5G NR V2X Communications for Connected and Automated Vehicles

Abstract

Los vehículos autónomos dependen de sensores integrados para conducir con poca o ninguna intervención humana. En los últimos años, el rendimiento de los sensores en los vehículos autónomos ha mejorado significativamente en términos de alcance de percepción y precisión de detección. Sin embargo, la efectividad de los sensores aún puede verse comprometida por condiciones climáticas adversas, obstáculos u otros factores, lo que puede afectar negativamente a la seguridad y eficiencia de los vehículos autónomos. Los vehículos conectados y autónomos pueden mitigar estos problemas a través de comunicaciones V2X (Vehicle-to-Everything), que permiten a los vehículos compartir datos entre sí. Gracias a las comunicaciones V2X, los vehículos conectados y autónomos pueden implementar servicios V2X avanzados como la percepción cooperativa y la conducción cooperativa para mejorar tanto la seguridad como la eficiencia del tráfico. La percepción cooperativa implica el intercambio de datos percibidos por los sensores sobre el entorno de conducción a través de las comunicaciones V2X. Esto permite a los vehículos complementar los datos obtenidos con sus sensores a bordo con los datos obtenidos por los sensores de los vehículos que tienen alrededor e intercambiados mediante V2X. La conducción cooperativa permite que los vehículos conectados y autónomos compartan sus intenciones de conducción y coordinen sus maniobras, lo cual es clave para realizar las maniobras de una manera más segura y eficiente. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) publicó el estándar 5G NR (New Radio) V2X en la Release 16. El estándar 3GPP 5G NR V2X (o NR V2X) soporta comunicaciones directas o sidelink (SL) de Vehículo a Vehículo (V2V) y de Vehículo a Infraestructura (V2I) y complementa a LTE V2X (es decir, el predecesor de NR V2X) que fue diseñado para servicios V2X básicos de seguridad vial. NR V2X ha sido diseñado para soportar servicios V2X avanzados para la conducción conectada y autónoma (como la percepción y conducción cooperativa) que tienen requisitos estrictos, por ejemplo, en términos de latencia y fiabilidad. Con este objetivo, NR V2X introduce dos modos de operación: modo 1 y modo 2. En el modo 1, la infraestructura celular gestiona y selecciona los recursos de comunicación para cada comunicación SL, mientras que en el modo 2, los vehículos seleccionan y gestionan los recursos radio de forma autónoma sin el apoyo de la infraestructura celular. En el modo 2, los vehículos también pueden reservar recursos radio de forma autónoma para sus futuras transmisiones de paquetes anunciando la reserva de recursos radio a los otros vehículos. La fase inicial de esta tesis coincide con la fase final del proceso de estandarización de NR V2X. Cuando se publica un nuevo estándar, es esencial estudiar su funcionalidad y evaluar su rendimiento. La evaluación del rendimiento proporciona los conocimientos necesarios para diseñar mejoras. En este contexto, esta tesis estudia, evalúa y mejora el estándar NR V2X, centrándose en la evaluación a nivel de sistema de las comunicaciones NR V2X modo 2. Esta tesis se centra en NR V2X modo 2 ya que asegura que la provisión de servicios V2X no esté limitada por la disponibilidad de cobertura celular. En la fase inicial de esta tesis no existía en la comunidad investigadora un simulador de código abierto de NR V2X modo 2. Esta tesis ha implementado un simulador de NR V2X modo 2 que cumple con los estándares 3GPP y sigue las directrices de evaluación del 3GPP. Este simulador ha sido utilizado en esta tesis para evaluar el estándar NR V2X modo 2 y las diferentes propuestas. Esta tesis primero se enfoca en analizar la eficiencia de NR V2X modo 2 para soportar servicios V2X avanzados. Estos servicios generan tráfico V2X aperiódico de tamaño variable según el 3GPP. Estudios anteriores demostraron que los patrones de tráfico variable impactan significativamente en la operación y el rendimiento de LTE V2X modo 4 (es decir, el análogo de NR V2X modo 2) debido a ciertas ineficiencias de la MAC (Medium Access Control). NR V2X modo 2 introduce nuevas características MAC para soportar servicios V2X avanzados para la conducción conectada y autónoma. Una de estas características es el mecanismo de re-evaluación o re-evaluation mechanism diseñado para detectar y evitar colisiones de paquetes. El mecanismo de re-evaluación es un mecanismo obligatorio que chequea antes de cada transmisión si los recursos seleccionados aún están disponibles. Si otro vehículo ha reservado los mismos recursos, el mecanismo de re-evaluación selecciona nuevos recursos. Estudios previos habían evaluado el rendimiento de NR V2X modo 2 con diferentes patrones de tráfico. Sin embargo, estos estudios no implementaban el mecanismo de re-evaluación. Además, estos estudios solo consideraban tráfico V2X periódico o aperiódico de