Обзор и сравнение V2X технологий

image

Summary


V2X — это общее название для всех видов коммуникаций между транспортными средствами. Рассмотрим и сравним доступные спецификации, математические модели, увидим какие существуют коммерческие решения в этой области и как их купить в России. Начнем с короткого обзора готовых и разрабатываемых стандартов V2X (IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, 3GPP LTE-V2X, 3GPP 5G NR-V2X и даже немного 3GPP 6G NR-V2X). Вторая часть — это перевод сравнения надежности математических моделей IEEE 802.11bd и 3GPP 5G NR-V2X. Третья часть — обзор коммерческих продуктов для V2X, процессоров и OBU.

Введение


Глоссарий


V2X — vehicle to everything communications
C-V2X — cellular V2X
DSRC — Dedicated Short-Range Communications. Это WIFI-based V2X
LOS — line of sight — линия видимости
NLOS — non line of sight — вне линии видимости
ITS — Intelligent Transport Systems
Midamble — используется в компьютерных сетях для отделения сообщения заголовка от данных, может представлять собой символ или слово

Сценарии использования


V2X технологии мы будем оценивать для сценариев активной безопасности и автономного вождения, что делает короткое время ответа в любых условиях среды основным критерием качества.

Основные сценарии:

  • LOS на загородной дороге
  • LOS на автомагистрали
  • LOS в городе
  • в условиях плотного трафика при пересечении перекрестка в городе
  • NLOS на автомагистрали
  • NLOS в городе
  • Бесконтактная оплата проезда на платной трассе
  • Регулирование проезда перекрестков

Мотивация


Я инженер с 10 годами опыта в IT. Из них 3 (до 2019) года я занимался тестированием в automotive стартапе. Мой рабочий проект не имел отношения к V2X. Интерес к теме появился после Automotive Testing Expo 2019, на которой я открыл для себя существование рынка V2X устройств и приложений. По оценкам Bloomberg к 2022 году этот рынок будет оцениваться в 1.2 млрд USD.

Часть 1. Лирический обзор спецификаций V2X


DSRC


Существующие продукты, работающие по DSRC (Dedicated Short-Range Communications), спроектированы с использованием стандарта IEEE 802.11p.

Это первый V2X стандарт, выпущенный в 2010 году и основанный на WLAN IEEE 802.11a. Редакция стандарта 802.11р, по сравнению с 802.11a, представляет изменения на PHY и MAC уровнях OSI для улучшения производительности классического WLAN для коммуникации быстро движущихся (до 250 км/ч) транспортных средств. На ранней стадии находится следующая версия WLAN IEEE 802.11bd, основанная на WLAN IEEE 802.11ac и обратно совместимой с 802.11p. Планируется улучшение работы в среде с большой плотностью источников сигнала, увеличение пропускной способности до более чем 1Гб/c, возможность работы со слабыми сигналами мощностью 3Дб для увеличения радиуса действия, поддержка определения позиционирования, увеличение относительной максимальной скорости до 500 км/ч.

C-V2X


LTE-V2X — текущая имплементация спецификаций для C-V2X. На ранней стадии находится 5G NR-V2X.

Разработку релизов сотовых технологий координирует 3GPP, 3rd Generation Partnership Project, для обеспечения, по возможности, прямой и обратной совместимости версий стандартов сотовой связи друг с другом. Обратная совместимость стандартов сотовой связи даже законодательно обзятальна согласно директиве Еврокомиссии по стандартизации M/453 и дополнительно ITS Directive 2010/40/EU. 5G NR-V2X и LTE-V2X не имеют обратной совместимости. При разработке нового релиза посчитали, что LTE-V2X не имеет достаточного уровня проникновения, чтобы поддерживать обратную совместимость. 3GPP релиз 8, известный как LTE, вышел в 3 декабря 2009 года и его разработка заняла примерно 3 года. 3GPP релиз 10 LTE-Advanced вышел в 2011 году, 3GPP релиз 14 LTE-V2X — в 2014. Поколение 5G начинается с 3GPP release 15. В релизном расписании 3GPP есть проекты, которые делятся на 3+ фазы, которые почти полностью совпадают с релизами, фазы делятся на 3+ стадии. В каждом случае фаза/релиз с промежуточным индексом 1, 2, 2+ — это спецификации. Индекс 3 означает имплементацию стандартов на физическом уровне. Релизы разрабатываются частично параллельно — разработка следующего начинается раньше релиза предыдущего. В некоторых случаях может быть добавлена стадия 4, которая относится к тестовым спецификациям. Таким образом, согласно 3GPP roadmap, проект 5G все еще на очень ранней стадии. Планируется завершить разработку релиза 16 только к марту 2020 года. По опыту релиза 3G и 4G, можно предположить, что реалистично ожидать готовый к выкатке релиз 5G-NR войдет 3GPP release 17, который случится в конце 2021 года.
На стадии R&D и разработки спецификаций параллельно находится так называемый стандарт 6G, который планируют выкатить в 2030 году. Если 6G также не имеет обратной совместимости с 5G NR-V2X как 5G NR-V2X с LTE-V2X, то, вероятно, организации, заинтересованные во внедрении новых C-V2X технологий, проигнорируют 5G NR-V2X, чтобы дождаться релиза 6G и работать сразу с ним.

