Vehicular connectivity based on millimeter wave orthogonal time frequency space modulation

Abstract

Die Weiterentwicklung intelligenter Verkehrssysteme (ITS) hängt stark mit der Entwicklung zuverlässiger und effizienter Fahrzeugkommunikationstechnologien zusammen. Die Standardisierungsbemühungen in diesem Bereich werden in erster Linie von zwei Organisationen vorangetrieben: 3GPP, das zellulare Lösungen entwickelt, und IEEE, das sich auf dedizierte Standards für Fahrzeugkommunikation fokussiert. Neue Standards beider Institutionen – 5G New Radio (NR) von 3GPP und IEEE 802.11bd – führen eine Reihe von Innovationen ein, darunter die Unterstützung der Kommunikation im Millimeterwellenfrequenzbereich (mmWave), wodurch deut- lich höhere Bandbreiten ermöglicht werden. Beide Standards behalten jedoch Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) als Modulationsschema bei. Obwohl OFDM in statischen Umgebungen durch Einfachheit und Effizienz überzeugt, zeigt es in Umgebungen mit hoher Mobilität, wie sie in der Fahrzeugkommunikation auftreten, deutliche Schwächen. Als vielversprechende Alternative wurde die Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) Modulation vorgeschlagen, die Symbole im Verzögerungs-Dopplerbereich plaziert. Bei OTFS werden die Informationssymbole über den gesamten Zeit-Frequenz Raum übertragen, wodurch die Kanaldiversitäteffizient genutzt und die Übertragungsqualität, insbesondere in mobilen Szenarien, verbessert wird. Diese Dissertation untersucht die Anwendbarkeit von OTFSin realistischen mmWave Fahrzeugkommunikationsszenarien. Zunächst analysiere ich die Systemqualität anhand von gemessenen 60 GHz Fahrzeugkanälen, die über dedizierte Kanalschätzsequenzen gewonnen wurden. Die simulierten Bitfehlerraten (BER) belegen die Vorteile von OTFS im Vergleich zu OFDM. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Gewinne sowohl von den Kanaleigenschaften als auch von der Parametrisierung des OTFS Symbolblocks abhängen. Angesichts der hohen Kosten und Komplexität von Kanalmessungen untersucht meine Studie weiterhin den Einsatz von Raytracing (RT) basierten Simulationen zur Emulation verschiedener Kanalbedingungen. Um den RT Ansatz zu validieren, modelliere ich das in den Messungen vorliegende Szenario und untersuche, wie sich Unterschiede zwischen dem RT Kanal und den tatsächlichen Kanalbedingungen auf das OTFS System auswirken. Abschließend verwende ich ein 3GPP Fahrzeugkanalmodell, um die Auswirkungen der OTFS Symbolparametrisierung und der Doppler Streuung auf die OTFS Signalqualität zu untersuchen. Dabei analysiere ich, wie sich diese Faktoren auf den genutzten Diversitätsgewinn und die daraus resultierende OTFS Signalqualität auswirken.Diese Arbeit zeigt die Abhängigkeit der OTFS Leistung von den Eigenschaften des physikalischen Funkkanals und dem Design des OTFS Symbolblocks. Da der Millimeterwellenbereich noch wenig erforscht ist, liegen bisher nur unvollständige Kanalcharakterisierungen vor. Einer der wichtigsten Parameter bei der Entwicklung eines OTFS Systems für Fahrzeugszenarien ist die Kanalstationarität, die durch die Dynamik der Streuungsumgebung begrenzt ist. Die Mobilität der Nutzer führt zu schnellen Schwankungen der Kanaleigenschaften. Dies führt dazu, dass der Kanal nicht länger als stationär betrachtet werden kann, sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich und schränkt dadurch die maximal mögliche Größe des OTFS Symbolblocks ein. Um die mögliche Größe des Symbolblocks zu ermitteln, untersuche ich die Kanalstationarität anhand gemessener Fahrzeugkanäle im 60 GHz Frequenzband und liefere erste Einblicke in das Stationaritätsverhalten von Millimeterwellen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine ausgeprägte Sichtverbindung die Stationaritätszeit erheblich verlängert. Um die Parameter, die die Stationarität beeinflussen, weiter zu untersuchen, analysiere ich Kanäle, die unter kontrollierten Laborbedingungen gemessen wurden. Die Messungen werden durchgeführt, während sich der Sender mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Hier analysiere ich den Einfluss der Bewegungsgeschwindigkeit des Senders auf die Kanalstationarität und zeige, dass eine höhere Geschwindigkeit zu einer kürzeren Stationaritätszeit führt, während die räumliche Stationarität weitgehend unbeeinträchtigt bleibt. Um den Vergleich zwischen traditionell genutzten Frequenzbändern unterhalb von 6 GHz und dem Millimeterwellenbereich zu ermöglichen, untersuche ich die Stationarität im Kontext eines Multibandszenarios. Numerische Ergebnisse deuten darauf hin, dass die räumliche Stationarität proportional zur Wellenlänge ist. Schließlich hebt die Dissiertation die Bedeutung der Platzierung und Ausrichtung der Antenne am Fahrzeug hervor. Ich zeige, dass die Positionierung der Antenne einen erheblichen Einfluss auf die Übertragungsqualität hat.

