haute puissance ont une forte influence sur le signal, contrairement au scénario LOS en dehors de la ville.

NLOS City Crossroads

Considérez la communication entre deux voitures qui approchent à une intersection de la ville avec une visibilité limitée dans un flux en mouvement. Il y aura des bâtiments et des clôtures aux coins de l'intersection, ce qui entraînera des réflexions et de nombreux composants à chemins multiples. En raison de l'absence d'un composant LOS dominant et de petites différences dans la puissance des composants réfléchis, on peut s'attendre à une forte atténuation multi-passes.

Autoroute LOS

Ce scénario simule la communication entre deux machines se succédant sur un tronc à plusieurs voies. Malgré la densité de trafic élevée, les panneaux, les collines, les viaducs, la communication LOS est toujours possible, car il n'y a aucun obstacle physique entre les machines communicantes. Par rapport à d'autres scénarios, un décalage Doppler plus élevé peut être attendu en raison de la vitesse relative élevée entre les machines venant en sens inverse.

Autoroute NLOS

Ce scénario est similaire au scénario LOS, sauf que le camion bloque la visibilité entre les machines communicantes. Une forte dégradation et des changements dans la qualité du composé peuvent se produire, car, en raison du débit élevé, il n'y a pas d'objets fortement réfléchissants pendant une longue période de temps. Il s'agit du scénario le plus difficile parmi tous les éléments ci-dessus, car nous traitons de la communication NLOS, de l'atténuation multipasse et de l'atténuation rapide en raison du décalage Doppler élevé.

Évaluation des performances

Les calculs théoriques présentés dans le tableau 1 peuvent être utilisés pour comparer les technologies dans les débits de données et les retards disponibles. Ces valeurs ne peuvent être atteintes que si tous les paquets sont livrés, ce qui est impossible dans le monde physique. Ainsi, dans cette section, les performances des deux technologies sont évaluées en termes de PER pour les modèles de canaux V2V décrits précédemment. PER est défini comme le rapport des erreurs de transmission sur le nombre total de paquets transmis. Il s'agit d'une mesure générique utilisée pour évaluer les performances et la fiabilité du destinataire. Nous voulons savoir quelle technologie fonctionne de manière plus fiable dans différentes conditions. La fiabilité est également essentielle car le transfert de données n'est pas pris en charge dans la plupart des applications à faible latence. Malgré cela,NR décrit la capacité d'envoyer une demande de répétition automatique hybride (HARQ) pour améliorer la fiabilité. Nous ne considérons pas cette possibilité dans cet article en raison de la faible latence requise.

Pour comparer les performances de ces technologies, une implémentation à part entière de la fonctionnalité PHY du niveau de ces technologies dans MATLAB a été réalisée. Afin de simuler les effets d'atténuation rapide et de trajets multiples en plus du bruit gaussien blanc additif (AWGN), les modèles ci-dessus ont été construits en utilisant la distribution ricienne. Dans NR-V2X DMRS, le mappage de type A avec 3 symboles de référence supplémentaires est utilisé avec une longueur maximale = 1. En utilisant ce schéma, 24 symboles DMRS sont utilisés dans l'intervalle de temps (dans chaque symbole OFDM de 3 m tandis que dans la sous-porteuse alternative en fréquence). En raison de la densité élevée du DMRS, une meilleure estimation de canal est possible. D'autres paramètres pertinents utilisés dans la simulation sont présentés dans le tableau 3.



À titre de comparaison, deux combinaisons de modulation et de taux de codage ont été utilisées. Nous comparons l'option MCS la plus basse disponible (MCS0) dans les deux normes (par exemple, QPSK avec un taux de codage de 0,12 dans NR-V2X et ½ BPSK dans 802.11bd), ce qui détermine également la portée de la technologie. Pour une comparaison juste, nous les comparons également pour ½ 16QAM qui s'applique à MCS13 dans NR-V2X et MCS3 dans 802.11bd. Nous limitons notre analyse aux seuls MCS les plus pertinents pour atteindre une connectivité ultra-fiable. Pour vérifier le respect des exigences d'ultra-fiabilité, il est nécessaire de mesurer PER <10 ^ -5, ce qui est difficile à faire en simulation pour une durée limitée. Par conséquent, nos estimations sont limitées à PER = 10 ^ -3. Cependant, pour des PER inférieurs, les performances peuvent être prédites en étendant les graphiques obtenus.

