The vehicular radio channel in the 5 GHz band

Abstract

In dieser Dissertation stelle ich eine Methodik zur Charakterisierung des zeitvarianten Fahrzeug-Funkkanals dar. Der Funkkanal ist Teil eines Kommunkationssystems, worauf man als Techniker keinen Einfluss hat. Darum muss er in einer Art und Weise charakterisiert werden, so dass Sender und Empfänger für spezifische Anwendungen entworfen werden können. Für so eine Charakterisierung haben wir zwei Fahrzeug-Funkkanal-Messkampagnen in Lund, Schweden durchgeführt. In beiden Messkampagnen verwendeten wir ein 4 × 4 Mehrfach-Eingabe Mehrfach-Ausgabe Kanalmessgerät (MIMO channel sounder) im 5 GHz Band. Im Allgemeinen kann der Funkkanal mittels drei Hauptphänomenen beschrieben werden, Streckendämpfung, großräumige Eigenschaften, d.h. Abschattung und kleinräumige Eigenschaften, welche ich mittels dem Konzept der lokalen Streufunktion (LSF) charakterisiere.<br />Es wurden Streckendämpfungsmodelle für vier verschiedene Umgebungen entwickelt: ländlich, Autobahn, städtisch und vorstädtisch. Für die ländliche Umgebung zeigte ein Zwei-Strahlen Modell die beste Übereinstimmung mit den Messungen. Die Streckendämpfung für die drei anderen Umgebungen ist mit einem klassischen Leistungs-Gesetz-Modell, mit einem Streckendämpfungsexponenten kleiner als 2, modelliert. Der Fahrzeug-Funkkanal ist stark zeitvariant, was sich in einer "nichtschwach- stationärer-unkorrelierter-Streuer" (non - wide sense stationary uncorrelated scatterer (WSSUS)) Eigenschaft widerspiegelt. Für die Beschreibung eines nicht-WSSUS Funkkanals verwende ich das Konzept der LSF, welche als zeit- und frequenzabhängige Streufunktion angesehen werden kann. In diesem Fall wird angenommen, dass der Funkkanal in einem begrenzten Bereich über die Zeit (Stationaritätszeit) und über die Frequenz (Stationaritätsbandbreite) die WSSUS Bedingungen einhält. Ich definiere und diskutiere die Methodik, um die LSF aus den Messdaten zu schätzen. Dabei beobachtete ich eine starke Abhängigkeit der Stationaritätszeit von der relativen Fahrtrichtung der Fahrzeuge zueinander - im Bereich zweistelliger Millisekunden für Fahrzeuge, welche in entgegengesetzter Richtung fahren und mehr als eine Sekunde für Fahrzeuge, welche im Konvoi fahren. Bei Untersuchungen des mittleren Verzögerungs-Leistungsdichte-Spektrums und des Doppler-Leistungsdichte-Spektrums beobachtete ich folgende signifikante Streuer: Verkehrsschilder, Lastkraftwagen, Brücken und Gebäude.<br />Neben den Kanalmessungen und der Kanalcharakterisierung haben wir eine Kommunikationssystem-Effizienz-Messkampagne in Tirol, Österreich durchgeführt. Als System verwendeten wir eine Prototyp-Implementation des derzeitigen Entwurfs der Norm IEEE 802.11p, welche voraussichtlich in naher Zukunft ratifiziert und in kommerzielle Fahrzeug-Kommunikationssysteme implementiert wird. Die Straßeneinheit (roadside unit (RSU)) wurde als Sender konfiguriert und die Bordeinheit (onboard unit (OBU)) als Empfänger. In unseren Fahrzeug-zu-Infrastruktur Messungen haben wir die Effizienz der physikalischen Schicht (physical layer (PHY)) der IEEE 802.11p Abwärtsstrecke im Rundfunk-Betrieb mit einer transparenten Medienzugriffssteuerung (medium access control (MAC)) (d.h. ohne Sendewiederholungen) untersucht. Diese Untersuchung der PHY in realen Szenarien ermöglicht uns Stärken für zukünftige PHY Verbesserungen für zuverlässige Verbindungen zu identifizieren. Es zeigte sich, dass die metallischen Stüzpfeiler der Signalbrücken, wo die RSU Antenne montiert war, zu einem unsymmetrischen Antennenrichtdiagramm und darum zu einem unsymmetrischen Sendegebiet führen. Dieser Einfluss muss bei der IEEE 802.11p Zellplanung berücksichtigt werden. Der Straßenverkehr auf den Fahrspuren zwischen der niedrigen RSU (1.8 m) und der OBU schattet die Verbindung zwischen ihnen ab und beeinflusst daher die Effizienz des IEEE 802.11p Systems stark. Die maximal erreichbare Sendereichweite der hohen RSU (7.1 m) beträgt ca. 700 m und wurde mit der kleinstmöglichen Datenrate von 3 Mbit/s erzielt. Diese Sendereichweite sinkt auf weniger als 100 m bei einer Datenrate von 27 Mbit/s. Für die niedrige RSU ist die maximal erreichbare Sendereichweite bis zu 900 m, schwankt aber stark mit dem Straßenverkehr. Das maximal korrekt empfangene Datenvolumen, wenn man an der RSU vorbeifährt, wurde bei niedrigen Datenraten von 4.5 Mbit/s, 6 Mbit/s und 9 Mbit/s erzielt, welche BPSK und QPSK Modulationsschemen verwenden.<br />