tamaño fijo. Sin embargo, las directrices de la metodología de evaluación del 3GPP para NR V2X recomiendan modelos de generación de tráfico para servicios V2X avanzados que también incluyen tráfico de tamaño variable. El estudio realizado en esta tesis representa entonces la primera evaluación existente en la comunidad investigadora de una implementación completamente conforme al estándar NR V2X modo 2 con los patrones de tráfico recomendados por el 3GPP para servicios V2X avanzados. Este estudio muestra que NR V2X modo 2 aún experimenta desafíos a nivel MAC para soportar eficientemente tráfico aperiódico de tamaño variable. Esta tesis también realiza un análisis y evaluación en profundidad del impacto del mecanismo de re-evaluación en la operación y el rendimiento de NR V2X modo 2. Este estudio es el primero que analiza cuándo y por qué el mecanismo de re-evaluación es efectivo o no en la detección y prevención de colisiones de paquetes. El estudio llevado a cabo en esta tesis considera vehículos transmitiendo paquetes periódicos o aperiódicos de tamaño fijo o variable, siguiendo las directrices del 3GPP. El estudio muestra que el mecanismo de re-evaluación evita de forma efectiva las colisiones de paquetes con tráfico periódico de tamaño fijo, pero su impacto es pequeño ya que el número de colisiones de paquetes detectadas por el mecanismo de re-evaluación es bajo con este tráfico. Con tráfico aperiódico de tamaño variable, la efectividad del mecanismo de re-evaluación disminuye. NR V2X modo 2 permite que los vehículos realicen retransmisiones (es decir, más de una transmisión por paquete). La efectividad del mecanismo de re-evaluación para detectar y evitar colisiones mejora cuando se consideran las retransmisiones. Sin embargo, el impacto del mecanismo de re-evaluación en el rendimiento de NR V2X modo 2 es pequeño ya que el beneficio de las retransmisiones prevalece sobre las ganancias obtenidas con las colisiones de paquetes evitadas con el mecanismo de re-evaluación. El mecanismo de re-evaluación chequea antes de cada transmisión si los recursos seleccionados aún están disponibles (es decir, si otro vehículo no los ha reservado). Si otro vehículo ha reservado los mismos recursos, el mecanismo de re-evaluación selecciona nuevos recursos. El estándar 3GPP permite diferentes estrategias para determinar cuándo y con qué frecuencia realizar estos chequeos asociados con el mecanismo de re-evaluación. Esta tesis también evalúa el impacto de diferentes estrategias de chequeo del mecanismo de re-evaluación en el rendimiento de NR V2X modo 2 con tráfico aperiódico de tamaño variable. En particular, esta tesis evalúa dos estrategias diferentes propuestas por el estándar 3GPP para NR V2X modo 2 (que esta tesis denomina estrategias one-slot y all-slots). La evaluación llevada a cabo en esta tesis muestra que las dos estrategias del estándar presentan un equilibrio entre la latencia de transmisión y el coste computacional del mecanismo de reevaluación. Esta tesis propone entonces una estrategia alternativa (estrategia first-slot) que reduce la latencia de transmisión y el coste computacional sin degradar la fiabilidad de las transmisiones de NR V2X modo 2. Esta tesis muestra que el mecanismo de re-evaluación no es completamente efectivo para evitar las colisiones de paquetes generadas por tráfico aperiódico de tamaño variable porque muchas de las colisiones detectadas finalmente no ocurren, y seleccionar nuevos recursos con el mecanismo de re-evaluación aumenta el riesgo de colisiones de paquetes. Para abordar esta ineficiencia, esta tesis propone un mecanismo de re-evaluación selectivo (selective re-evaluation mechanism) que solo selecciona nuevos recursos cuando el vehículo está seguro de que una colisión detectada va a ocurrir, lo cual es el caso cuando la colisión se detecta con una reserva para una retransmisión de un paquete. El mecanismo de reevaluación selectivo es por lo tanto aplicable solo cuando NR V2X modo 2 está configurado con retransmisiones. Esta tesis muestra que el mecanismo de re-evaluación selectivo propuesto mejora la fiabilidad y la latencia de las comunicaciones NR V2X modo 2. Esta tesis también propone la técnica V2X Rebroadcasting, que puede aplicarse cuando NR V2X modo 2 está configurado para realizar una transmisión por paquete (es decir, sin retransmisiones). V2X Rebroadcasting mejora la eficiencia de la MAC de NR V2X para cualquier mensaje y patrón de tráfico V2X. Una de las ineficiencias predominantes que NR V2X modo 2 experimenta con el tráfico aperiódico de tamaño variable es causada por reservas no utilizadas. Las reservas no utilizadas ocurren cuando un vehículo reserva un recurso radio, pero finalmente no lo usa porque no tiene un paquete para transmitir en el momento de la reserva. El vehículo no puede informar a otros vehículos sobre los recursos que reserva para la siguiente transmisión, y esto aumenta el riesgo de colisiones de paquetes. Para reducir este riesgo, V2X Rebroadcasting permite a los vehículos retransmitir o rebroadcastear paquetes de otros vehículos en reservas no utilizadas. Al hacerlo, el vehículo puede utilizar el paquete rebroadcasteado para reservar recursos para su próxima transmisión, y por lo tanto reduce el riesgo de colisiones de paquetes. Además, la propuesta aumenta la fiabilidad de los paquetes rebroadcasteados. Los resultados demuestran que V2X Rebroadcasting reduce la probabilidad de colisiones de paquetes y mejora la fiabilidad de las comunicaciones V2X en comparación con el estándar NR V2X modo 2.

