Bài tập lớn thông tin di động IEEE 802.11bd 5G NR V2X – Sự phát triển của mạng truy nhập vô tuyến trong truyền thông V2X

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài IEEE 802 11bd 5G NR V2X – Sự phát triển của mạng truy nhập vô tuyến trong truyền thông.Vehicle to everything (V2X) – giao tiếp giữa xe cộ và vạn vật làm giảm đáng kể số vụ va chạm xe cộ, do đó giảm số trường hợp tử vong liên quan. Tuy nhiên lợi ích của V2X không chỉ giới hạn ở các ứng dụng an toàn. Các phương tiện có hỗ trợ V2X có thể quản lí giao thông tốt hơn dẫn đến phương tiện xanh hơn và chi phí nhiên liệu thấp hơn. Hệ thống giao thông thông minh (ITS) tạo thành các ứng dụng an toàn và phi an toàn cho phương tiện giao thông. Hiện nay, 2 công nghệ truy cập vô tuyến quan trọng (RAT) cho phép truyền thông V2X là giao tiếp phạm vi ngắn chuyên dụng (DSRC) và di động V2X (CV2X). DSRC được thiết kế chủ yếu hoạt đọng ở băng tần 5,9GHz đã được đánh giá cao ở nhiều quốc gia cho các ứng dụng ITS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

**********

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG

Đề tài: IEEE 802.11bd & 5G NR V2X – Sự phát triển của mạng

truy nhập vô tuyến trong truyền thông V2X

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh

Sinh viên thực hiện: Nhóm 3

Đào Thị Thu Giang 20172525

Vũ Thị Thu Trang 20172859 Trần Công Thịnh 20172836

Hà Nội, 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN HIỆN NAY 4

2.1 Dedicated short range communications (Giao tiếp tầm ngắn chuyên dụng) 4

2.2 Cellular V2X (C-V2X) 5

2.2.1 V2X sử dụng giao diện vô tuyến 6

2.2.2 V2X sử dụng giao diện vô tuyến PC5 6

CHƯƠNG 3 YẾU TỐ ĐỂ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ 8

3.1 Hiệu suất các công nghệ hiện có 8

3.1.1 DSRC 8

3.1.2 C-V2X 8

3.2 Các ứng dụng hỗ trợ và tính chất của chúng 9

3.3 Yêu cầu của ứng dụng xe cộ tiên tiến 9

CHƯƠNG 4 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA IEEE 802.11P 11

4.1 Mục tiêu 11

4.2 Cơ chế 12

4.2.1 Midambles 12

4.2.2 Sự truyền lại 13

4.2.3 OFDM 14

4.2.4 Điều chế sóng mang kép 14

4.2.5 Các tính năng khác của lớp PHY và lớp MAC 14

4.2.6 Tần số sóng mmWave 15

4.2.7 Hoạt động đa kênh 16

4.3 Thách thức 16

4.3.1 Khả năng kết hợp và tương thích dự phòng 16

4.3.2 Sự tồn tại 18

4.4 Các dự án hiệu quả 19

4.5 So sánh với IEEE 802.11P 20

CHƯƠNG 5 RADIO THẾ HỆ MỚI NR-V2X: SỰ TIẾN HÓA CỦA C-V2X 22

5.1 Mục tiêu 22

5.2 Một số thuật ngữ 23

5.2.1 Các chế độ sidelink NR-V2X 23

5.2.2 Unicast, Groupcast và Broadcast 24

5.3 Cơ chế 25

5.3.1 Sử dụng các NR Numerologies 25

5.3.2 Lập lịch slot, mini-slot và multislot 26

5.3.3 Ghép kênh PSCCH và PSSCH 26

5.3.4 Phản hồi của sidelink 27

5.3.5 Các chế độ phụ mới của NR Sidelink mode 2 27

5.4 Thách thức 28

5.4.1 Sự tồn tại song song của C-V2X và NR V2X 28

5.4.2 Tồn tại thông qua giao tiếp và các giai đoạn 30

5.5 Kế hoạch về hiệu suất 30

5.6 So sánh với C-V2X 31

CHƯƠNG 6 CÁC VẤN ĐỀ VỀ QUẢN LÝ PHỔ 32

6.1 Khả năng tương tác của C-V2X và DSRC 32

6.2 Tồn tại đồng thời với Wifi 32

6.3 Nhiễu ảnh hưởng từ các dải phát xạ bên ngoài 32

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Chèn Midambles để cải thiện kích thước kênh 12