Отличия


Главное отличие DSRC от C-V2X с точки зрения коммерческого использования в том, что DSRC в продакшене, стабилен, протестирован, эволюционно и предсказуемо развивается, а C-V2X — нет. OEM-провайдеры и разработчики оборудования могут планировать работу в DSRC технологиями на долгосрочной основе. При этом по техническим характеристикам DSRC не превосходит C-V2X, а в некоторых компонентах и уступает. Проблема с LTE-V2X в том, что не все, необходимые для масштабного внедрения, тесты пройдены, такие как кросс-граничные тесты и кросс-операторные. При этом в релизах 3GPP начиная с 16 и дальше, поддержка LTE-V2X не гарантируется. Таким образом, сравнение LTE-V2X и IEEE 802.11p не актуально в связи с прекращением развития поддержки первого.

Сравнительные характеристики:

image

6G спецификации очень оптимистичны и носят скорее рекламный характер ради хайпа.
Data rate
~ 1 Tbps
U-plane latency
< 0.1 ms
C-plane latency
< 1 ms
Mobility 1000 km/hr
DL spectral efficiency
100 bps/Hz
Operating frequency
up to 1 THz
Centre of gravity
service-centric
Capacity 3D (bps/Hz/m^3)
Channel size
10/20/40/60/80/100/...Mhz
Range < 10km

Часть 2. Результаты сравнительных тестов надежности NR-V2X и IEEE 802.11bd от Технического Университета Дрездена 2019 года [ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО]


Примечание переводчика


Перевод не является строго дословным. Были убраны самоповторы где можно и упрощена грамматика где уместно. Спасибо за конструктивную обратную связь.

Авторы


Waqar Anwar, Andreas Trasl, Norman Franchi и Gerhard Fettweis, Vodafone Chair Mobile Communications Systems, Технический Университет Дрездена, Герамания

Аннотация


Ультра-надежные коммуникации позволяют реализовать сложные сценарии, покрывающие автономное вождение и safety-critical приложения. Современные автомобильные коммуникационные технологии, такие как IEEE 802.11p и LTE-V2V не удовлетворяют требованиям надежности для этих сценариев. Разрабатывается следующее поколение этих технологий, способное приблизиться к этим требованиям. В этой работе анализируется расчетная надежность технологий IEEE 802.bd и NR-V2X. И хотя стандарт для физического уровня еще не доступен, мы использовали доступные параметры для нашего исследования. Мы использовали Monte Carlo based симуляции, чтобы анализировать производительность физического уровня этих технологий в различных V2V сценариях. Один главных вызовов (challenges) для ультра-надежной коммуникации является Высокое Допплеровское смещение (High Doppler shift) в V2V сценариях. Показано, что NR-V2X должны превзойти IEEE 802.11bd в надежности из-за лучшей обработки Доплеровского смещения. В IEEE 802.11bd высокое Доплеровское смещение вызывает ошибки пакетов даже при высоком показателе SNR — соотношении сигнала к шуму. Следовательно обсуждаются и рассматриваются различные меры по улучшению производительности IEEE 802.11bd при воздействием высокого Доплеровского эффекта.

Ключевые термины — IEEE 802.11p, IEEE 802.11bd, LTE-V2X, NR-V2X, Ultra-reliable communication.

Введение


Введение примерно о следующем: при наличии радаров, лидаров, всех видов камер, нам дополнительно нужны V2X устройства для условий ограниченной видимости (препятствия, погодные условия, рельеф), работы на большей дистанции и сценариев автономного вождения.

Первый V2X стандарт IEEE 802.11p был представлен в 2010 году и был основан на стандарте беспроводных локальных сетей WLAN IEEE 802.11a. Редакция стандарта 802.11р представил PHY и MAC уровнях, направленные на улучшения производительности WLAN для автомобилей. Альтернативой IEEE 802.11p является LTE-based сотовый V2X стандарт LTE-V2X, представленный 3GPP в 2016 году. Обе технологии подходят для базовых пользовательских сценариев, например уведомлениях о дорожных работах, предупреждении об экстренном торможении, данных со светофоров, уведомлениях о спецтранспорте. IEEE и 3GPP работают над следующим поколением V2X технологий с поддержкой более сложных сценариев. Ожидается что следующий сотовый V2X стандарт основанный на пятом поколении 5G мобильных коммуникационных систем будет закончен в июне 2019 года в рамках релиза 16, имеющий буквенное обозначение 5G NR, где NR значит New Radio. Отсюда название NR-V2X.

Над созданием стандарта IEEE 802.11bd, наследника 802.11p, трудится рабочая группа, названная “IEEE 802.11 next generation V2X (NGV)”.

Сравнению и тестированию, в том числе полевому, 802.11p и LTE-V2X, посвящено много публикаций [1]-[5]. Недавно было опубликовано сравнение производительности в плане ожидаемой пропускной способности, задержки и надежности NGV технологий 802.11bd и NR-V2X [6] (те же авторы что и этого документа). Такие сценарии как совместный адаптивный круиз контроль (cooperative adaptive cruise control) или критичные с точки зрения безопасности приложения имеют высокие требования задержки переключения коробки передач и надежности коммуникационных систем. Достижение надежности связи особенно сложно в автомобилях из-за быстро меняющейся природы среды беспроводного канала связи, что ведет к быстрому устареванию данных оценки канала (channel estimation). В дополнение к высокому Доплеровскому смещению в V2X сценариях, бутылочным горлышком становится intercarrier interference (ICI). Так как Доплеровское смещение существенно отличается в разных сценариях, например сценарий внутригородском Line-of-sight (LOS) отличается от сценария LOS на Трассе, требуется раздельная проверка работы в этих сценариях.