Comparaison PER avec le MCS le plus bas

Dans la figure 2 (a), vous pouvez voir le graphique PER pour le MCS le plus bas (MCS0) pour les deux technologies et les modèles de canal V2X décrits ci-dessus. Étant donné que NR V2X et 802.11bd définissent différentes combinaisons de modulation de débit de codage, le débit de données maximal sera différent de celui indiqué dans le tableau 1.

On peut observer que le NR-V2X se comporte également bien dans tous les modèles de canal V2V et son PER a un léger effet avec divers profils de retard et décalages Doppler. Pour 802.11bd, les modifications PER dépendent fortement du type de canal. Le NR-V2X a un avantage de 9 dB par rapport à 802.11bd si vous comparez le PER similaire dans le scénario avec LOS suburbain et environ 10 dB dans le cas du scénario avec trafic venant en sens inverse. Dans tous les autres scénarios, le PER pour 802.11bd est obtenu dès que l'estimation du canal devient obsolète lors de la transmission du paquet. (au cours du paquet). Cette saturation se produit lorsque le rapport de la durée du paquet au temps de cohérence est supérieur ou égal à 1. Si la durée du paquet est supérieure au temps de cohérence du canal,L'estimation de canal n'est plus valide pour les caractères à la fin du paquet. L'effet de cette estimation de canal obsolète dépend de la profondeur d'atténuation actuelle. Si un fondu profond ne se produit pas, une petite déviation absolue de l'estimation du canal par rapport à sa valeur de référence peut être observée. En combinaison avec une atténuation profonde, cette déviation absolue conduit à une grande erreur relative, qui provoque alors des erreurs de transmission de paquets. Pour améliorer les performances dans les canaux à rythme rapide, vous pouvez utiliser les midambles, qui sont décrits ci-dessous. D'autres techniques peuvent être utilisées pour réduire la probabilité d'une atténuation profonde, comme la diversification.Si un fondu profond ne se produit pas, une petite déviation absolue de l'estimation du canal par rapport à sa valeur de référence peut être observée. En combinaison avec une atténuation profonde, cette déviation absolue conduit à une grande erreur relative, qui provoque alors des erreurs de transmission de paquets. Pour améliorer les performances dans les canaux à rythme rapide, vous pouvez utiliser les midambles, qui sont décrits ci-dessous. D'autres techniques peuvent être utilisées pour réduire la probabilité d'une atténuation profonde, comme la diversification.Si un fondu profond ne se produit pas, une petite déviation absolue de l'estimation du canal par rapport à sa valeur de référence peut être observée. En combinaison avec une atténuation profonde, cette déviation absolue conduit à une grande erreur relative, qui provoque alors des erreurs de transmission de paquets. Pour améliorer les performances dans les canaux à rythme rapide, vous pouvez utiliser les midambles, qui sont décrits ci-dessous. D'autres techniques peuvent être utilisées pour réduire la probabilité d'une atténuation profonde, comme la diversification.Pour améliorer les performances dans les canaux à rythme rapide, vous pouvez utiliser les midambles, qui sont décrits ci-dessous. D'autres techniques peuvent être utilisées pour réduire la probabilité d'une atténuation profonde, comme la diversification.Pour améliorer les performances dans les canaux à rythme rapide, vous pouvez utiliser les midambles, qui sont décrits ci-dessous. D'autres techniques peuvent être utilisées pour réduire la probabilité d'une atténuation profonde, comme la diversification.

Contrairement au 802.11bd, les DMRS sont intégrés dans les données d'estimation de canal du NR-V2X côté récepteur. De plus, le NR-V2X propose différentes configurations DMRS, en fonction du temps et de la fréquence de sélection des canaux, ce qui conduit à une meilleure estimation des canaux. Une autre raison des excellentes performances du NR-V2X est son taux de codage inférieur à celui du 802.11bd - 0,12 <0,5. Ainsi, lors de l'utilisation de MCS0, le NR-V2X peut atteindre une plus grande portée et fiabilité par rapport au 802.11bd.

