Performance measurements and models for vehicle-to-infrastructure communication systems

Abstract

In dieser Dissertation werden Leitlinien für die effiziente Anwendung von Straßeneinheiten (RSUs) im Rahmen von Fahrzeug-zu-Infrastruktur (V2I) Kommunikationsystemen ausgearbeitet. Wir analysieren die Auswirkungen von verschiedenen Systemparametern und Komponenten auf Basis von umfangreichen Messkampagnen im echten Straßenverkehr. Zuerst untersuchen wir den Effekt von Paketlänge und Datenrate auf die Leistungsfähigkeit von V2I Kommunikationsystemen, hinsichtlich des Datendurchsatzes und der Reichweite. Zunächst vergleichen wir V2I Systeme mit direktionalen und nicht-direktionalen RSU Antennen. Wir werten die Erhöhung in der Leistungsfähigkeit, die durch direktionale Antennen erzielt werden kann, aus und diskutieren mögliche Nachteile dieser Antennen. Wir bewerten in wie fern die Zuverlässigkeit von V2I Systemen durch die optimierte Konstruktion der Boardeinheit (OBU) Antenne verbessert werden kann. Wir untersuchen die Effekte von besonderen Ausbreitungsbedingungen auf die Qualität von V2I Kommunikationsystemen. Schließlich werden die Vorteile von kooperativen Multi-Hop Kommunikationssystemen evaluiert. Wir entwerfen ein Hidden-Markov-Modell zur Reproduktion der distanzabhängigen Leistungsfähigkeit von V2I Systemen. Die mit unserem Modellierungsansatz erzeugte Paketfehler-Sequenzen reproduzieren die Messdaten mit hoher Genauigkeit. Die Modellparameter, die auf Basis von umfangreichen Messungen bestimmt wurden, sind unter einer nicht-kommerziellen akademischen Lizenz veröffentlicht. Unter anderem erleichtert dieses recheneffiziente Modell den Austausch von Fachwissen das durch unsere Messkampagnen gewonnen wurde. Wir erweitern dieses Model so, dass V2I Kommunikation an einem beliebigen Ort modelliert werden kann, ohne Messungen an diesem Ort durchführen zu müssen. Dafür wird eine Vektorquantisierung auf die Modellparameter angewendet. Dies ermöglicht uns eine Einstufung der Kommunikationsqualitäte zu treffen und Beeinträchtigungen der Ausbreitungsbedingungen zu lokalisieren. Weiters entwerfen wir eine Methode zur Modellierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnises (SNR). Anschließend wenden wir unser Modellierungsansatz auf die Ergebnisse von 22, an sorgfältig ausgewählten innenstädtischen Standorten durchgeführten, V2I Messungen. Wir identifizieren die wichtigsten Typen von Straßen und Beeinträchtigungen der Ausbreitungsbedingungen, die typisch für innerstädtische Umgebungen sind. Weiters stellen wir die Modellparameter zur Verfügung, die erforderlich sind um den Einfluss besonderer Ausbreitungsbedingungen zu reproduzieren. Anhand dieser Parameter können realistische V2I Messergebnisse in Form von Paketfehler- und SNR-Sequenzen für eine Vielzahl von innerstädtischen Standorten modelliert werden.

In this thesis, we provide a comprehensive set of guidelines for roadside unit (RSU) deployment in the context of vehicle-to-infrastructure (V2I) communication systems. Based on an extensive set of real-world measurements, we analyze the effect of various system parameters and components. We first study the impact of packet length and data rate on the performance of transmit power-constrained systems in terms of throughout and communication range. Next, we compare systems using directional and omni-directional RSU antennas. We further analyze performance enhancements achievable using high-gain directional antennas and indicate possible disadvantages. We evaluate to which extent the performance can be improved by the design of vehicular on-board unit (OBU) antennas. We assess the impact of specific highway environments on the communication quality in V2I systems. Finally, we investigate performance advances brought by multi-hop cooperative communication. We propose a hidden Markov model-based approach to reproduce distance-dependent performance measurements. The packet-error patterns generated by our approach reproduce measured data with high accuracy. Model parameters estimated from real-world measurements are released under a noncommercial academic-use license. This computationally inexpensive model also facilitates the exchange of technical know-how gained through our measurements. We further extend this model such that V2I communication performance at an arbitrary location can be modeled without need for prior measurements. To this end, we perform a vector quantization of the model parameters. This allows us to find boundaries regarding communication quality and to localize environmental impairments that restrict radio propagation. Furthermore, we introduce a method of modeling signal-to-noise ratio (SNR) patterns that are correlated with the model-generated packet-error patterns. As a proof of concept, we apply this environment-aware modeling approach to a series of V2I measurements taken at 22 carefully selected urban locations. We identify the most significant types of street layouts and impairments, which are typical for urban environments. We provide parameters that are needed to reproduce their influence on communication. With these parameters, V2I performance can be modeled in terms of packet-error and SNR patterns for a multitude of urban locations, based merely on the street layout and topology.