В этой работе мы проверяем работу PHY уровня разрабатываемых V2X технологий 802.11bd и NR-V2X на соотношение ошибок к переданным пакетам (packet error rate — PER). PER часто используется в измерении надежности получателя. Отметим, что надежность важна, потому что в большинстве случаев нельзя использовать ретрансляцию из-за строгих требований к задержке. В этой работе продемонстрировано, что высокие Доплеровские смещения могут приводить к ошибкам пакетов при высоком Signal to Noise Ratio (SNR) в 802.11bd. Это вызвано устаревшей оценкой канала в совокупности с глубокими угасаниями.

Для улучшения оценки канала (channel estimation), используются syncwords или midambles
для предотвращения эффекта насыщения. Показано, что midambles необходимо периодически использовать пропорционально скорости транспортного средства. Для дальнейшего улучшения 802.11bd в областях с низким SNR мы предлагаем использовать фичи, определенные в IEEE 802.11ax, такие как расширенная преамбула диапазона и двунесущую модуляцию (dual carrier modulation DCM). Наконец, производительность 802.11bd после всех этих улучшений оценена и сравнена с производительностью NR-V2X.

Обзор технологий


В этом разделе вы можете найти обсуждение и сравнение наиболее вероятных улучшений будущих стандартов 802.11bd и NR-V2X с их предшественниками.

IEEE 802.11bd

IEEE 802.11p был представлен в 2010 году как редакция стандарта 802.11. С тех пор стало доступно несколько видов реализации PHY уровня для WLAN систем, которые нужно адаптировать для V2X. Можно ожидать, что следующий стандарт 802.11bd будет основан на существующих WLAN технологиях например IEEE 802.11ac и будет использовать доступные PHY конфигурации.

В последних редакциях 802.11 пропускная способность на PHY уровне была увеличена за счет более высокого порядка модуляции и схем кодирования (MCS — Modulation Coding Scheme), более широкополосных конфигураций (more bandwidth), используя carrier aggregation и метод передачи данных multiple input multiple output (MIMO). Был представлен метод проверки четности с низкой плотностью Low Density Parity Check, что более эффективно на бОльших объемах полезных нагрузок, увеличивая скорость и надежность. Надежность была позднее улучшена за счет space time block coding (STBC) или DCM. STBC — конфигурация с разнесенными антеннами, позволяющая двум разнесенным веткам на стороне передатчика, где DCM является частотным разнесением, использовать две разнесенных ветки. Многочисленные cyclic prefixes (CP) временные отрезки позволяют реализовать сценарий конкретного выбора для предотвращения intersymbol interference (ISI), таким образом делая стандарты 802.11 более подходящими для наружной уличной среды (outdoor environment). Использование midambles позволяет реже выполнять channel estimations используя midambles, и позволяет лучше справляться с высокими Доплеровскими смещениями.

Доступна также конфигурация с увеличенным радиусом действия, которая ускоряет синхронизацию и channel estimation, повторяет конкретные поля сигналов преамбулы для увеличения радиуса действия и надежности.

Согласно 802.11bd project authorization report, рассматриваются следующие PHY параметры:
Carrier modulation scheme: OFDM
Subcarrier spacing: 156.25 kHz, и 178.125 kHz.
CP durations: 1.6ms, 3.2ms
Channel coding: LDPC
Lowest rate: MCS9 (⅚ 256-QAM)
Target speed = 250 km/h
Doppler recovery method: high density midambles

image

Вывод числовых значений из таблицы показан в предыдущей работе этих же авторов.

NR-V2X


Первый сотовый V2X стандарт LTE-V2X был завершен 3GPP в 2016 в релизе 14. Значительные изменения ожидаются с будущим стандартом 5G NR, в котором определены новые V2X сценарии и требования. Финальную версию спецификаций планируют закончить к концу 2019 в релизе 16. На основе возможных настроек физического уровня, мы предполагаем, что NR-V2X будет ориентироваться на NR uplink (UL). Так как NR-UL спецификации уже доступны, можно спроектировать фреймворк для симуляции NR-V2X.

Главное улучшение физического уровня NR UL по сравнению с LTE в том, что для передачи данных можно будет использовать DFT-spread-OFDM и OFDM оба метода. OFDM повышает эффективность пропускной способности (throughput efficiency) для широкополосных операций с более низкой сложностью имплементации (implementation complexity), и, таким образом более, подходящих для приложений, где требуется высокая пропускная способность. В случае низко-бюджетных устройств, где требуется высокая энергоэффективность, DFT-s-OFDM является лучшим выбором в силу своего низкого показателя PARP (peak-to-average power ratio). Другим улучшением представленным в NR стали масштабируемые OFDM numerologies, позволяющие выбирать между различным subcarrier spacing от 15кГц до 480 кГц. Совместно с этими нумерологиями, slot duration находится в диапазоне 1ms — 0.031ms. В отличие от LTE, минимальный интервал передачи данных (transmission time interval — TTI) в NR равен длительности одного слота (one slot duration). В дополнение к коммуникации с низкой задержкой, опция мини-слота предоставлена для передачи данных используя только 2, 4, или 7 OFDM символы без каких-либо границ слотов (slot boundaries). Масштабируемые нумерологии вместе с переменными CP длительностями (durations) в NR предоставляют требуемые для приложений и адаптированности к конкретной среде.
NR также предоставляет различные de-modulation ссылочные (reference) сигнальные (DMRS) опции для лучшего восстановления канала под частотно и временно выборочных (frequency and time selective) каналов. Так как кодирование каналов имеет значительное влияние на надежность и пропускную способность беспроводной связи, применены (в оригинале — adopted) более эффективные и надежные техники кодирования, например LTE турбо коды (turbo codes) заменены LDPC кодами для каналов данных и LTE сверточные коды (convolutional) заменены циклической проверкой избыточности (cyclic redundancy check — CRC) дополненной полярными кодами для контроля канала. Более того NR имеет возможность использовать миллиметровый волновой спектр с частотами выше 24 ГГц также с частотами ниже 6 ГГц. Максимальная ширина канала доступная пользователю в NR равна 100 МГц для частот ниже 6 ГГц и 400 Мгц для передачи данных в миллиметровом спектре, что намного выше чем ширина канала в 20 МГц, доступная для LTE. Большая ширина канала позволяет иметь либо более высокие пиковые значения скорости передачи данных, либо более высокую плотность передающих устройств в NR. Все вышеперечисленные фичи делают NR более надежным, пропускную способность канала более эффективной и гибкой.