In this thesis I present a methodology, in order to characterize the time-variant vehicular radio channel. The radio channel is part of the communication system, which the engineer cannot influence. Therefore it has to be characterized in a way that the transmitters and receivers can be well designed, for specific applications. For this characterization we carried out two vehicular radio channel measurement campaigns in Lund, Sweden. In both campaigns we used a 4 × 4 multiple-input multiple-output channel sounder in the 5 GHz band. In general the radio channel can be described by the three main phenomena, pathloss, large-scale properties, i.e., shadowing, and small-scale properties, which I characterize by the concept of the Local Scattering Function (LSF). Pathloss models are developed for four different environments: rural, highway, urban, and suburban. For the rural environment a two-ray propagation model shows the best fit with the measurements. The pathloss for the other three environments is modeled via the classical power law model, with a pathloss exponent smaller than 2. The vehicular radio channel is highly time-variant, which is reflected in a non-Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering (WSSUS) behavior. For the description of non-WSSUS radio channels, I use the concept of the LSF, which can be understood as a time- and frequency variant scattering function. In this case the radio channel is assumed to be WSSUS for a limited region in the time domain (stationarity time) and frequency domain (stationarity bandwidth). I define and discuss the methodologies, in order to estimate the LSF from the measurement data. I observed a strong dependency of the stationarity time on the relative driving direction of the vehicles - in the range of double-digit milliseconds for vehicles driving in opposite directions and more than one second for vehicles driving in convoy. By investigations of the time-variant average power-delay profile and time-variant Doppler spectral density I observed that the most significant scatterers in vehicular environments are: traffic signs, trucks, bridges, and buildings.<br />Beside the channel measurements and characterization we carried out a communication system performance measurement campaign in Tyrol, Austria.<br />As system we used a prototype implementation of the draft standard IEEE 802.11p, which is expected to be soon ratified and implemented in commercial vehicular communication systems. The Roadside Unit (RSU) was configured as the transmitter and the Onboard Unit (OBU) as receiver. In our vehicle-to-infrastructure measurements we investigated the performance of the Physical Layer (PHY) of IEEE 802.11p downlink broadcast with a transparent medium access layer (i.e., without retransmissions). This investigation of the PHY in real-world scenarios allows us to identify strengths for future PHY improvements to enable dependable connectivity. It turned out that the metal pillars of the gantry, where the RSU antenna was mounted, lead to an unsymmetric antenna pattern and therefore to an unsymmetric coverage area. Such an influence has to be taken into account for a IEEE 802.11p site planning.<br />The road traffic on the lanes between the low RSU (1.8 m)and the OBU is shadowing the link between them and therefore strongly influences the performance of the IEEE 802.11p system. The maximum achievable coverage range at the high RSU (7.1 m) is about 700m and was achieved with the lowest possible data rate of 3 Mbit/s. This coverage range decreases to less then 100 m at a data rate of 27 Mbit/s. For the low RSU the maximum achievable coverage range was up to 900 m, but varied strongly with the road traffic. The maximum correct received data volume, driving by the RSU, was achieved at low data rates of 4.5 Mbit/s, 6 Mbit/s, and 9 Mbit/s, which are using BPSK and QPSK as modulation scheme.