Intra- and Out-of-Vehicle Channel Measurements and Modeling

Disertační práce je zaměřena na měření a modelování kanálu uvnitř a vně vozidla pro komunikaci a lokalizaci. Pro účely vytvoření integrovaného inteligentního dopravního systému ITS (Intelligent transportation system) je důležitý odhad vlastnosti kanálů pro vnitřní a venkovní scénáře. Za tímto účelem je vhodné provést řadu činností, které jsou obsahem disertační práce: Simulace fyzické vrstvy 802.11p, její srovnávání s 802.11a, měření kanálu pro různé scénáře pro 802.11p a pro širokopásmový systém (UWB), vytvoření modelů kanálů pro 802.11p a UWB a výzkum vlastností lokalizace založené na měření v pásmu UWB. Výzkum komunikace vozidla s okolím založená na IEEE 802.11p standardu. Jedním z cílů disertační práce je ukázat rozdíly mezi standardy fyzické vrstvy IEEE 802.11a a IEEE 802.11p prostřednictvím simulace s použitím modelu kanálu HIPERPLAN/2. V práci je uvedena simulace přenosu signálu 802.11p kanálem ITU-R M.1225 s odlišným zpožděním a středním výkonem (pro chodce a vozidla). Vliv kanálu na signál je analyzován za použití simulace v prostředí MATLABu pomocí vyhodnocení chybovosti. Určení vlastností kanálů v kmitočtovém pásmu 5,8 GHz pro standard IEEE 802.11p a UWB. Experimenty byly prováděny pro vnitřní a vnější prostředí vozidla. Bylo zjištěno, že pro protokol 802.11p může být trend (dlouhodobý vývoj) profilu PDP (power delay profile) nejlépe aproximován pomocí modelu obsahujícího dvě klesající exponenciální funkce, na rozdíl od Saleh-Valenzuelova (S-V) modelu, který je více vhodný pro UWB systémy pracující v pásmu 3 až 11 GHz. Vytvoření odpovídající impulzní odezvy (CIR) s využitím trendu PDP. Informace o CIR byla použita pro simulaci 802.11p za účelem vyhodnocení chybovosti při použití Ricianova modelu. Výsledky odhadu BER ukazují vhodnost protokolu pro vnitřní a vnější prostředí bezdrátových aplikací. Výsledky simulací dále ukazují, že se chybovost zásadně nemění a proto je možné určit střední křivku BER pro celou sadu změřených dat. Určení vlivu malé změny polohy antény na vlastnosti kanálu. Práce ukazuje náhodnost parametrů UWB kanálu pro malé změny polohy antény okolo vozidla, zaparkovaného v podzemní garáži. Ztráty šířením jsou monotónně rostoucí se vzdáleností, avšak náhodně se mění v závislosti na úhlu a výšce antén, a proto je vyhodnocení vzdálenosti pomocí síly signálu pro tyto scénáře nevhodné. Na druhé straně může být pro spolehlivé určení vzdálenosti bez ohledu na úhel nebo výšku antény použita doba příchodu prvního svazku. Ověření vlivu změn konfigurace kanálu na parametry S-V modelu. Práce demonstruje závislost parametrů Saleh-Valenzuela modelu v na vzdálenosti a výšce antén, avšak ukazuje, že jejich průměrné hodnoty jsou blízké IEEE 802.15.3 standardu. Ověření možnosti lokalizace pomocí metody TOA (time of arrival). Vzdálenost mezi anténami byla určena z profilu PDP s využitím lineární závislosti vzdálenosti na zpoždění. Souřadnice vysílací antény byly nalezeny pomocí dvou přijímacích antén pomocí 2-D lokalizační techniky TOA. Porovnání vypočtených souřadnic s původními vykazuje chybu menší než 6%, což ukazuje vhodnost navrženého přístupu pro lokalizaci vozidel.The dissertation is focused on channel measurements and modeling for vehicle-to-X communication and on localization. In order to realize an integrated intelligent transportation system (ITS), it is important to estimate channel features for intra-vehicle and out-of-vehicle scenarios. For this propose the following activities are carried out: simulation of the 802.11p PHY; comparison with 802.11a; channel measurements for different scenarios based on the 802.11p and ultra-wideband (UWB); creating channel models for 802.11p and UWB; UWB measurements to assess performance of localization. The vehicle-to-X communication is supposed on the IEEE 802.11p standard. The dissertation presents the differences between IEEE 802.11a and IEEE 802.11p physical layer standards through the simulation results of the transmission over a HIPERPLAN/2 channel. Further, the simulation of the 802.11p signal transmission over ITU-R M.1225 channel, which includes pedestrian and vehicle models with different relative delays and average power, is presented. The influence of the channel on the signal is analyzed using MATLAB simulation in terms of bit error rate (BER). The dissertation reports vehicular channel measurements in the frequency band of 5.8 GHz for IEEE 802.11p standard and for UWB (3-11 GHz). Experiments for both intra-vehicle and out-of-vehicle environments are carried out. It was observed that the large-scale variations (LSVs) of the power delay profiles (PDPs) can be best approximated through a two-term exponential decay model for the 802.11p protocol, in contrast to the Saleh-Valenzuela (S-V) model which is suitable for UWB systems. For each measurement, the LSV trend was used to construct the respective channel impulse response (CIR). Next, the CIR is used in 802.11p simulation to evaluate the BER performance, following a Rician model. The results of the BER simulation shows the suitability of the protocol for in-car as well as out-of-car wireless applications. The simulation for out-of-car parameters indicate that the error performances do not vary much and it is possible to determine an average BER curve for the whole set of data. The randomness in UWB channel for small positional variations around a car, parked in an underground garage, is reported. The path loss (PL) is found to be monotonically increasing with distance but varies randomly with angle and height and thereby renders signal strength based ranging inaccurate for such scenarios. On the other hand, arrival time of the first ray can be used for reliable estimation of distance, independent on transmitter angle or height. The number of clusters in the PDP is reduced with distance but the nature of the profile remains fairly consistent with angle. The S-V model parameters also vary with distance and height but their average values are close to the IEEE 802.15.3 recommended channel model. For localization applications the distance between the antennas is calculated exploiting the linear dependence of distance on delay from PDP. The coordinates of a transmitting antenna are found with the help of two receiving antennas following a two-dimensional (2-D) time-of-arrival (TOA) based localization technique. A comparison of the calculated coordinates with the original ones exhibits an error of less than 6% which supports the suitability of the proposed approach for localization of the cars.