Hình 2: Định dạng khung để truyền lại trong 802.11bd 13

Hình 3: Khả năng tương tác thông qua bổ sung dữ liệu 802.11bd 17

Hình 4: Khả năng tương tác thông qua các bit chẵn/lẻ a Ý tưởng b Triển khai 18

Hình 5: Định dạng khung để cùng tồn tại 802.11p – 802.11bd 19

Hình 6: Các kiểu giao tiếp trong NR - V2X 24

Hình 7: Ghép kênh PSCCH và PSSCH trong C-V2X và NR V2X a Ghép kênh trong C-V2X b Ghép kênh trong NR V2X 26

Hình 8: Cảm biến ngắn hạn và dài hạn trong NR V2X NR V2X có thể sử dụng lập lịch mini-slot để bắt đầu việc truyền tại các đầu của bất kỳ tín hiệu OFDM nào 28

Hình 9: Cơ chế tiền sử dụng trong NR V2X 30

Hình 10: Ảnh hưởng của Wi-Fi kênh lân cận đến hiệu suất của chế độ C-V2X 4 32

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Tổng hợp các từ viết tắt 3

Bảng 2: Yêu cầu QoS 10

Bảng 3: So sánh 802.11p và 802.11bd 21

Bảng 4: So sánh các tính năng của C-V2X và NR V2X 31

Bảng 5: So sánh IEEE 802.11bd & NR V2X 33

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Vehicle to everything (V2X) – giao tiếp giữa xe cộ và vạn vật làm giảm đáng kể

số vụ va chạm xe cộ, do đó giảm số trường hợp tử vong liên quan Tuy nhiên lợi ích của V2X không chỉ giới hạn ở các ứng dụng an toàn Các phương tiện có hỗ trợ V2X có thể quản lí giao thông tốt hơn dẫn đến phương tiện xanh hơn và chi phí nhiên liệu thấp hơn

Hệ thống giao thông thông minh (ITS) tạo thành các ứng dụng an toàn và phi an toàn cho phương tiện giao thông Hiện nay, 2 công nghệ truy cập vô tuyến quan trọng (RAT) cho phép truyền thông V2X là giao tiếp phạm vi ngắn chuyên dụng (DSRC) và di động V2X (C-V2X) DSRC được thiết kế chủ yếu hoạt đọng ở băng tần 5,9GHz đã được đánh giá cao ở nhiều quốc gia cho các ứng dụng ITS

Mặt khác, C-V2X có thể hoạt động ở băng tần 5.9GHz cũng như trong nhà cung cấp dịch vụ di động được cấp phép DSRC dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11p cho lớp vật lí (PHY) và kiểm soát truy nhập trung bình (MAC) DRSC sử dụng giao thức MAC đơn giản có đặc điểm tốt và có khả năng hoạt động phân tán Tuy nhiên việc áp dụng DSRC trên các phương tiện giao thông đã bị trì hoãn do khả năng mở rộng kém và những thách thức về giao tiếp do môi trường có tính di động cao gây ra Trong khi đó, dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) (là một sự hợp tác giữa các nhóm hiệp hội viễn thông, nhằm tạo ra một tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 3) đã phát triển C-V2X – RAT dựa trên mạng 4G (LTE) có thể cho phép các phương tiện có khả năng C-V2X hoạt động theo cách phân tán khi không có cơ sở hạ tầng di động, trong khi tận dụng cơ sở hạ tầng để phân bố nguồn lực hiệu quả khi các phương tiện hoạt động trong phạm vi phủ sóng

Các tài liệu và nghiên cứu hiện nay cho thấy C-V2X mang lại lợi thế về hiệu suất

so với DSRC về link budget (là độ lợi và tổn hao trong quá trình thu và phát), khả năng chống nhiễu cao hơn và có khả năng phục hồi với những đường truyền không có tầm nhìn thằng (non-LOS) Hơn nữa, các nghiên cứu chỉ ra rằng cả DRSC và C-V2X đều có thể hỗ trợ một cách đáng tin cậy các ứng dụng an toàn yêu cầu độ trễ end to end khoảng

(QoS) của các trường hợp sử dụng V2X trở nên chặt chẽ hơn (bao gồm cả các ứng dụng nâng cao của V2X) thì hiện tại cả 2 phương pháp trên đều chưa cung cấp được hiệu suất như mong muốn

Để giảm khoảng cách hiệu suất giữa DSRC và C-V2X cũng như hỗ trợ các chế

độ hoạt động bổ sung và tăng thông lượng được cung cấp, đề tài mới có tên là IEEE 802.11 Next Genaration V2X được phát triển vào năm 2018