PER comparaison avec ½ 16QAM

Dans un souci de comparaison objective des technologies, des taux de modulation et de codage égaux sont utilisés ici. La figure 2 (b) montre le PER atteint par les technologies avec ½ 16QAM dans différents modèles de canaux V2X. Bien que la différence entre NR-V2X et 802.11bd soit considérablement réduite par rapport à MCS0, le NR-V2X a un avantage de l'ordre de 3 dB par rapport à 802.11bd pour les scénarios d'intersection de banlieue LOS, autoroute LOS et ville NLOS. L'avantage dans le cas d'un scénario d'un modèle de canal LOS urbain venant en sens inverse n'est que de 1 dB, et lorsque le modèle d'autoroute NLOS est utilisé, le PER pour 802.11bd devient saturé en raison d'une mauvaise estimation du canal, comme indiqué précédemment. Les performances de 802.11bd avec ½ 16QAM sont bien meilleures par rapport à MCS0 pour les modèles de lignes réseau LOS, NLOS et NLOS.La raison de ces améliorations est une réduction de 4 fois de la durée des paquets, car le taux de transfert de données de pointe est 4 fois plus élevé lors de l'utilisation de ½ 16QAM par rapport à MCS0 (½ BPSK). Des durées de paquets réduites conduisent à de meilleures performances pour les estimations de canaux basées sur le préambule des canaux 802.11bd, car la relation entre la durée des paquets et le temps de cohérence est réduite. Si ce rapport est << 1, la saturation ne se produira pas. (aucune saturation ne se produira). Pour un scénario NLOS sur autoroute, ce rapport est supérieur à 1, puisque 50% du temps de coordination (souvent grossièrement considéré comme 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, ce qui est inférieur à la durée des paquets = 236ms.car le taux de transfert de données de pointe est 4 fois plus élevé lors de l'utilisation de ½ 16QAM par rapport à MCS0 (½ BPSK). Des longueurs de paquets réduites conduisent à des performances améliorées pour les estimations de canaux basées sur le préambule des canaux 802.11bd, car la relation entre la durée des paquets et le temps de cohérence est réduite. Si ce rapport est << 1, la saturation ne se produira pas. (aucune saturation ne se produira). Pour un scénario NLOS sur autoroute, ce rapport est supérieur à 1, puisque 50% du temps de coordination (souvent grossièrement considéré comme 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, ce qui est inférieur à la durée des paquets = 236ms.car le taux de transfert de données de pointe est 4 fois plus élevé lors de l'utilisation de ½ 16QAM par rapport à MCS0 (½ BPSK). Des durées de paquets réduites conduisent à de meilleures performances pour les estimations de canaux basées sur le préambule des canaux 802.11bd, car la relation entre la durée des paquets et le temps de cohérence est réduite. Si ce rapport est << 1, la saturation ne se produira pas. (aucune saturation ne se produira). Pour un scénario NLOS sur autoroute, ce ratio est supérieur à 1, puisque 50% du temps de coordination (souvent grossièrement considéré comme 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, ce qui est inférieur à la durée des paquets = 236ms.car la relation entre la durée du paquet et le temps de cohérence est réduite. Si ce rapport est << 1, la saturation ne se produira pas. (aucune saturation ne se produira). Pour un scénario NLOS sur autoroute, ce ratio est supérieur à 1, puisque 50% du temps de cohérence (souvent approximativement estimé à 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, ce qui est inférieur à la durée des paquets = 236ms.car la relation entre la durée du paquet et le temps de cohérence est réduite. Si ce rapport est << 1, la saturation ne se produira pas. (aucune saturation ne se produira). Pour un scénario NLOS sur autoroute, ce ratio est supérieur à 1, puisque 50% du temps de cohérence (souvent approximativement estimé à 9 / (16pi * f_d)) = 202ms, ce qui est inférieur à la durée des paquets = 236ms.

La raison des performances plus élevées du NR-V2X avec la même combinaison de paramètres environnementaux et de taux de codage réside à nouveau dans la meilleure estimation de canal et l'utilisation de DFT-s-OFDM. Le DFT-s-OFDM offre de meilleurs PER par rapport à l'OFDM pour l'évanouissement sélectif en fréquence, car les symboles de données sont répartis sur toute la largeur du canal.

Estimation des canaux pour différents décalages Doppler

Nous avons vu précédemment que les performances 802.11bd sont fortement influencées par le décalage Doppler et par les estimations de canal basées sur le préambule. Ainsi, afin d'améliorer les performances, vous pouvez envisager l'utilisation de midamble, où le symbole d'estimation de canal (connu sous le nom de midamble) est répété à l'intérieur des données pour obtenir l'estimation de canal actuelle, comme le montre la figure 4. La fréquence des midambles doit être adaptée en fonction de la vitesse relative des véhicules. Les midambles à basse fréquence entraîneront des erreurs d'estimation de canal, et les midambles à haute fréquence augmenteront la durée des paquets (inversement avec le débit de données). Pour évaluer la technologie sous l'influence d'un changement Doppler, nous avons choisi le scénario avec l'autoroute NLOS, qui est le pire des cas.Le profil du canal Doppler est mis à l'échelle pour trois décalages Doppler maximum égaux à 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz. Pour 802.11bd, supposons deux ensembles de paramètres - un ensemble sans midambles, le second avec midambles adaptatif.

