Gestión de Recursos Radio para Sistemas de Comunicaciones Vehiculares LTE-V2X

Abstract

Las comunicaciones V2X (Vehicle to Everything) proveerán a los vehículos de la capacidad de intercambiar información entre ellos directamente, además de con la infraestructura vial, con peatones, y con servidores de red mediante nodos de infraestructura. Esta tecnología mejorará la seguridad vial y la eficiencia del tráfico al dotar a cada vehículo de un mayor conocimiento del contexto (posición, dirección, velocidad, etc.) de los vehículos que lo rodean. Además, será una parte crucial para el vehículo autónomo, al posibilitar aplicaciones avanzadas como la coordinación de maniobras. El estándar IEEE 802.11p ha sido desarrollado durante los últimos años para dar soporte a las comunicaciones V2X. Como alternativa a IEEE 802.11p, el Third Generation Partnership Project (3GPP) publicó en septiembre de 2016 el primer estándar de comunicaciones celulares que incluye soporte para comunicaciones V2X basadas en LTE. A esta tecnología se le conoce en la literatura como LTE-V2X, LTE-V, o Cellular V2X. El estándar LTE-V2X está diseñado para utilizar la interfaz directa de LTE (LTE Sidelink o PC5), y para satisfacer los requisitos de las comunicaciones V2X. Algunos estudios indican que LTE-V2X puede alcanzar un mejor rendimiento a nivel de capa física que IEEE 802.11p. Sin embargo, mientras que IEEE 802.11p ha alcanzado ya un alto grado de desarrollo debido a que se han llevado a cabo durante los últimos años numerosos estudios para su comprensión y desarrollo, LTE-V2X es una tecnología cuyo desarrollo se encuentra aún en fases tempranas. En el estándar de LTE-V2X se reutiliza la capa física de LTE celular, pero se especifican dos nuevos modos de funcionamiento. Por un lado, se especifica un modo centralizado (LTE-V2X modo 3), en el cual los vehículos transmiten directamente entre ellos utilizado la interfaz PC5 (Sidelink), pero la gestión de recursos radio la lleva a cabo la estación base. Por otro lado, se especifica un modo distribuido y autónomo (LTE-V2X modo 4), con el cual los vehículos no requieren de la asistencia de la red celular para seleccionar los recursos donde transmitir. El trabajo desarrollado en esta tesis se centra en LTE-V2X modo 4, puesto que es el modo de referencia al no poder depender las comunicaciones V2X de la disponibilidad de cobertura celular, y al que nos referiremos simplemente como LTE-V2X en adelante. El mecanismo de gestión de recursos radio distribuido y autónomo, responsable de evitar que las transmisiones de los distintos vehículos se interfieran entre sí produciendo errores de transmisión, es crítico para el funcionamiento de LTE-V2X a nivel de sistema. Debido a la reciente estandarización de LTE-V2X, el comportamiento de este mecanismo de gestión de recursos no ha sido analizado exhaustivamente. Además, varios de los aspectos que deja el estándar a libre implementación y configuración no han sido debidamente estudiados y optimizados. Por otro lado, existe aún la necesidad de una comparativa neutral y detallada de LTE-V2X con IEEE 802.11p a nivel de sistema y considerando fuentes de datos realistas y acordes a los estándares definidos por la industria de la automoción. Esta comparativa es necesaria para que las entidades públicas reguladoras y la industria comparen el rendimiento y funcionamiento de estas tecnologías en escenarios realistas, más allá de su rendimiento a nivel de capa física. El trabajo presentado en esta tesis está enfocado en el estudio exhaustivo y desarrollo de LTE-V2X, con especial énfasis en su mecanismo de gestión de recursos radio distribuido. Como parte de este trabajo, ha sido fundamental la temprana implementación de una plataforma de simulación que implementa de forma precisa las comunicaciones LTE-V2X, y que nos ha permitido realizar los primeros estudios de dimensionado y análisis del funcionamiento de LTEV2X a nivel de sistema en la comunidad científica. Estos análisis nos han revelado que existen algunas ineficiencias en el mecanismo de gestión de recursos radio, que indican la existencia de margen de mejora. Tras este primer dimensionado, se ha realizado un análisis de los aspectos configurables del estándar LTE-V2X. Hemos analizado la configuración óptima razonando los resultados obtenidos para cada aspecto configurable, concluyendo que una correcta configuración es esencial para maximizar el rendimiento del mecanismo de gestión de recursos estandarizado. Para la evaluación a nivel de sistema las comunicaciones V2X, se ha desarrollado también el primer modelo de generación de mensajes acorde a los estándares definidos por la industria de la automoción, y que captura las características del tráfico de comunicaciones generado de forma realista. Este modelo permitirá realizar estudios más precisos del funcionamiento de las comunicaciones V2X que los realizados hasta la fecha y que se han basado en modelos de generación de mensajes simplificados sin reflejar de forma adecuada las características del tráfico de comunicaciones V2X. Empleando tanto el modelo de generación de mensajes realista como otros modelos más simplificados, esta tesis doctoral realiza el primer análisis comparativo neutral, detallado y en condiciones realistas de LTE-V2X e IEEE 802.11p, las dos tecnologías que compiten actualmente por dar soporte a las nuevas aplicaciones de vehículo conectado y autónomo. Esta comparativa es de gran interés en los ámbitos regulatorios, industriales y científicos. A partir de los análisis y desarrollos realizados, hemos propuesto modificaciones y evoluciones del mecanismo de gestión de recursos radio de LTE-V2X para mejorar su funcionamiento. Nuestras propuestas van desde mejoras menores al mecanismo de gestión estandarizado, hasta la propuesta de nuevos mecanismos de gestión de recursos radio distribuidos para minimizar las ineficiencias del mecanismo estandarizado. Entre estos nuevos mecanismos se encuentra una técnica de colaboración entre las tecnologías LTE-V2X e IEEE 802.11p en un hipotético futuro escenario en el que ambas tecnologías acaben coexistiendo, y todos los vehículos utilicen ambas. Estas propuestas están diseñadas para evitar las ineficiencias del mecanismo de gestión de recursos radio de LTE-V2X y contribuir en su evolución hacia la futura tecnología 5G-V2X.

