Implementation of space-time codes in IEEE 802.11p-based systems

Abstract

Um die Sicherheit und Effizienz des heutigen Straßenverkehrs zu steigern, werden Funkverbindungen zwischen benachbarten Fahrzeugen und Access-Terminals, sogenannten Road Side Units, geschaffen. Dieses Kommunikationsnetzwerk erschafft die Infrastruktur um diverse Dienste zu ermöglichen. Hauptaugenmerk ist das Angebot von sicherheitstechnischen Diensten, welche die Verkehrssicherheit erhöhen. Solche Dienste betreffen unter anderem die Meldung von Unfällen, gefährlichen Straßenbedingung oder Staus. Andere hauptsächlich kommerzielle Dienste wie z.B. High-Speed Internet Access im Fahrzeug werden einerseits das Fahrvergnügen steigern als auch die Finanzierung der nötigen Infrastruktur erleichtern. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Kommunikationsprotokoll das diesem Netzwerk zugrundeliegt, IEEE 802.11p, und im Speziellen mit dem Physical Layer dieses Protokolls. Im Standard ist die Verwendung von einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne definiert. Sicherheitsspezifische Nachrichten die mit einer hohen Sicherheit übertragen werden müssen haben einen hohen Stellenwert. Für den Fall, dass keine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger auftritt, z.B. bei Abschattung durch ein weiteres Fahrzeug, verschlechtern sich die Bedingungen des Funkkanals beträchtlich. Die hohen Geschwindingkeiten der teilnehmenden Fahrzeuge erzeugen eine dopplerverschobene Mehrwegeausbreitung des Sendesignals, welches die Empfangsqualität zunehmend verschlechtert. Um jener Verschlechterung entgegenzuwirken wird in dieser Diplomarbeit der Einsatz von Mehrantennensystemen, sowohl auf Seite des Senders als auch des Empfängers vorgeschlagen. Um dieses erweiterte Antennensystem bestmöglichst auszunutzen, werden sogenannte Space-Time Codes angewendet um die Übertragungssicherheit und Datenrate zu erhöhen. Anhand eines Software Simulators wird das Verhalten dieser erweiterten Technik analysiert. Durch die Simulation von verschiedenen virtuellen Funkkanälen, die für Fahrzeug spezifische Netzwerke designt wurden, kann eine realistische Evaluierung dieser Techniken erfolgen.

Vehicular communication networks promise to reduce the number and severity of traffic accidents, as well as to provide the capabilities for high data rate information and entertainment systems in vehicular environments. Numerous research activities have been carried out in the past years to develop communication facilities needed for establishing Intelligent Transportation Systems (ITS). This thesis first of all provides an overview of vehicular communications protocol specifications developed by IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Performance and reliability of these specifications were investigated through MATLAB-based simulations.<br />Past research activities have shown some deficiencies of the underlying communication standard IEEE 802.11p regarding transmission reliability.<br />Vehicular communications opportunities provide a broad spectrum of safety-related applications. Especially for these issues, a high transmission reliability or robustness is essential. The transmission quality suffers from absence of continuous LOS (Line of Sight) wireless links between transmitter and receiver and time-variant channel conditions. In order to increase the transmission quality, the use of multi-antenna systems is suggested. This thesis provides an analysis of how the transmission reliability and performance can be increased by implementing MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) transmission schemes.<br />The utilization of multiple antennas at the transmitter requires the implementation of Space-Time Codes (STC). The investigated spatial coding schemes are Alamouti's space-time block code and the Golden Code.<br />In the fourth chapter, this thesis provides an evaluation of the above mentioned MIMO schemes in comparison with the pure IEEE 802.11p SISO (Single-Input Single-Output) communication standard. This comparison is performed with various wireless radio propagation channel models suitable for vehicular communications.