Fréquence des midambles = 10, 5 et 3 symboles OFDM pour 250, 500 et 1000 Hz, respectivement. Avec ces paramètres, la fréquence des midambles est d'environ 90% du temps de connectivité pour les trois décalages Doppler.

La figure 3 (a) montre le PER pour MCS0 pour différents décalages Doppler. On peut voir que le NR-V2X est très fiable sous l'influence des décalages Doppler en raison de la haute densité de DMRS utilisée pour l'estimation des canaux et du taux de codage très faible. Bien que des décalages Doppler élevés provoquent également des ICI (interférences inter-porteuses), pour des SNR plus lents, les valeurs de bruit sont plus dominantes que ICI, donc cela n'a pas d'importance dans ce cas. Comme indiqué précédemment, les performances 802.11bd se dégradent avec l'augmentation des décalages Doppler en raison d'estimations de canaux obsolètes. L'utilisation de midambles adaptatifs améliore considérablement les performances de 802.11bd et aide à surmonter le niveau minimal d'erreurs d'estimation de canal, étant donné que la fréquence des midambles est considérablement plus longue que le temps de connectivité du canal. Bien que l'ajout de midambles supprime la saturation PER à 802.11bd, il y a toujours une différence de 10 dB par rapport au NR-V2X.

Une comparaison similaire est présentée sur la figure 3 (b) pour le cas avec ½ 16QAM. Encore une fois, il résulte des résultats présentés qu'une haute fiabilité de 802.11bd n'est possible que lors de l'utilisation de midambles. Même avec des taux de modulation de codage équivalents, le NR-V2X présente un avantage de plus de 1 dB pour tous les décalages Doppler. On peut voir que l'ICI devient de plus en plus visible aux SNR élevés. Ainsi, la différence de PER entre les technologies augmente pour différentes valeurs de décalages Doppler avec l'augmentation du SNR.

Effets DCM et option de plage étendue

Dans la sous-section précédente, nous avons montré que l'ajout de midambles peut améliorer considérablement les performances du 802.11bd. Il a encore besoin d'au moins un SNR de 10 dB pour atteindre un PER de 10 ^ -3 tandis qu'un NR-V2X peut atteindre le même objectif avec un SNR inférieur à 0 dB. À l'avenir, pour améliorer les performances du 802.11bd dans les zones à faible SNR et atteindre l'objectif d'augmenter la portée de 2 fois par rapport au 802.11p, vous pouvez adapter le mode de portée accrue et le DCM du 802.11ax. En utilisant le mode d'extension de plage, le champ de signalisation est répété deux fois et la puissance de certains champs du préambule est considérablement augmentée, ce qui améliore la sensibilité du récepteur de 3 dB. Dans DCM, les données sont dupliquées sur la moitié inférieure et supérieure des sous-porteuses disponibles pour améliorer la diversification des fréquences et les canaux sélectifs en fréquence. IEEE 802.11ax fournit ces options pour les ordres MCS inférieurs afin d'améliorer les performances de périphérie cellulaire. L'amélioration des performances obtenue en incluant ces options dans 802.11bd est le sujet de discussion dans cette section.



Le gain de performances pour 802.11bd lors de l'utilisation du mode de plage étendue et de DCM est illustré à la figure 5. Le 802.11bd affiche un gain de ~ 5 dB après avoir activé ces options. L'efficacité spectrale du NR-V2X avec MCS0 est 2 fois inférieure à celle du 802.11bd MCS0. Après avoir allumé DCM, l'efficacité spectrale du 802.11bd a diminué de 2 fois et est devenue égale au NR-V2X MCS0. Même si le DCM et la portée accrue améliorent le 802.11bd de 5 dB, le NR-V2X nécessite un SNR inférieur de 5 dB pour obtenir les mêmes résultats PER avec la même efficacité spectrale. Étant donné que lors de l'utilisation de DCM, l'efficacité spectrale est réduite de 2 fois, alors d'autres options diversifiées peuvent être utilisées pour obtenir une augmentation similaire sans le coût d'une efficacité spectrale réduite, comme le STBC ou la diversification de la réception du signal (réception de la diversité).Dans la diversification de la réception, les antennes sont placées suffisamment loin l'une de l'autre, de sorte que les signaux reçus sur les deux antennes présentent une atténuation indépendante. Ainsi, d'autres améliorations peuvent être apportées pour utiliser ces options.

