Vehicular service delivery via hybrid access and antennas

Abstract

Diese Arbeit setzt sich aus zwei thematischen Schwerpunkten zusammen; Zum einen wird die Leistungsfähigkeit hybrider Antennensysteme bewertet und zum anderen wird der Mehrwert von hybriden Funknetzen für Fahrerinformations- und assistenzsysteme analysiert. Die Bewertung von prototypischen hybriden Mehrantennensystemen befasst sich im Vordergrund mit dem zellularen Funkzugangssystem Long Term Evolution (LTE), sowie dem Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikationsstandard IEEE 802.11p. Für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Antennensysteme werden Performance Kenngrößen verwendet, die eine Bewertung auf Komponenten- als auch auf Systemebene erlauben. Auf Komponentenebene werden Performance Indikatoren (KPI)s verwendet, welche die Impedanz und Strahlungscharakteristika der Mehrantennensysteme fassen. Abweichungen von Mindestperformancekennwerten werden mit Hilfe von statistischen Kenngrößen festgehalten. Resultierend von den unterschiedlichen Anwendungsbereichen der Funkzugangssysteme LTE und 802.11p im Automobilumfeld, kommen für die Beurteilung ihrer Leistungsfähigkeit auf Systemebene voneinander abweichend KPIs zum Einsatz. Da 802.11p Systeme in erster Linie für Sicherheitsapplikation ausgelegt sind, liegt hierbei der Schwerpunkt auf der Erhöhung der Robustheit der Kommunikation durch Diversität. Wohingegen bei LTE Antennen, die sowohl für Sicherheits- als auch für Infotainmentanwendungen ausgelegt sind, vordergründig der erzielte Raummultiplex-Gewinn im Fokus steht. Beide Mehrantennensysteme werden durch Testfahrten evaluiert, wobei einerseits passives Absuchen von Signalen als auch aktive Messungen, wo zu Messzwecken eine Datenlast erzeugt wird, zum Einsatz kommen. LTE Antennensysteme, die sich zum größten Teil durch ihre Isolation und Einbrüchen im Antennengewinn unterscheiden, werden anhand der Transinformation und der Konditionszahl der Kanalmatrix beurteilt. Aus den Ergebnissen der 802.11p Systeme wird abgeleitet mit welcher Konstellation der zellularen und ad-hoc Antennen ein hoher Diversitätsgewinn erreicht wird. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Mehrwert der hybriden Kommunikation, d.h. die kombinierte Nutzung von LTE und 802.11p Funksystemen, für Sicherheits- und Infotainmentapplikationen analysiert. Im Bereich von Infotainmentapplikationen wird ein mehrkriterielle Netzwahlalgorithmus betrachtet, der es erlaubt KPIs aus Fahrzeuginternen wie -externen Quellen zu berücksichtigen. Mit Hilfe von Simulationen und Messungen wird gezeigt, dass insbesondere Daten aus externen Quellen, wie z.B. Güteinformationen aus vergangenen Verbindungen oder Karten zur Netzverfügbarkeit, die Dienstgüte für Fahrerinformationsdiensten erheblich verbessern und zu Entgeltersparnissen führen. Untersuchungen zu Sicherheitsapplikationen zeigen, dass durch hybride Kommunikation Unzulänglichkeiten der Funkzugangssysteme kompensiert werden. Durch die Nutzung der hybriden Kommunikation wird die Reichweite von Fahrerassistenzsystemen und die Wahrscheinlichkeit für die rechtzeitige Zustellung von Sicherheitsnachrichten erhöht. Die Untersuchungen zeigen, dass solche Verbesserung sogar bei einer prozentual geringen Penetration von hybriden Radios erzielt werden. Ferner wird durch die Nutzung der hybriden Kommunikation unter Berücksichtigung von volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten eine bessere Ausnutzung der Kommunikations-Ressourcen erreicht.

In this work two key topics are investigated; assessment of hybrid antenna systems and the service delivery for driver information and assistance systems using cellular and ad-hoc networks. The evaluation of prototypical antenna systems focuses on the networks Long Term Evolution (LTE) and the vehicle-to-vehicle (V2V) standard IEEE 802.11p. Key performance indicators KPIs are identified on component and on system level to determine the ability of antenna systems to support dependable communication. On component level KPIs relating to the antenna impedance and radiation efficiency are analyzed. Statistical metrics for link performance evaluation are introduced to quantify the deviation of the prototypical antenna systems from the expected values. On system level applied KPIs differ as safety applications are mainly considered for 802.11p communication systems, whereas LTE systems are intended for safety as well as infotainment applications. Consequently, the evaluation of LTE antennas focuses on their capability to support spatial multiplexing SMX transmission techniques, whereas for 802.11p antenna systems their ability to enable diversity transmission schemes is investigated. Both transmission schemes are evaluated on system level by a real-world drive test using active probing, which causes additional traffic for the purpose of measurements, and also by passive listening. In case of passive listening KPIs are derived from the channel matrix being estimated from pilot symbols broadcasted periodically by the base station. For LTE antenna systems the impact on the KPIs, such as channel condition number and mutual information, are shown subject to the antenna isolation and antenna gain deviations. The assessment of the 802.11p systems in drive test illustrates the influence of different solutions for positioning the antennas in a multiple antenna arrangement to achieve a high diversity gain. In the second part of this work the additional value of using hybrid radio access including cellular and wireless local area based networks is analyzed for the service delivery in infotainment and safety applications. For infotainment applications a network selection algorithm is presented, which is able to incorporate KPIs from different data sources to exploit the advantages of the diverse access networks. A simulation based evaluation is presented illustrating improved service delivery by avoiding throughout drops and reducing the occurring transmission costs. By performing simulations and measurements it is illustrated that KPIs from the backend, such as the load of the access networks and network coverage maps, are key to achieve such improvements. Analysis carried out for driver assistance applications show that the combined use of LTE and 802.11p radios allows to compensate for the deficiencies of each network. The investigated KPIs for safety applications include the yielded range, the latency of the messages, the network load in the LTE network and the supported networks by the vehicles. Using 802.11p radios to forward safety messages received over LTE, it is shown that communication gaps resulting from the low communication range of 802.11p radios are overcome. The simulations also illustrate that the base load in the LTE network causes an increase in the latency of the message delivery. It is thus the primary performance deteriorating factor for the deployment of safety applications using LTE.