Faster Information Propagation on Highways: a Virtual MIMO Approach

In vehicular communications, traffic-related information should be spread over the network as quickly as possible to maintain a safe and reliable transportation system. This motivates us to develop more efficient information propagation schemes. In this paper, we propose a novel cluster-based cooperative information forwarding scheme, in which the vehicles opportunistically form virtual antenna arrays to boost one-hop transmission range and therefore accelerate information propagation along the highway. Both closed-form results of the transmission range gain and the improved Information Propagation Speed (IPS) are derived and verified by simulations. It is observed that the proposed scheme demonstrates the most significant IPS gain in moderate traffic scenarios, whereas too dense or too sparse vehicle density results in less gain. Moreover, it is also shown that increased mobility offers more contact opportunities and thus facilitates information propagation.Comment: IEEE 2014 Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2014) - Communication Theory Symposiu

A Measurement Based Shadow Fading Model for Vehicle-to-Vehicle Network Simulations

The vehicle-to-vehicle (V2V) propagation channel has significant implications on the design and performance of novel communication protocols for vehicular ad hoc networks (VANETs). Extensive research efforts have been made to develop V2V channel models to be implemented in advanced VANET system simulators for performance evaluation. The impact of shadowing caused by other vehicles has, however, largely been neglected in most of the models, as well as in the system simulations. In this paper we present a shadow fading model targeting system simulations based on real measurements performed in urban and highway scenarios. The measurement data is separated into three categories, line-of-sight (LOS), obstructed line-of-sight (OLOS) by vehicles, and non line-of-sight due to buildings, with the help of video information recorded during the measurements. It is observed that vehicles obstructing the LOS induce an additional average attenuation of about 10 dB in the received signal power. An approach to incorporate the LOS/OLOS model into existing VANET simulators is also provided. Finally, system level VANET simulation results are presented, showing the difference between the LOS/OLOS model and a channel model based on Nakagami-m fading.Comment: 10 pages, 12 figures, submitted to Hindawi International Journal of Antennas and Propagatio

Measurement Based Channel Characterization and Modeling for Vehicle-to-Vehicle Communications

Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication is a challenging but fast growing technology that has potential to enhance traffic safety and efficiency. It can also provide environmental benefits in terms of reduced fuel consumption. The effectiveness and reliability of these applications highly depends on the quality of the V2V communication link, which rely upon the properties of the propagation channel. Therefore, understanding the properties of the propagation channel becomes extremely important. This thesis aims to fill some gaps of knowledge in V2V channel research by addressing four different topics. The first topic is channel characterization of some important safety critical scenarios (papers I and II). Second, is the accuracy or validation study of existing channel models for these safety critical scenarios (papers III and IV). Third, is about channel modeling (paper V) and, the fourth topic is the impact of antenna placement on vehicles and the possible diversity gains. This thesis consists of an introduction and six papers: Paper I presents a double directional analysis of vehicular channels based on channel measurement data. Using SAGE, a high-resolution algorithm for parameter estimation, we estimate channel parameters to identify underlying propagation mechanisms. It is found that, single-bounce reflections from static objects are dominating propagation mechanisms in the absence of line-of-sight (LOS). Directional spread is observed to be high, which encourages the use of diversity-based methods. Paper II presents results for V2V channel characterization based on channel measurements conducted for merging lanes on highway, and four-way street intersection scenarios. It is found that the merging lane scenario has the worst propagation condition due to lack of scatterers. Signal reception is possible only with the present LOS component given that the antenna has a good gain in the direction of LOS. Thus designing an antenna that has an omni-directional gain, or using multiple antennas that radiate towards different directions become more important for such safety critical scenarios. Paper III presents the results of an accuracy study of a deterministic ray tracing channel model for vehicle-to-vehicle (V2V) communication, that is compared against channel measurement data. It is found that the results from measurement and simulation show a good agreement especially in LOS situations where as in NLOS situations the simulations are accurate as far as existing physical phenomena of wave propagation are captured by the implemented algorithm. Paper IV presents the results of a validation study of a stochastic NLOS pathloss and fading model named VirtualSource11p for V2V communication in urban street intersections. The reference model is validated with the help of independent channel measurement data. It is found that the model is flexible and fits well to most of the measurements with a few exceptions, and we propose minor modifications to the model for increased accuracy. Paper V presents a shadow fading model targeting system simulations based on channel measurements. The model parameters are extracted from measurement data, which is separated into three categories; line-of-sight (LOS), LOS obstructed by vehicles (OLOS), and LOS blocked by buildings (NLOS), with the help of video information recorded during the measurements. It is found that vehicles obstructing the LOS induce an additional attenuation in the received signal power. The results from system level vehicular ad hoc network (VANET) simulations are also presented, showing that the LOS obstruction affects the packet reception probability and this can not be ignored. Paper VI investigates the impact of antenna placement based on channel measurements performed with four omni-directional antennas mounted on the roof, bumper, windscreen and left-side mirror of the transmitter and receiver cars. We use diversity combining methods to evaluate the performance differences for all possible single-input single-output (SIMO), multiple-input single-output (MISO) and multiple-input multiple-output (MIMO) link combinations. This investigation suggests that a pair of antennas with complementary properties, e.g., a roof mounted antenna together with a bumper antenna is a good solution for obtaining the best reception performance, in most of the propagation environments. In summary, this thesis describes the channel behavior for safety-critical scenarios by statistical means and models it so that the system performance can be assessed in a realistic manner. In addition to that the influence of different antenna arrangements has also been studied to exploit the spatial diversity and to mitigate the shadowing effects. The presented work can thus enable more efficient design of future V2V communication systems