V2V сценарии и модели каналов


image
Набор V2V моделей каналов представленный группой тестирования и оценки производительности 802.11 dedicated short range communications DSRC. Модели каналов получены на основе трех измерительных сессий (measurement campaigns), проведенных несколькими организациями для пяти общих V2V сценариев, как показано на fig 1. Эти модели каналов (channel models) были использованы исследовательской группой 802.11bd для оценки производительности и являются основой (base reference) для дальнейших улучшений. Измеренный профиль RMS задержек и Допплер этих моделей каналов был в общем приведен в Таблице 2

image

LOS в деревне


Эта модель реализует коммуникацию между двумя транспортными средствами на открытом пространстве. За пределами города LOS коммуникации в общем случае происходят в отсутствие других машин, больших заборов и зданий. Таким образом, полученный профиль задержек демонстрирует сильное влияния LOS компонент в несколькими слабыми многоходовыми (multipath) компонентами и максимальное Доплеровское смещение в 490 Гц.

LOS приближающиеся транспортные средства в городе


Из-за зданий и большой плотности машин, наблюдаются сильные отражения и многоходовое (multi-path) затухание (fading). Из измерений видно, что сильное влияние на сигнал оказывают отраженные компоненты высокой мощности в отличие от загородного LOS сценария.

NLOS городской перекресток


Рассмотрим коммуникацию между двумя приближающимися машинами на городском перекрестке с ограниченной видимостью в движущемся потоке. На углах перекрестка будут здания и заборы, что будет приводить к отражениям и многим многоходовым компонентам (multi-path components). Ввиду отсутствия доминирующей LOS компоненты а небольших отличий мощностей отраженных компонентов, можно ожидать сильное многоходовое затухание.

LOS Автомагистраль


Этот сценарий имитирует коммуникацию между двумя машинами, следующими друг за другом на многополосной магистрали. Несмотря на высокую плотность трафика, знаки, холмы, эстакады, LOS коммуникация все еще возможна, так как нет физических препятствий между коммуницирующими машинами. По сравнению с другими сценариями можно ожидать более высокое Доплеровское смещение из-за высокой относительной скорости между встречными машинами.

NLOS Автомагистраль


Этот сценарий похож на сценарий с LOS за исключением того, что грузовик блокирует видимость между коммуницирующими машинами. Могут возникнуть сильная деградация и изменения в качестве соединения, потому что, из-за высокой скорости потока, нет сильно отражающих объектов в течение длительного периода времени. Это самый сложный сценарий среди всех вышеперечисленных, так как мы имеем дело с NLOS коммуникацией, многоходовым затуханием и быстрое затухание из-за высокого Доплеровского смещения.

Оценка производительности


Теоретические вычисления, приведенные в Таблице 1, могут быть использованы для сравнения технологий в пределах доступных скоростей и задержек передачи данных. Эти значения могут быть достигнуты, только если доставлены все пакеты, что невозможно в физическом мире. Таким образом, в этом разделе производительность обоих технологий оценивается в терминах PER для ранее описанных V2V моделей каналов. PER определяется как отношение ошибок передачи к общему количеству переданных пакетов. Это обобщенный показатель, используемый для оценки производительности и надежности получателя. Мы хотим знать, какая технология работает надежнее в разных условиях. Надежность критична в том числе по причине того, что в большинстве приложений с низкой задержкой перепосылка данных не поддерживается. Несмотря на это, в NR описана возможность отправки гибридного автоматического повторного запроса (hybrid automatic repeat request — HARQ) для улучшения надежности. Мы не рассматриваем эту возможность в этой работе ввиду требования низкой задержки.