V2X (Vehicle to Everything) communications will enable the dynamic exchange of information between vehicles, and between vehicles and road side infrastructure units and pedestrians, as well as with Internet servers through infrastructure nodes or base stations. This technology will improve road safety and traffic efficiency by providing vehicles with a better knowledge of their driving context. V2X communications will be also key for autonomous vehicles since it will improve their awareness even beyond their sensors’ field of view and will allow the development of advanced applications such as cooperative driving or sensing. The IEEE 802.11p standard has been developed during the last years to support the requirements of V2X communications. As an alternative to IEEE 802.11p, the Third Generation Partnership Project (3GPP) published in September 2016 the first cellular communications standard that includes support for LTE-based V2X communications. This technology is referred to as LTE-V2X, LTE-V or Cellular V2X. The LTE-V2X standard utilizes LTE’s direct interface (LTE Sidelink or PC5), in order to satisfy the requirements of V2X communications. Some studies claim that LTE-V2X can achieve better performance than IEEE 802.11p at physical layer. However, while IEEE 802.11p has been extensively evaluated and tested, the development of LTE-V2X is at its early stages and requires further study. The LTE-V2X standard reutilizes the cellular LTE physical layer but specifies two new operating modes. It includes a centralized mode (LTE-V2X mode 3), with which the messages are transmitted directly between vehicles but the base station performs the radio resource management. The standard also includes a distributed and autonomous mode (LTE-V2X mode 4), with which vehicles do not need the assistance of cellular infrastructure to select radio resources for their transmissions. For this mode, the standard introduces a new distributed and autonomous scheme to schedule and manage the radio resources, which is critical to avoid interferences between vehicles. The work presented in this thesis focus in LTE-V2X mode 4, since it is the baseline mode because V2X communications cannot depend on cellular coverage availability. Due to the recent standardization of LTE-V2X, the operation and performance of this new radio resource management system has not been extensively analyzed. Furthermore, the standard leaves some configurable aspects up to implementation that need to be studied and optimized. Additionally, currently there is still the need for a neutral and detailed comparative study between LTE-V2X and IEEE 802.11p under realistic conditions and considering realistic data sources that are consistent with the standards defined by the automotive industry. This study is needed by standardization bodies, regulation agencies and industry to compare the operation of both technologies in realistic scenarios. In this context, this thesis extensively studies and evaluates the performance and operation of LTE-V2X, with particular attention to its distributed radio resource management system. To this aim, the author has implemented a simulation platform in order to realistically evaluate the performance and operation of LTE-V2X at the system level. This platform has been fundamental to perform the first dimensioning analysis of LTE-V2X in the scientific community. This analysis has revealed the inefficiencies of the standardized radio resource management system of LTE-V2X, showing possible room for improvement. For the realistic evaluation of V2X communications, this thesis has also created a model for the generation of V2X messages following the standards created by the automotive industry. The proposed model embeds the characteristics of the communications traffic in vehicular networks more realistically than the simplified models that have been usually utilized in the community. Using the realistic and simplified message generation models, we have conducted the first neutral, detailed and realistic comparative analysis between LTE-V2X and IEEE 802.11p. This comparative study is of great interest for regulatory, industrial and scientific entities. The findings led us to propose enhancements to the standardized radio resource management for LTE-V2X. Our proposals include modifications to the current LTE-V2X standard that improves its performance as well as the proposal of new scheduling schemes. This includes a collaboration between LTE-V2X and IEEE 802.11p technologies in a possible future scenario where both technologies coexist. These proposals are designed to avoid the inefficiencies of the radio management mechanisms of LTE-V2X and contribute to its future evolution towards 5G-V2X.