Node Density Estimation in VANETs Using Received Signal Power

Accurately estimating node density in Vehicular Ad hoc Networks, VANETs, is a challenging and crucial task. Various approaches exist, yet none takes advantage of physical layer parameters in a distributed fashion. This paper describes a framework that allows individual nodes to estimate the node density of their surrounding network independent of beacon messages and other infrastructure-based information. The proposal relies on three factors: 1) a discrete event simulator to estimate the average number of nodes transmitting simultaneously; 2) a realistic channel model for VANETs environment; and 3) a node density estimation technique. This work provides every vehicle on the road with two equations indicating the relation between 1) received signal strength versus simultaneously transmitting nodes, and 2) simultaneously transmitting nodes versus node density. Access to these equations enables individual nodes to estimate their real-time surrounding node density. The system is designed to work for the most complicated scenarios where nodes have no information about the topology of the network and, accordingly, the results indicate that the system is reasonably reliable and accurate. The outcome of this work has various applications and can be used for any protocol that is affected by node density

5G-NR radio planning for connected and autonomous vehicles services

Tese para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e de Telecomunicações com especialização em TelecomunicaçõesThe 5G network development is enabling many emerge technologies as connected and autonomous vehicles (CAV), promising a significant impact in the telecommunications industry in the future. In this thesis, was performed 5G radio planning by coverage and capacity, entirely when CAV applications are provided, requiring minimum and maximum user data rates according to different services categories from 5GMOBIX project. 5G air interface was explored joint to MIMO and modulation orders configurations, intending to analyse the different results in two diverse highways around Lisbon, for urban and rural propagation environments. Vehicles traffic model was simulated using real statistic numbers, aiming to compute more effective KPIs while the radio planning. The final number of sites calculated were compared regarding to each scenario simulated as well as the number of vehicles supported for each service category. The results showed that the cell ranges reached in DL were tens of kilometres, despite of some meters in UL for some network configurations. Also, the radio resources showed being enough when minimum user data rate is required, nevertheless when maximum user data rate is required, new cell and vehicle ranges recalculation were needed, reaching much higher number of sites due to the cell capacity limitation. The number of sites required in urban environment showed being the double when comparing to rural, due to the higher vehicles traffic.O desenvolvimento das redes móveis 5G está permitindo o surgimento de muitas outras tecnologias como veículos autónomos e conectados (CAV), prometendo impacto significativo na indústria das telecomunicações no futuro. Nesta tese, foi realizado planeamento rádio 5G por cobertura e capacidade, para aplicações CAV (e.g. Vehicle platooning, Advanced driving, Extend sensors, Remote driving and Vehicle QoS support), quando estes exigem mínima e máxima taxa de dados do utilizador de acordo com o projeto 5GMOBIX. Considerando que CAVs podem ter seis níveis de automação, de 0 à 5, de acordo com as tarefas que estes desempenhem, foram considerados veículos de nível 3. As comunicações V2X foram criadas para desenvolver mais segurança e eficiência no tráfego e economia no consumo de energia nas ruas e rodovias. Estas foram padronizadas em comunicações baseadas em WLAN e redes celulares. O primeiro apoia-se no mesmo protocolo do Wi-Fi IEEE 802.11p e o segundo (C-V2X) nos protocolos do 3GPP desenvolvidos para redes