Чтобы сравнить производительность этих технологий, была выполнена полноценная имплементация функциональности PHY уровня этих технологий в MATLAB. Чтобы смоделировать быстрое затухание и многоходовые (multipath) эффекты в дополнение к аддитивному белому Гауссовому шуму (additive white Gaussian noise — AWGN), вышеописанные модели были сконструированы с использованием распределения Райса (Rician distribution). В NR-V2X DMRS маппинг типа А c 3 дополнительными референсными символами использованы с максимальной длиной = 1. Используя данную схему, 24 DMRS символы используются внутри временного отрезка (в каждом 3м OFDM символе во время в в альтернативном субносителе (subcarrier) в частоте). Из-за высокой плотности DMRS, возможна лучшая оценка канала (channel estimation). Другие релевантные параметры, использованные в симуляции показаны в Таблице 3.

image

Для сравнения использованы две комбинации модуляции и скорости кодирования. Мы сравниваем наиболее низкую доступную опцию MCS (MCS0) в обоих стандартах (например QPSK c 0.12 скоростью кодирования в NR-V2X и ½ BPSK в 802.11bd), что также определяет радиус действия технологии. Для честного сравнения мы так же сравниваем их для ½ 16QAM который относится к MCS13 в NR-V2X и MCS3 в 802.11bd. Мы ограничиваем наш анализ только двумя MCS, которые наиболее релевантны для достижения ультра-надежного соединения. Для проверки соответствия требованиям ультра-надежности необходимо измерить PER<10^-5, что сложно сделать в симуляции за ограниченное время. Таким образом наши оценки ограничены PER=10^-3. Тем не менее для более низких показателей PER производительность может быть спрогнозирована путем продления полученных графиков.

image

PER сравнение с самым низким MCS


На рисунке 2(а) можно видеть график PER для низшего MCS (MCS0) для обоих технологий и описанных выше V2X моделей каналов. Так как NR V2X и 802.11bd определяют разные комбинации модуляции скорости кодирования, максимальная скорость данных будет отличаться от представленной в Таблице 1.

Можно наблюдать, что NR-V2X ведет себя одинаково хорошо во всех V2V моделях каналов и ее PER имеет незначительное воздействие различными профилями задержки (delay profiles) и Доплеровскими смещениями. Для 802.11bd изменения PER сильно зависят от типа канала. NR-V2X имеет преимущество в 9Дб над 802.11bd, если сравнивать похожий PER в сценарии с загородным LOS и порядка 10Дб в случае сценария с городским встречным движением. Во всех остальных сценариях PER для 802.11bd насыщается (gets saturated), как только оценка канала (channel estimation) устаревает во время передачи пакета. (over the course of packet). Это насыщение происходит, когда отношение длительности пакета ко времени связности (coherence time) больше или равно 1. Если длительность пакета больше, чем время связности (coherence time) канала, оценка канала (channel estimation) больше не валидна для символов в конце пакета. Влияние этой устаревшей оценки каналов зависит от текущей глубины затухания. Если не происходит глубокого затухания (deep fade), можно наблюдать маленькое абсолютное отклонение оценки канала (channel estimation) от ее эталонного значения. В комбинации с глубоким затуханием, это абсолютное отклонение ведет к большой относительной ошибке, которая затем вызывает ошибки передачи пакетов. Чтобы улучшить производительность в быстро изменяющихся каналах, можно использовать midambles, которые рассмотрены ниже. Можно использовать и другие техники для снижения вероятности глубокого затухания, например диверсифицирование.

В отличие от 802.11bd, DMRS-ы встроены в данные для оценки канала в NR-V2X на стороне получателя. Более того, NR-V2X предоставляет различные конфигурации DMRS-ов, в зависимости от времени и частоты выбора канала, что ведет к лучшей оценке канала. Другая причина отличной производительности NR-V2X — это более низкая по сравнению с 802.11bd скорость кодирования — 0.12 < 0.5. Таким образом при использовании MCS0, NR-V2X может достичь большей дальности и надежности по сравнению с 802.11bd.

PER сравнение с ½ 16QAM


Ради объективного сравнения технологий, здесь использованы равные скорости модуляции и кодирования. Рисунок 2(b) показывает PER достигнутый технологиями с ½ 16QAM в разных V2X моделях каналов. Хотя разница между NR-V2X и 802.11bd значительно уменьшена по сравнению с MCS0, NR-V2X имеет преимущество порядка 3Дб по сравнению с 802.11bd для сценариев загородного LOS, автомагистрального LOS и городского перекрестка NLOS. Преимущество в случае сценария городской встречной LOS модели канала всего лишь 1Дб, и когда используется модель канала автомагистральная NLOS, PER для 802.11bd становится насыщенным ввиду плохой оценки канала (channel estimation), как показано ранее. Производительность 802.11bd c ½ 16QAM гораздо лучше по сравнениею с MCS0 для моделей каналов магистральной LOS, магистральной NLOS и городского перекрестка NLOS. Причина улучшений в уменьшенной в 4 раза продолжительности пакетов, так как пиковая скорость передачи данных в 4 раза выше при использовании ½ 16QAM по сравнениею с MCS0 (½ BPSK). Уменьшенная длительность пакетов приводит к улучшенной производительности для основанной на преамбуле оценке (preamble based channel estimations) каналов 802.11bd, так как уменьшено отношение между длительностью пакета и временем согласованности (coherence time). Если это отношение << 1, насыщение не наступит. (no saturation will occur). Для сценария с NLOS на автомагистрали это отношение больше 1, так как 50% времени согласованности (часто приближенно считается как 9/(16pi*f_d)) = 202ms, что меньше чем длительность пакетов = 236ms.

