Assessing the link-level performance of V2X communication technologies

Abstract

The exchange of information between vehicles can significantly reduce the risk of collisions and allow cars to share critical information about traffic and hazards. Ensuring the reliability of this communication is vital to prevent delays that could compromise safety or efficiency in unpredictable traffic scenarios. The Vehicle-to-Everything (V2X) technology represents a significant advancement for communication between vehicles and their surroundings and is a key element for the future of mobility and safe interaction in road traffic. V2X allows vehicles to exchange information in real-time to avoid collisions and optimize traffic flow. Cellular-V2X (C-V2X) extends these capabilities by building on established mobile network standards such as LTE and 5G, which enable fast, reliable, and low-latency communication. LTE serves as the basis for C- V2X, while 5G provides significantly improved performance in terms of bandwidth and latency, which are crucial for future applications in autonomous driving and vehicle networking. In this context, link level performance plays a central role as it represents the physical foundation of communication and thus determines the efficiency and reli- ability of the system.This thesis comparatively analyses the link-level performance of IEEE 802.11p, LTE, and 5G for V2X communication. Using the Vienna Cellular Communications Simulator (VCCS), these communication standards are simulated in MATLAB for the vehicular environment. This involves simulating the throughput and the packet error rate (PER), which provides a way to model dynamic conditions for V2X, such as vehicle movement or signal attenuation caused by buildings or other vehicles.Furthermore, the key results of the simulations are validated through a test setup. This measurement-based verification contributes significantly to the practical applicability of the simulation results. For the simulations and measurements, different modulation and coding schemes (MCS) are used. Moreover, the transmission behaviour of these communication standards is determined by varying the SNR for different scenarios. Finally, the results are summarized, showing that the simulations could be reliably validated through the measurements.

Der Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen kann das Kollisionsrisiko erheblich senken und ermöglicht Fahrzeugen, wichtige Informationen über Verkehr und Gefahren auszutauschen. Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit dieser Kommunikation ist von entscheidender Bedeutung, um Verzögerungen zu vermeiden, die die Sicherheit oder Effizienz in schwierigen Verkehrsszenarien beeinträchtigen könnten. Die Vehicle to Everything (V2X) Technologie stellt einen wesentlichen Fortschritt für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und ihrer Umgebung dar und ist ein Schlüsselelement für die Zukunft der Mobilität und der sicheren Interaktion im Straßenverkehr. V2X ermöglicht es Fahrzeugen, in Echtzeit Informationen auszutauschen, um Kollisionen zu vermeiden und den Verkehrsfluss zu optimieren. Cellular-V2X (C-V2X) erweitert diese Möglichkeiten, indem es auf etablierten Mobilfunkstandards wie LTE und 5G aufbaut, die eine schnelle, zuverlässige und latenzarme Kommunikation ermöglichen. LTE stellt die Grundlage für C-V2X dar, während 5G eine deutlich verbesserte Leistung in Bezug auf Bandbreite und Latenz bietet, die für zukünftige Anwendungen im Bereich autonomes Fahren und Fahrzeugvernetzung entscheidend sind. In diesem Zusammenhang spielt die "Link Level Performance" eine zentrale Rolle, da sie die physikalische Grundlage der Kommunikation darstellt und somit die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Link Level Performance von IEEE 802.11p, LTE und 5G für V2X untersucht. Mithilfe des Vienna Cellular Communications Simulators (VCCS) werden diese Kommunikationsstandards in MATLAB simuliert. Dabei werden der Durchsatz und die Paketfehlerrate (PER) simuliert, was eine Möglichkeit bietet, dynamische Bedingungen wie zum Beispiel Fahrzeugbewegungen oder Signaldämpfungen durch Gebäude oder andere Fahrzeuge für V2X zu modellieren. Darüber hinaus werden die wichtigsten Ergebnisse der Simulationen durch einen Testaufbau messtechnisch validiert. Durch diese messtechnische Überprüfung wird ein entscheidender Beitrag zur Praxistauglichkeit der Simulationsergebnisse geleistet. Hierzu werden für die Simulationen und die Messungen verschiedene Modulations- und Codierungsmethoden verwendet. Darüber hinaus wird das Übertragungsverhalten dieser Kommunikationsstandards durch Variieren des SNR für verschiedene Szenarien ermittelt. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst, die belegen, dass die Simulationen messtechnisch verlässlich validiert werden konnten.