móveis como LTE, onde foi primeiramente definido e 5G, que é a base desta tese. A arquitetura 5G apresenta é padronizada pelo 3GPP e apresenta-se em duas formas, Standalone (SA) e Non-Standalone (NSA), onde o segundo apoia-se na estrutura core e radio do 4G mas tirando vantagem da interface rádio do 5G. Esta confuguração, permite que o 5G alcance o alto padrão de qualidade de serviço requisitado pelos estudos de caso que são: (i) enhanced mobile broadband (eMBB), (ii) ultra-reliable and low-latency communications (URLLC) and (iii) massive machine-type communications (mMTC). CAV se enquandra no segundo grupo. A interface rádio do 5G, herdou características do 4G e introduziu outras significativas. No 5G, há dois ranges de frequências. FR1 até 7125 MHz e FR2 de 24 à 52 MHz, ambos grupos com diferentes larguras de banda disponíveis. Para esta tese foi utilizado 3.5 GHz de frequência central, e largura de banda de 10 à 100 MHz. Esta banda, é definida pelo 3GPP como sendo TDD, ou seja, é necessário apenas um canal para que transmissor e receptor se comuniquem, e os símbolos OFDM são dispostos no domínio do tempo e configurados como DL, UL ou flexíveis dentro de cada time slot. O método de multiplexação é o mesmo utilizado no 4G, OFDM, que devido à orthogonalidade das subportadoras, permite que estas não interfiram entre si, e assim possam compartilhar o espectro rádio. Uma das principais características do 5G que difere do 4G, é a introdução das numerologias que referem-se ao espaçamento entre subportadoras. Estas, são diferentes, de acordo com o range de frequência a ser utilizado. Nesta tese, numerologias 0, 1 e 2 são aplicadas, ou seja, 15, 30 e 60 KHz de espaçamento. Considerando o formato de onda OFDM, e que um radioframe tem 10 ms e 14 símbolos, desta forma, é possível calcular o tempo de símbolo e número de resource blocks para as diferentes configurações de numerologia, largura de banda, e frequência utilizada, tornando o acesso radio mais flexível e possibilitando a aplicação de diferentes configurações para diferentes serviços. As modulações QPSK, 16QAM, 64QAM e 256QAM foram utilizadas neste trabalho, todas em UL e DL, uma vez que no 5G, são utilizadas diferentes modulações para diferente tipos de mensagens (e.g. dados, controle). MIMO também foi utilizado em matrizes de 2x2, 4x4 e 8x8, alterando o ganho de transmissão de acordo com o aumento do número de layers de antennas. O modelo desenvolvido para simular o planeamento rádio do 5G pra CAVs, foi baseado nas definições do 3GPP. O planeamento foi realizado em cobertura e capacidade, considerando os ambientes rural e urbano, em duas autoestradas do distrito de Lisboa em Portugal. Foram calculados KPIs relevantes e seus limites foram comparados, explorando todas as configurações aplicadas. No planeamento pela cobertura, foi utilizado o modelo do 3GPP para cálculo do PL de acordo com a distancia ao gNB, utilizando a componente aleatória fornecida de acordo com o ambiente de propagação de maneira a atingir valores mais realistas. Estes, resultaram em valores médios de 30 dB de diferença entre LOS e NLOS devido aos valores de desvio padrão definidos, sendo maiores em NLOS devidos às obstruções do sinal. Os valores médios do PL, foram utilizados para calcular a potência do signal recebido RSS, também com sua componente aleatória. Os valores mais baixos encontrados para RSS foram na borda da célula de -95, -113, -94 e -126 dBm em UL, e -71, -89, -70 e -102 dBm em DL, para RMa LOS, RMa NLOS, UMa LOS e UMa NLOS, respectivamente. Posteriormente, os valores de SNR para cada modulação foram definidos, utilizando a simulação de um canal AWGN hipotético que resultou em um gráfico de BER por EB/N0, onde BER foi definido como 1%, e os valores de SNR foram considerados como sendo os de Eb/N0 (i.e. 4, 8, 12 e 16). Estes foram valores de entrada para calcular a sensibilidade dos veículos e do gNB, que apresentaram aumento significativo com a largura de banda e diferença de 1 dB entre as numerologias em ambos ambientes. O PL maximo permitido