The advancement of Intelligent Transportation Systems (ITS) relies heavily on reliable and efficient vehicular communication technologies. Standardization efforts in this domain are primarily led by two organizations: 3GPP, which develops cellular based solutions, and IEEE, which focuses on dedicated vehicular communication standards. Recent standardization updates from both bodies, 5G New Radio (NR) by 3GPP and IEEE’s 802.11bd introduce a wide range of innovations. One of the key innovations is support for communication in the millimeter wave (mmWave) frequency bands, enabling significantly higher bandwidths. However, both standards maintain Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) as the modulation scheme. Despite its simplicity and effectiveness in static environments, OFDM struggles in high-mobility scenarios that are commonly found in vehicular communications. To address these limitations, orthogonal time frequency space (OTFS) modulation, operating in the delay-Doppler domain, has been proposed. OTFS spreads information symbols over the entire dedicated time-frequency block, aiming to exploit channel diversity and enhance performance. This thesis investigates the applicability of OTFS in realistic mmWave vehicular scenarios. First, I analyze system performance using measured vehicular 60 GHz channels obtained via dedicated channel sounding sequences. The numerical bit error rate (BER) results demonstrate the superiority of OTFS over OFDM. However, the BER results suggest that the performance gain depends on both the underlying channel characteristics and the OTFS symbol grid parametrization. Given the high cost and complexity of channel measurements, my study explores the use of ray tracing (RT) based simulations to emulate diverse channel conditions. To validate the RT approach, I model the scattering environment present in the measurements and investigate how differences between the RT channel and actual channel conditions affect OTFS performance. Finally, a 3GPP vehicular channel model is employed to study the impact of OTFS symbol parametrization and Doppler spread on the exploited diversity gain and thus OTFS performance. These evaluations provide valuable insights into the practical deployment of OTFS in mmWave vehicular communications.This thesis demonstrates the dependence of OTFS modulation performance on the characteristics of the physical wireless channel and the design of the OTFS symbol block. However, as the mmWave domain remains an emerging research field, accurate channel characterization remains insufficient. One of the key parameters when designing an OTFS system for vehicular scenarios is channel stationarity, which is limited by the dynamics of the scattering environment. User mobility causes rapid variations in channel characteristics, violating stationarity in both time and frequency domains, imposing constraints on the OTFS symbol block size. To address this, I examine channel stationarity using measured vehicular channels at the 60 GHz band, providing numerical insights into mmWave stationarity behavior. Results show that the presence of a strong line-of-sight component significantly enlarges the stationarity regions. To further investigate the parameters affecting stationarity, I analyze channels measured in controlled laboratory settings. The measurements are carried out while the transmitter (TX) is moving with high velocity, emulating high-mobility conditions. Here, I analyze the influence of the TX velocity on the channel stationarity, showing that higher velocity leads to shorter stationarity time, while spatial stationarity remains largely unaffected. To bridge insights from sub-6 GHz studies with less explored mmWave frequencies, I investigate the stationarity in a multiband scenario. The comparison between the behavior in the sub-6GHz and mmWave channels suggests that spatial stationarity is proportional to the wave- length. Finally, the study emphasizes the critical role of antenna placement and orientation in vehicular communication systems, as these factors significantly impact channel stationarity and, consequently, system performance.