Причина более высоких показателей для NR-V2X с тем же сочетанием параметров внешней среды и скорости кодирования снова в лучшей оценке каналов (channel estimation) и использованию DFT-s-OFDM. DFT-s-OFDM предоставляют лучшие PER показатели по сравнению с OFDM для frequency selective fading с тех пор как символы данных распределены по всей ширине канала.

image
image

Оценка каналов при изменяющихся Доплеровских смещениях


В ранее мы видели, что производительность 802.11bd сильно подвержена влиянию Доплеровского смещения и с основанным на преамбулах оценках каналов. Таким образом, чтобы улучшить производительность, можно рассмотреть применение midamblе, где символ оценки канала (известный как midamble) повторяется внутри данных, чтобы получить текущую оценку канала, как показано на Рисунке 4. Периодичность midambles следует адаптировать согласно относительной скорости движения транспортных средств. Низкочастотные midambles приведут к ошибкам оценки каналов, а высокочастотные midambles повысят длительность пакетов (обратно пропорционально скорости передачи данных). Чтобы оценить технологии под воздействием изменяющегося Доплеровского смещения, мы выбрали сценарий с автомагистралью NLOS, который является худшим случаем. Доплеровский профиль канала масштабирован для трех максимальных Доплеровских сдвигов равных 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц. Для 802.11bd предположим два набора настроек — один набор без midambles, второй — с адаптивными midambles.

Периодичность midambles = 10, 5 и 3 OFDM символов для 250, 500 и 1000 Гц соответственно. С этими параметрами периодичность midambles примерно равна 90% от времени связности для всех трех Доплеровских смещений.

Рисунок 3(а) показывает PER для MCS0 для разных доплеровских сдвигов. Видно, что NR-V2X очень надежен под воздействием Доплеровских смещений из-за высокой плотности DMRS, используемых для оценки канала и очень низкой скорости кодирования. И хотя высокие Доплеровские смещения также вызывают ICI (Inter-carrier interference), для более медленных SNR значения шума более доминантны чем ICI, следовательно это не имеет значения в этом случае. Как показано ранее, производительность 802.11bd ухудшается с возрастающими Доплеровскими смещениями из-за устаревания оценок каналов. Использование адаптивных midambles сильно улучшает производительность 802.11bd и помогает преодолеть минимальный уровень ошибок оценки каналов, учитывая что периодичность midambles существенно больше чем время связности канала. Хотя добавление midambles убирает PER насыщение в 802.11bd, все еще наблюдается разница в 10Дб по сравнению с NR-V2X.

Похожее сравнение представлено на рисунке 3(b) для случая с ½ 16QAM. Снова из представленных результатов следует, что высокая надежность 802.11bd возможна только при использовании midambles. Даже с эквивалентными скоростями модуляции кодирования NR-V2X имеет более чем 1 Дб преимущество для всех Доплеровских смещений. Видно, что ICI становится все более заметной на высоких значениях SNR. Таким образом разница в PER между технологиями увеличивается для разных значений Доплеровских смещений с увеличением SNR.

Эффекты DCM и опция расширенной дальности


В предыдущей подсекции мы показали, что добавление midambles может существенно улучшить производительность 802.11bd. Ему все еще нужно как минимум 10Дб SNR чтобы достичь PER 10^-3 в то время как NR-V2X может достичь той же цели с SNR менее 0Дб. Чтобы в будущем улучшить производительность 802.11bd в областях с низким SNR и достичь цели увеличения дальности в 2 раза по сравнению с 802.11p, можно адаптировать режим увеличенной дальности и DCM из 802.11ax. Используя режим увеличенной дальности (range extension mode), сигнальное поле (signaling field) повторено дважды и мощность определенных полей преамбулы (preambula fields) сильно увеличены, что улучшает чувствительность получателя на 3Дб. В DCM данные дублируются на нижней и верхней половине доступных subcarriers для улучшения частотной диверсификации и частотно-избирательных каналов. IEEE 802.11ax предоставляет эти опции для нижних порядков MCS для улучшения производительности края ячеек (cell edge performance). Улучшение производительности, достигаемое за счет включения этих опций в 802.11bd является предметом обсуждения этой секции.

image

Прирост производительности для 802.11bd при использовании режима расширенной дальности и DCM показано на Рисунке 5. 802.11bd показывает ~ 5 Дб прирост после включения этих опций. Спектральная эффективность NR-V2X c MCS0 в 2 раза меньше в сравнению с 802.11bd MCS0. После включения DCM спектральная эффективность 802.11bd уменьшилась в 2 раза и стала равной NR-V2X MCS0. Даже хотя DCM и увеличение дальности улучшают показатели 802.11bd на 5Дб, NR-V2X требуется на 5Дб меньший SNR чтобы достичь тех же результатов PER c той же спектральной эффективностью. Так как при использовании DCM спектральная эффективность уменьшается в 2 раза, то и другие диверсифицированные опции можно использовать для достижения похожего прироста без затрат на уменьшенную спектральную эффективность, таких как STBC или диверсификация приема сигнала(receive diversity). При диверсификации приема, антенны помещаются достаточно далеко друг от друга, таким образом полученные сигналы на обоих антеннах показывают не связанные затухания. Таким образом могут сделаны дальнейшие улучшения для использования этих опций.

Заключение


В этой работе проведено сравнение производительности разрабатываемых технологий V2X в различных V2X сценариях на предмет надежности. Основываясь на результатах, было показано что NR-V2X совершенней 802.11bd, во многом потому что 802.11bd сильно подвержен доплеровским сдвигам. Более того мы показали что использование midambles значительно улучшает производительность 802.11bd под воздействием высоких Доплеровских смещений, при условии что период midambles сильно меньше периода связности канала. Мы показали, что DCM и режим расширенной дальности повышают производительность 802.11bd. Несмотря на то что midambles, преамбулы режима расширенной дальности и DCM показали возможность улучшения надежности 802.11bd, он все еще не может превзойти NR-V2X по причине лучшей оценке каналов из-за высокой плотности DMRS, более низких скоростях кодирования и DFT-s-OFDM. В будущем работа будет сфокусирована на проектировании аналитических методов, таких как PHY абстракция для расширения сравнения для других целевых приложений и сценариев.