MAPL, foi calculado considerando 99% de cobertura, onde os maiores valores foram em DL principalmente quando a modulação QPSK e MIMO 8x8 são utilizados. A distância máxima gNB-veículos foi também simulada, apresentando ser menor de acordo com o aumento da largura de banda, atingindo máximo de 23 km em ambiente rural LOS em DL, e mínimo de 72 m em ambiente urbano para NLOS em UL. A distância entre sites foi calculada em todos os cenários, utilizando a máxima distância gNB-veículos resultando em máximo de 40 km e mínima de 12 km para ambiente rural e LOS para DL e UL respectivamente, sendo que 1/3 dessa distância é atingida para largura de banda de 100 MHz. O número final de sites necessários para cobrir a área simulada de 5 km para largura de banda de 100 MHz resultou em 13 à 25 sites em ambiente rural e 20 á 70 sites em ambiente urbano. De acordo com as configurações utilizadas para o planeamento pela cobertura, foi também simulado o número máximo de veículos suportado por célula de acordo com o serviço. O planeamento pela capacidade, baseou-se na modelagem realista do tráfego na hora de ponta em duas autoestradas de Lisboa, a comparação do tráfego de dados exigido dos veículos com a capacidade da rede e destacados os pontos em que a rede é limitada pela cobertura e pela capacidade, calculando também KPIs relevantes para a análise. O resultado da modelagem de tráfego encontrou 23 veículos por km em ambiente urbano e 9 veículos por km em ambiente rural. Sabendo a taxa de dados por serviço do projecto 5GMOBIX, e aplicando percentagem à esses serviços de acordo com uma presumida penetração, atingiu-se taxa de dados total mínima e máxima requerida por km de autoestrada de acordo com o ambiente de propagação, resultando para ambiente urbano mínimo de 108 Mbps e máxima de 2.82 Gbps. E para ambiente rural mínima de 42 Mbps e máxima de 1.1 Gbps. Simulando a capacidade da rede esta mostrou-se ser maior consoante maior a largura de banda principalmente com a utilização da modulação de 256QAM. Posteriormente, a carga de tráfego foi simulada de acordo com a taxa de dados total mínima e máxima requerida por km de autoestrada multiplicada pela máxima distância gNB-veículos calculada durante o planeamento pela cobertura. A carga de tráfego apresentou-se ser maior quanto maior o raio de célula ou distância em UL, porém para ambiente rural LOS DL este apresentou-se ter menor carga de tráfego do que ambiente urbano LOS DL devido ao menor número de veículos. Racio de célula foi aplicado comparando a carga de tráfego com a capacidade da rede, com o intuito de indicar os pontos em que o planeamento é limitado pela cobertura ou pela capacidade e assim recalcular a máxima distância gNB-veículos. Assim, novo número de sites foi simulado após análise das limitações das células, onde resultados mostram que para 100 MHz de largura de banda e mínima taxa de dados exigida, a rede apresenta-se ser apenas limitada pela cobertura e ter condições de prover recursos rádio para todos os veículos, mas quando máxima taxa de dados é exigida quase todos os cenário são limitados pela capacidade devido às longas distâncias, principalmente em DL e para modulações mais baixas. Apenas MIMO 4x4 256QAM e MIMO 8x8 64QAM e 256QAM são limitados pela cobertura.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

5G mmwave positioning for vehicular networks

5G technologies present a new paradigm to provide connectivity to vehicles, in support of high data-rate services, complementing existing inter-vehicle communication standards based on IEEE 802.11p. As we argue, the specific signal characteristics of 5G communication turn out to be highly conducive for vehicle positioning. Hence, 5G can work in synergy with existing on-vehicle positioning and mapping systems to provide redundancy for certain applications, in particular automated driving. This article provides an overview of the evolution of cellular positioning and discusses the key properties of 5G as they relate to vehicular positioning. Open research challenges are presented