Advanced transmission techniques for vehicular communications

Abstract

Drahtlose Fahrzeugkommunikation ist die Schlüsseltechnologie für intelligente Transportsysteme (ITS). Die Umgebung in der sich die Fahrzeuge bewegen stellt eine Reihe von neuen Anforderungen, die mit heutigen drahtlosen Kommunikationssystemen noch nicht erfüllt werden können. Der Einsatz von mehreren Sende und/oder Empfangsantennen, sogenannte Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systeme, hat die erreichbare Leistung von drahtlosen Kommunikationssystemen erhöht. Die Integration von mehreren Antennen in Fahrzeugkommunikationssysteme scheint ein geeigneter Ansatz zu sein um die strikten Auflagen, wie z.B.<br />hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenzzeit, die an diese Systeme gestellt werden, zu erfüllen. Jedoch haben die Vorteile von Mehrantennensystemen ihren Preis und zwar in Form von zusätzlich benötigter Hardware und einem erhöhten Rechenaufwand speziell auf der Empfängerseite. Um die Stärken und die Schwächen von drahtloser Fahrzeugkommunikation mit mehreren Antennen zu eruieren ist ein hoher Aufwand in Form von ausgiebigen Feldstudien und/oder Simulationen erforderlich.<br />In dieser Arbeit wird der Aufbau eines modularen Testbed, im Folgenden V2X MIMO Testbed bezeichnet, welches aus handelsüblichen Hardwarekomponenten besteht, beschrieben. Die Aufgaben des Testbeds liegen in der Prüfung und Erprobung der MIMO Fahrzeugkommunikation. Die mit FPGAs und Digitalem Signalprozessor (DSP) aufgebaute Plattform wird in quasi Echtzeit betrieben, wobei quasi in diesem Fall bedeutet, dass die Signalverarbeitung im Basisband annähernd zeitgleich mit dem Eintreffen der Signale am Hochfrequenzempfangsmodul (RF) durchgeführt wird. Aufgrund einiger Hardwareeinschränkungen, insbesondere wegen der niedrigen Datenrate, ist eine Zwischenspeicherung der Daten erforderlich, was in Folge zu einer Verzögerung in der Verarbeitungsgeschwindigkeit führt.<br />Der entsprechende Standard für WAVE ist der IEEE 802.11p Standard, welcher auf den IEEE 802.11a WLAN Standard basiert. Die Bitübertragungsschicht (PHY) verwendet ein Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Kommunikationssysteme die diese Technologie verwenden reagieren sehr emppfndlich auf Zeit- und Frequenzverschiebungen, daher befasst sich ein großer Teil dieser Arbeit mit der Schätzung und Kompensation dieser Effekte. Basierend auf empirischen Experimenten wird, bezogen auf detektierte Datenpakete und die Paketerfolgsquote(FSR), eine verbesserte Leistung nachgewiesen, wenn mehrere Antennen in die Synchronisierung einbezogen werden. Neben der Zeit- und Frequenzsynchronisierung beeinflusst auch der Funkkanal die Funktionsweise von drahtlosen Kommunikationssystemen. Aus diesem Grund wird ein Schwerpunkt auf die Schätzverfahren gelegt, die ebendiese Beeinträchtigungen bekämpfen. Aufgrund der doppelten Selektivität (Zeit und Frequenz) des Funkkanals werden auch Algorithmen, die diese Veränderungen verfolgen, betrachtet. Der erzielbare Gewinn, bezogen auf die FSR oder Paketfehlerquote (FER), wird für verschiedene Szenarien und Parametereinstellungen analysiert. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse beruhen auf realen Messungen, die mittels zweier umfangreicher Messkampagnen auf einer Autobahn in Wien und Umgebung, Österreich, erhoben wurden. Im Zuge dieser Messkampagnen wurden verschiedene Szenarien, wie Fahrzeug-zu-Infrastruktur(V2I), Infrastruktur-Fahrzeug-zu-Fahrzeug (I2V2V), Fahrzeugzu-Fahrzeug (V2V), berücksichtigt. In den V2I und den I2V2V Szenarien wurde die Straßeneinheit (RSU) als unidirektionaler Sender betrieben. In allen Szenarien wurde das V2X MIMO Testbed als Bordeinheit (OBU) verwendet. In den V2V Szenarien wurde zwischen Sichtverbindung (LOS) und keine Sichtverbindung (NLOS) unterschieden. Des Weiteren wurden in den V2V Szenarien Messungen in einer sicherheitstechnisch relevanten Umgebung, nämlich in Tunnels, durchgeführt. Da die Implementierung bzw. Umsetzung eine zeitaufwändige Arbeit ist, wurde das V2X MIMO testbed in drei Schritten entwickelt. Der erste Umsetzungsschritt beinhalten nur die automatische Verstärkungskontrolle (AGC) und die Heruntertaktung (Downsampling) des empfangenen Signales. Im zweiten Schritt wird die Implementierung um ein Mehr-Antennen-Synchronisationsverfahren erweitert. Der dritte Schritt, die fertige Implementierung, umfasst einen Zwei-Antennen-Festkomma-Empfänger. Die nach jeder Umsetzungsphase erhaltenen Datenpakete und Leistungsergebnisse werden in einer Offine-Simulationsumgebung verwendet, um mehrere Algorithmen in verschiedenen Szenarien auf ihre Stärken und Schwächen zu testen.<br />Folglich kann das V2X MIMO testbed und sie Offine-Simulationsumgebung auch als ein Grundgerüst für weitere Analysen von von komplexeren leistungsstärkeren Sende- und Empfangsalgorithmen verwendet werden.<br />