Источники оригинала
[1] S. E. Carpenter and M. L. Sichitiu, “Analysis of packet loss in a large-scale DSRC field operational test,” in 2016 International Conference on Performance Evaluation and Modeling in Wired and Wireless Networks (PEMWN), Nov 2016, pp. 1–6.
[2] A. Bazzi, B. Masini, A. Zanella, and I. Thibault, “On the performance of IEEE 802.11p and LTE-V2V for the cooperative awareness of connected vehicles,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. PP, pp. 1–1, 09 2017.
[3] W. Anwar, K. Kulkarni, T. R. Augustin, N. Franchi, and G. Fettweis, “PHY abstraction techniques for IEEE 802.11p and LTEV2V: applications and analysis,” in 2018 IEEE Global Communications Conference, Abu Dhabi, United Arab Emirates, Dec. 2018.
[4] A. Bazzi, C. Campolo, B. M. Masini, A. Molinaro, A. Zanella, and A. O. Berthet, “Enhancing cooperative driving in IEEE 802.11 vehicular networks through full-duplex radios,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, no. 4, pp. 2402–2416, April 2018.
[5] X. Huang, D. Zhao, and H. Peng, “Empirical study of DSRC performance based on safety pilot model deployment data,” IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 18, pp. 2619–2628, Oct 2017.
[6] W. Anwar, N. Franchi, and G. Fettweis, “Performance evaluation of next generation V2X communication technologies: 5G NRV2V vs IEEE 802.11bd,” submitted to VTC fall 2019.
[7] R. Cao, H. Zhang, and P. Sharma, “Potential PHY Designs for NGV,” IEEE 802.11-19/0016r0, 01 2019.
[8] 3GPP: Initial Cellular V2X standard completed, [Accessed on] 27th Nov. 2016. [Online]. Available: www.3gpp.org/newsevents/3gppnews/1798v2x r14
[9] 3GPP, “Technical specification group services and system aspects; study on enhancement of 3GPP support for 5G V2X services,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Technical report (TR) 22.886, 09 2018, version 16.1.1.
[10] 3GPP, “NR; Study on Vehicle-to-Everything,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Technical Report (TR) 38.885, 11 2018, version 1.1.0.
[11] 3GPP, “NR; Physical layer procedures for data,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Technical Specification (TS) 38.214, 09 2018, version 15.3.0.
[12] M. Kahn, “IEEE 802.11 Regulatory SC DSRC Coexistence Tiger Team V2V Radio Channel Models,” IEEE 802.11-14/0259r0, Feb. 2014.
[13] 3GPP, “NR; Physical channels and modulation,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Technical Specification (TS) 38.211, 09 2018, version 15.3.0.
[14] T. S. Rappaport, Wireless communications: Principles and practice, 2nd ed. Prentice Hall, 2002.

Часть 3. V2X устройства доступные для тестирования на рынке


Summary


Во-первых отмечу что заказать устройство в россию практически не возможно ни за какие деньги. Если вы соберетесь покупать V2X 802.11p или LTE-V2X-совместимое устройство (от 2000 Евро), то во-первых, разработчики и дистрибьюторы почти никогда не покупают лицензию на импорт своей продукции в РФ, соответственно никто не знает что может произойти на таможне, сколько денег с вас захотят взять на таможне, сколько может продлиться выяснение, оформление и прочая бюрократия. Таким образом стоит это дорого, ехать это может от 3 месяцев без гарантии что это пустят через границу, все риски на вас. Есть вариант купить такое устройство у российской компании-импортера, но как правило такие компании не заказывают единичные экземпляры так как это не выгодно, то если вы не собираетесь закупиться оптом, это тоже не ваш вариант. Остается либо заказывать тестовые устройства на адрес в Евросоюзе и в ручной клади провозить это на родину, либо ехать непосредственно на склад и опять же ручная кладь.

Я провел небольшое исследование доступных V2X устройств на рынке. Протестировать не удалось за отсутствием финансирования на приобретение оных. А стоят они дороговато. Ниже подробнее какое сколько.

Продкуты



OBU
компания продукт цена комментарий
Cohda Wireless MK5 OBU
802.11p
1850 EU per kit
3400 EU SDK license

Поставка из Австралии. Ребята предупредили что у Австралии может быть ограничение на экспорт в РФ, что может затянуть доставку на несколько месяцев. Доставка в Европу займет до 2 недель, но для этого нужно иметь в Европе адрес куда доставлять. Иначе — ехать в Австралию.
Unex OBU-301E OBU based on CRATON2 processor
802.11p
1500 USD/unit FOB Taiwan без доставки но с SDK лицензией Снова проблемы с Таможней. В РФ не отправляют. Продукт будет доступен с 2020 года.
OBU-301U standalone OBU на основе процессора CRATON2
802.11p
Примерно такие же цены
Autotalks CRATON2 EVK — evaluation and development platform based on CRATON2 processor 802.11p Не удалось связаться, но порядок цен понятен. Неплохая коробочка. Практически plug-and-play.