In-vehicle channel sounding in the 5.8-GHz band

The article reports vehicular channel measurements in the frequency band of 5.8 GHz for IEEE 802.11p standard. Experiments for both intra-vehicle and out-of-vehicle environments were carried out. It was observed that the large-scale variations (LSVs) of the power delay profiles (PDPs) can be best described through a two-term exponential decay model, in contrast to the linear models which are suitable for popular ultra-wideband (UWB) systems operating in the 3- to 11-GHz band. The small-scale variations (SSVs) are separated from the PDP by subtracting the LSV and characterized utilizing logistic, generalized extreme value (GEV), and normal distributions. Two sample Kolmogorov-Smirnov (K-S) tests validated that the logistic distribution is optimal for in-car, whereas the GEV distribution serves better for out-of-car measurements. For each measurement, the LSV trend was used to construct the respective channel impulse response (CIR), i.e., tap gains at different delays. Next, the CIR information is fed to an 802.11p simulation testbed to evaluate the bit error rate (BER) performance, following a Rician model. The BER results strongly vouch for the suitability of the protocol for in-car as well as out-of-car wireless applications in stationary environments.The article reports vehicular channel measurements in the frequency band of 5.8 GHz for IEEE 802.11p standard. Experiments for both intra-vehicle and out-of-vehicle environments were carried out. It was observed that the large-scale variations (LSVs) of the power delay profiles (PDPs) can be best described through a two-term exponential decay model, in contrast to the linear models which are suitable for popular ultra-wideband (UWB) systems operating in the 3- to 11-GHz band. The small-scale variations (SSVs) are separated from the PDP by subtracting the LSV and characterized utilizing logistic, generalized extreme value (GEV), and normal distributions. Two sample Kolmogorov-Smirnov (K-S) tests validated that the logistic distribution is optimal for in-car, whereas the GEV distribution serves better for out-of-car measurements. For each measurement, the LSV trend was used to construct the respective channel impulse response (CIR), i.e., tap gains at different delays. Next, the CIR information is fed to an 802.11p simulation testbed to evaluate the bit error rate (BER) performance, following a Rician model. The BER results strongly vouch for the suitability of the protocol for in-car as well as out-of-car wireless applications in stationary environments