Automated vehicles rely on embedded sensors to drive with low or no human intervention. In recent years, the performance of sensors in automated vehicles has greatly improved in terms of perception range and detection accuracy. However, the effectiveness of sensors can still be compromised by adverse weather conditions, obstacles, or other factors, which can negatively impact the safety and efficiency of automated vehicles. Connected and Automated Vehicles (CAVs) can mitigate these issues through V2X (Vehicle-to-Everything) communications, which allow vehicles to share data with each other. Thanks to V2X communications, CAVs can implement advanced V2X services such as cooperative perception and cooperative driving to enhance both traffic safety and efficiency. Cooperative perception involves the exchange of data perceived by the sensors about the driving environment through V2X communications. This allows vehicles to complement the data obtained with their on-board sensors with data obtained by the sensors of surrounding vehicles. Cooperative driving enables CAVs to share their driving intentions and coordinate their manoeuvres which is key to achieve a smoother and safer traffic flow. The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) published the 5G NR (New Radio) V2X standard in Release 16. The 3GPP 5G NR V2X (or NR V2X) standard supports direct or sidelink (SL) Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Vehicle-to-Infrastructure (V2I) communications and complements LTE V2X (i.e. the NR V2X predecessor) that was designed for basic awareness services. NR V2X has been designed to support advanced V2X services for connected and automated driving (such as cooperative perception and driving) which have stringent requirements, e.g. in terms of latency and reliability. To this aim, NR V2X introduces two operating modes: mode 1 and mode 2. In mode 1, the celular infrastructure manages and selects the communication resources for each SL communication, while in mode 2, vehicles autonomously select and manage radio resources without the support of the cellular infrastructure. In mode 2, vehicles can also autonomously reserve radio resources for their future packet transmissions by announcing the reservation of radio resources to the other vehicles. The initial phase of this thesis coincides with the final phase of the NR V2X standardization process. When a new standard is published, it is essential to study its functionality and evaluate its performance. Performance evaluation provides the necessary insights to design improvements. In this context, this thesis studies, evaluates, and improves the NR V2X standard, with a focus on the system-level evaluation of NR V2X mode 2 communications. This thesis focuses on NR V2X mode 2 as it ensures that V2X service provisioning is not limited by the availability of cellular coverage. At the initial phase of this thesis, there were no open-source NR V2X mode 2 simulators available in the community. This thesis has included the implementation of an NR V2X mode 2 simulator that adheres to the 3GPP standards and follows the 3GPP evaluation guidelines. This simulator has been utilized in this thesis to evaluate the NR V2X mode 2 standard and the different proposals. This thesis first focuses on analyzing the efficiency of NR V2X mode 2 to support advanced V2X services. These services are expected to generate aperiodic V2X traffic of variable size according to 3GPP. Variable traffic patterns were shown to significantly impact the operation and performance of LTE V2X mode 4 (i.e. the counterpart of NR V2X mode 2) due to certain MAC (Medium Access Control) inefficiencies. NR V2X mode 2 introduces novel MAC features to support advanced V2X services for connected and automated driving. One of these features is the re-evaluation mechanism designed to detect and avoid packet collisions. The re-evaluation mechanism is a mandatory MAC feature that checks before every transmission if the selected resources are still available. If another vehicle has reserved the same resources, the re-evaluation mechanism selects new resources. Previous studies had evaluated the performance of NR V2X mode 2 under different traffic patterns. However, these studies did not implement the re-evaluation mechanism. In addition, these