  • Dual channel/diversity IEEE 802.11p and C-V2X direct communications (PC5) Rel. 14 / Rel. 15 mobility optimized modems
  • IEEE 802.11a/b/g/n/ac operation at 2.4GHz / 5GHz, up to 433 Mbps
  • Concurrent 802.11p/WLAN connectivity
  • Line-rate ECDSA and V2X-embedded HSM (Hardware Security Module)
  • AEC Q-100 grade 2 (-40°C to +105°C ambient operation)
  • Minimal thermal constraints due to high-temperature manufacturing process
  • Integrated dual-core ARM Cortex A7 application CPU
  • Secure CAN MCU option with CAN FD and FlexRay interfaces
  • Rich array of interfaces, including USB 2.0, Ethernet 10/100/1000 AVB
  • Pre-integrated software


V2X communication processors

Приобрести полупроводниковые компоненты легче и дешевле, чем готовые продукты. Но в этом случае придется собирать OBU собственными руками, что сложно.

компания продукт цена комментарий
NXP SAF5100
IEEE 802.11p
~ 20$ за процессор без доставки Только оптовые заказы от 100 штук
SAF5400

IEEE 802.11p
Только оптовые заказы от 100 штук
TEF5100

IEEE 802.11p
Только оптовые заказы от 100 штук
Ublox VERA-P1
IEEE 802.11p
Не продает в Россию, по их словам, из-за Российских таможенных ограничений.
Redpine signals RS9116 Wi-Fi SoCs and Modules
IEEE 802.11p
Autotalks (Hyundai funded) CRATON2 802.11p

Заключение


Начали с краткого обзора существующих технологий, с summary спецификаций. После него мы сделали вывод, что исследовательского интереса 802.11p и LTE-V2X не представляют, так как следующие поколения уже находятся поздней стадии разработки спецификаций а 5G NR-V2X не совместим с LTE-V2X. В следующей части был приведен перевод сравнения моделей на базе доступных спецификаций стандартов 802.11bd и 5G NR-V2X. В последней части приведен краткий обзор существующих продуктов на основе 802.11p. На момент публикации не существовало коммерческих продуктов, созданных на основе 802.11bd или 5G NR-V2X в, соответственно они в обзор не вошли.

Таким образом, видно, что рынок V2X устройств все еще очень молодой и небольшой. Скромное проникновение V2X технологий на мой взгляд связано в том числе с тем, что доступные коммерческие продукты не удовлетворяют высоким требованиям low-latency приложений. В случае появления решений, которые смогут значительно повысить автономность транспортных средств, нас ждет взрывной рост рынка и проникновения технологий V2X.

Список источников
  1. Technology and Industry Development of Connected and Automated Vehicles by Yu Rundong, Technology and Standards Research Institute, CAICT
  2. 2018-9-14
  3. V2X Functional and Performance Test Report; Test Procedures and Results by 5GAA Automotive Association 2019
  4. A Speculative Study on 6G, Faisal Tariq, Member, IEEE, Muhammad R. A. Khandaker, Senior Member, IEEE, Kai-Kit Wong, Fellow, IEEE, Muhammad Imran, Senior Member, IEEE, Mehdi Bennis, Senior Member, IEEE, and Me ́rouane Debbah, Fellow, IEEE
  5. Application-Oriented Performance Comparison of 802.11p and LTE-V in a V2V Communication System by Mengkai Shi and Chang Lu, SINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY ISSNll1007-0214 01/11 pp123–133 DOI: 10.26599/TST.2018.9010075 Volume 24, Number 2, April 2019
  6. On the Reliability of NR-V2X and IEEE 802.11bd by Waqar Anwar, Andreas Traßl, Norman Franchi and Gerhard Fettweis Vodafone Chair Mobile Communications Systems, Technische Universita ̈t Dresden, Germany {waqar.anwar, andreas.trassl, norman.franchi, gerhard.fettweis}@tu-dresden.de, September 2019
  7. U-NII-4-TO-DSRC EMC TEST AND MEASUREMENT PLAN PHASE I: FCC LABORATORY TESTS
  8. ET Docket No. 13-49, October 7, 2016
  9. Ready to roll: Why 802.11p beats LTE and 5G for V2x A white paper by NXP Semiconductors, Cohda Wireless, and Siemens 2016
  10. C-ITS: Three observations on LTE-V2X and ETSI ITS-G5—A comparison by Andrew Turley, Kees Moerman, Alessio Filippi, Vincent Martinez 2018
  11. Physical Layer Evaluation of V2X Communications Technologies: 5G NR-V2X, LTE-V2X, IEEE 802.11bd, and IEEE 802.11p by Waqar Anwar, Norman Franchi, and Gerhard Fettweis Vodafone Chair Mobile Communications Systems, Technische Universita ̈t Dresden, Germany {waqar.anwar, norman.franchi, gerhard.fettweis}@tu-dresden.de, September 2019
  12. V2X Technology Benchmark Testing by 5GAA Automotive Association, September 2018

  • +13
  • 1,5k
  • 3
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 3

    0

    Всякие модули и отладки с этими модулями прекрасно доставляются в Россию. Либо бесплатно, либо в аренду на неопределённый срок, главное желание проявить.
    Как-то с полгода назад заходили представители компании, что изготавливают модемные модули, и c-v2x у них уже были. Бери и делай.
    Другое дело, что это для компаний, а не для простых смертных, но так и должно быть.

      0
      Можно конкретнее — какие именно модули, кем поставляются с явками и паролями. Я бы поэкспериментировал

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

Самое читаемое