Conclusion

Dans ce travail, nous avons comparé les performances des technologies V2X développées dans divers scénarios V2X pour la fiabilité. Sur la base des résultats, il a été démontré que le NR-V2X est plus avancé que le 802.11bd, en grande partie parce que le 802.11bd est très sujet aux décalages Doppler. De plus, nous avons montré que l'utilisation des midambles améliore considérablement les performances du 802.11bd sous l'influence de décalages Doppler élevés, à condition que la période des midambles soit bien inférieure à la période de connectivité des canaux. Nous avons montré que DCM et le mode plage étendue améliorent les performances 802.11bd. Bien que les midambles, les préambules à plage étendue et les DCM aient montré la possibilité d'améliorer la fiabilité du 802.11bd, il ne peut toujours pas battre le NR-V2X en raison d'une meilleure estimation de canal en raison de la haute densité du DMRS.taux de codage inférieurs et DFT-s-OFDM. À l'avenir, les travaux se concentreront sur la conception de méthodes analytiques, telles que l'abstraction PHY, pour étendre les comparaisons avec d'autres applications et scénarios cibles.

Partie 3. Dispositifs V2X disponibles pour les tests sur le marché

Résumé

Tout d'abord, je note qu'il est pratiquement impossible de commander un appareil en Russie pour de l'argent. Si vous envisagez d'acheter un appareil compatible V2X 802.11p ou compatible LTE-V2X (à partir de 2000 euros), tout d'abord, les développeurs et les distributeurs n'achètent presque jamais de licence pour importer leurs produits en Russie, donc personne ne sait ce qui peut se passer à la douane, combien d'argent ils voudront vous prendre aux douanes, combien de clarification, d'exécution et d'autres formalités administratives peuvent durer. Ainsi c'est cher, ça peut aller à partir de 3 mois sans garantie qu'il sera autorisé à traverser la frontière, tous les risques sont sur vous. Il existe une option pour acheter un tel appareil auprès d'une société importatrice russe, mais en règle générale, ces sociétés ne commandent pas d'exemplaires uniques, car ce n'est pas rentable, alors si vous n'allez pas acheter en vrac, ce n'est pas votre option non plus. Il reste soit à commander des appareils d'essai à une adresse dans l'Union européenne et à les transporter dans leur bagage à main jusqu'à leur pays d'origine, soit à se rendre directement à l'entrepôt et à transporter à nouveau des bagages.

J'ai fait quelques recherches sur les appareils V2X disponibles sur le marché. Échec du test en raison du manque de financement pour son acquisition. Et ils coûtent un peu. Voici combien plus.

Produit

OBU

Processeurs de communication V2x

Les composants semi-conducteurs sont plus faciles et moins chers à acheter que les produits finis. Mais dans ce cas, vous devez assembler l'OBU de vos propres mains, ce qui est difficile.

Conclusion

Nous avons commencé par un bref aperçu des technologies existantes, avec un résumé des spécifications. Après cela, nous avons conclu que 802.11p et LTE-V2X ne sont pas d'intérêt pour la recherche, car les générations futures sont déjà à un stade avancé de l'élaboration des spécifications et le 5G NR-V2X n'est pas compatible avec LTE-V2X. La partie suivante était une traduction d'une comparaison de modèles basée sur les spécifications disponibles des normes 802.11bd et 5G NR-V2X. La dernière partie fournit un bref aperçu des produits existants basés sur 802.11p. Au moment de la publication, il n'y avait aucun produit commercial créé sur la base de 802.11bd ou 5G NR-V2X, respectivement, ils n'étaient pas inclus dans la revue.

Ainsi, il est clair que le marché des appareils V2X est encore très jeune et petit. La pénétration modeste des technologies V2X à mon avis est due au fait que les produits commerciaux abordables ne répondent pas aux exigences élevées des applications à faible latence. En cas de solutions pouvant augmenter considérablement l'autonomie des véhicules, nous attendons la croissance explosive du marché et la pénétration de la technologie V2X.