studies only considered periodic or aperiodic V2X traffic of fixed size. However, the 3GPP evaluation methodology guidelines for NR V2X recommend traffic generation models for advanced V2X services that also include traffic of variable size. The study conducted in this thesis is then the first evaluation of a fully standard compliant implementation of NR V2X mode 2 under the traffic patterns recommended by 3GPP for advanced V2X services. This study shows that NR V2X mode 2 still faces MAC challenges to efficiently support aperiodic traffic of variable size. This thesis also conducts an in-depth analysis and evaluation of the impact of the reevaluation mechanism on the operation and performance of NR V2X mode 2. This study is the first that analyzes when and why re-evaluation is effective or not in detecting and avoiding packet collisions. The analysis considers vehicles transmitting periodic or aperiodic packets of fixed or variable size, following 3GPP guidelines. The study shows reevaluation effectively avoids packet collisions with periodic traffic of fixed size, but its impact is small since the number of packet collisions detected by re-evaluation is low with this traffic. With aperiodic traffic of variable size, the effectiveness of re-evaluation decreases. NR V2X mode 2 allows vehicles to perform retransmissions (i.e. more than one transmission per packet). The effectiveness of re-evaluation to detect and avoid collisions improves when retransmissions are considered. However, the impact of re-evaluation on the performance of NR V2X mode 2 is small since the benefit of retransmissions prevails over the gains obtained with the packet collisions avoided with re-evaluation. The re-evaluation mechanism checks before every transmission whether the selected resources are still available (i.e., they have not been reserved by another vehicle). If another vehicle has reserved the same resources, the re-evaluation mechanism selects new resources. The 3GPP standard allows different strategies for when and how often to perform these checks associated with the re-evaluation mechanism. This thesis also evaluates the impact of different re-evaluation check strategies on the performance of NR V2X mode 2 under aperiodic traffic of variable size. In particular, it evaluates two different strategies proposed by the 3GPP standard for NR V2X mode 2 (that this thesis names one-slot and all-slots strategies). The evaluation reveals that the two standardized strategies balance transmisión latency and the computational cost of re-evaluation. This thesis then proposes an alternative strategy (first-slot strategy) that reduces transmission latency and computational cost without degrading the reliability of NR V2X mode 2 transmissions. This thesis shows that re-evaluation is not fully effective in avoiding packet collisions generated by aperiodic traffic of variable size because many of the detected collisions ultimately do not happen, and selecting new resources with the re-evaluation mechanism increases the risk of packet collisions. To address this inefficiency, this thesis proposes a selective re-evaluation mechanism that only selects new resources when the vehicle is certain that a detected collision is going to occur. This is only the case when the collision is detected with a reservation for a retransmission of a packet. The selective re-evaluation mechanism is therefore applicable only when NR V2X mode 2 is configured with retransmissions. This thesis shows that the proposed selective re-evaluation mechanism improves the reliability and latency of 5G NR V2X mode 2 communications. This thesis also proposes the V2X Rebroadcasting scheme, which can be applied when NR V2X mode 2 is configured to perform one transmission per packet (i.e. without retransmissions), while still improving the efficiency of the NR V2X MAC for any V2X message and traffic patterns. One of the predominant inefficiencies that NR V2X mode 2 experiences under aperiodic traffic of variable size is caused by unutilized reservations. Unutilized reservations occur when a vehicle reserves a radio resource, but does not finally use it because it has no packet to transmit at the time of the reservation. The vehicle cannot inform other vehicles about the resources it reserves for the following transmission, and this increases the risk of packet collisions. To reduce this risk, V2X Rebroadcasting allows vehicles to rebroadcast packets from other vehicles in detected unutilized reservations. By doing so, the vehicle can utilize the rebroadcasted packet to reserve resources for its next transmission, and hence reduces the risk of packet collisions. In addition, the proposal increases the reliability of rebroadcasted packets. The results demonstrate that V2X Rebroadcasting reduces the probability of packet collisions and improves the reliability of V2X communications compared to the standard NR V2X mode 2.