Wireless vehicular communication is the key enabling technology for Intelligent Transport Systems (ITS). The vehicular environment imposes a set of new requirements that are significantly different from other current wireless communication systems. The use of multiple transmit and/or receive antennas, i.e. so-called Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, has increased the reachable performance of wireless communications systems. The integration of multiple antennas into vehicular communication systems seems to be an appropriate approach to meet the rigorous restrictions, e.g. high-reliability and low latency, in such systems. However, the advantages of multi-antenna systems come at the cost of additionally needed hardware and an increased computational complexity especially at the receiver end. To explore the strength and to identify weak points of multi-antenna wireless vehicular communication systems a lot of effort has to be invested in exhaustive Field-trials and/or simulations. In this thesis I describe the design of a modular testbed, and this is called the V2X MIMO testbed, and comprises of off-the-shelf hardware components for testing and experimentation of MIMO vehicular communication systems. The Field Programmable Gate Array (FPGA)- and Digital Signal Processor (DSP)-based platform is able to operate in quasi real-time. In this case quasi means that the baseband signal processing tasks are designed to be executed as fast as the signal arrives at the Radio Frequency (RF) frontend, but due to some hardware limitations, especially low data transfer rates, caching is needed and therefore latency is introduced.<br />The appropriate standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE), namely the IEEE 802.11p standard, is mainly based on the Wireless Local Area Network (WLAN) IEEE 802.11a standard. The IEEE 802.11p standard specifies a Physical Layer (PHY) based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Communication systems that use this technology are very sensitive to time and frequency offsets. Therefore, a main part of the thesis deals with the estimation and compensation of the aforementioned effects. Based on empirical experiments the improved system performance with respect to detected frames and the Frame Success Ratio (FSR) involving multiple-antennas into the synchronization process is demonstrated. Besides the time and frequency synchronization the wireless channel strongly influences the mode of operation of a wireless communication system. Thus, the focus is also on the performance of estimation methods to combat the effects introduced by the channel. Due to the double-selectivity (time and frequency) of the wireless channel the tracking algorithms are also considered. The achievable gain in terms of the FSR or Frame Error Ratio (FER) is analyzed for different scenarios and parameter settings. The results presented in this thesis are based on real-world measurements obtained through two extensive highway measurement campaigns in the vicinity of Vienna, Austria. Several different scenarios, divided into Vehicle-to-Infrastructure (V2I), Infrastructure-to-Vehicle-to- Vehicle (I2V2V), and Vehicle-to-Vehicle (V2V), are considered in these measurement campaigns. In the V2I and I2V2V scenario the Roadside Unit (RSU) acts as a broadcast transmitter. In all scenarios the V2X MIMO testbed was used as Onboard Unit (OBU). In the V2V scenarios the Line-of-Sight (LOS) and the Non-Line-of-Sight (NLOS) conditions were also distinguished. Furthermore, in the case of the V2V scenario the measurements were also considered in a very important safety-related ITS environment, the tunnel. Since the implementation is a time consuming task the V2X MIMO testbed was developed in three main implementation stages. The First implementation stage involves only the Automatic Gain Control (AGC) and downsampling. The second step extends the embedded implementation including a multi-antenna synchronization procedure. The third step, i.e the final implementation, offers a dual-antenna fixed-point receiver chain. The obtained data frames and performance results after each implementation stage are used in an offine simulation environment to apply several algorithms to identify their strengths and weaknesses in the different scenarios. As a result, the V2X MIMO testbed and the offine simulation environment can also be seen as a basic framework for further analysis of more sophisticated transmit and receive algorithms.<br />