NR V2X dự kiến sẽ hỗ trợ các ứng dụng nâng cao V2X đảm bảo yêu cầu QoS nghiêm ngặt hơn nhiều so với các ứng dụng C-V2X Một số nghiên cứu cho thấy độ trẽ thấp nhất có thể đạt được là 3ms và độ tin cậy là 99.999%

Về mục tiêu thiết kế, 802.11bd và NR V2X có những điểm đồng nhất như là: cải thiện độ tin cậy của các dịch vụ được cung cấp, giảm độ trễ đầu cuối và hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu thông lượng cao

Mặt khác 3GPP không áp đặt ràng buộc tương tự đối với NR V2X Xe được trang

bị NR V2X vẫn có thể giao tiếp với các thiết bị C-V2X Tuy nhiên, các giao tiếp này có thể thực hiện được thông qua một hệ thống radio kép (dual-radio) – một bên dùng cho C-V2X và bên còn lại dùng cho NR

IEEE 802.11bd và NR V2X là những công nghệ hiện đại đang được phát triển hiện nay Dưới đây là một số đặc điểm và chức năng chính sẽ có khả năng được đưa vào tiêu chuẩn cuối cùng của hai công nghệ trên:

+ Đưa ra bản tóm tắt ngắn gọn về mục tiêu chính của 802.11bd và NR V2X, tiếp theo là mô tả chi tiết về các cải tiến quan trọng được thực hiện cho DSRC và C-V2X trong quá trình phát triển 802.11bd và NR V2X tương ứng

+ Chi tiết về những thách thức sẽ gặp phải trong quá trình thiết kế 2 RAT và các giải pháp tiềm năng của chúng

+ Dự báo hiệu suất của 802.11bd và NR V2X

+ Một số rào cản đối với việc khai thác và quản lí công nghệ V2X

Bảng dưới đây là tổng hợp một số từ viết tắt Thuật ngữ DSRC và 802.11p thay thế cho nhau

Long Term Evolution Medium Access Control (layer) Modulation and Coding Scheme Non line-of-sight

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Packet Delivery Ratio

Physical (layer) Physical Sidelink Control Channel Physical Sidelink Feedback Channel Physical Sidelink Shared Channel Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service

Quadrature Phase Shift Keying Radio Access Technology Single Carrier Frequency Division Multiple Access Time Division Multiplexing

User Equipment Unlicensed National Information Infrastructure Vehicel-to-Everything

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN HIỆN NAY 2.1 Dedicated short range communications (Giao tiếp tầm ngắn chuyên dụng)

Theo truyền thống, các tiêu chuẩn Wifi đã được phát triển cho các ứng dụng có tính di động thấp Tuy nhiên vì DSRC được thiết kế cho mạng xe cộ có đặc điểm là tính di động cao, các cải tiến đã được đưa ra để làm cho DSRC phù hợp với những môi trường như vậy

Ở lớp vật lí, DSRC ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) với băng thông khoảng 10MHz Do đó, so sánh với Wifi thì khoảng cách giữa các sóng mang phụ của DSRC giảm đi 2 lần

Ở lớp MAC (Datalink), giao thức được sử dụng là đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA – Carrier Sense Multiple Access)

Giao thức CSMA / CA hoạt động trên sơ đồ "lắng nghe trước khi nói chuyện" (listen before talk) Để truyền một gói, một trạm phải cảm nhận được phương tiện và phải đảm bảo rằng phương tiện đó không hoạt động trong khoảng thời gian không gian liên khung DCF (DIFS) được chỉ định trước khi truyền Nếu một trạm có một gói tin

để truyền ban đầu cảm thấy phương tiện đang bận, sau đó trạm đợi cho đến khi phương tiện trở nên nhàn rỗi trong khoảng thời gian DIFS, và sau đó chọn một "bộ đếm ngược" ngẫu nhiên để xác định khoảng thời gian trạm phải đợi cho đến khi nó được phép truyền

Tuy nhiên, không có dự phòng theo cấp số nhân (Exponential back-off) trong DRSC, tức là tham số Contention Window được sử dụng trong giao thức MAC dựa trên tranh chấp vẫn cố định mà khoogn thay đổi, bởi vì 3 lí do sau: i DSRC được thiết

kế chủ yếu cho các hệ thống dựa trên broadcast, không có khung ACK báo nhận cho bên phát ii Việc lùi theo cấp số nhân có thể dẫn đến kích thước cửa sổ Contention Window, do đó dẫn đến thời gian trễ tăng lên

Exponential Backoff : là 1 thuật toán tính toán thời gian đợi giữa mỗi lần retries

theo hàm luỹ kế để việc thực hiện gửi lại request được hiệu quả nhất

Ví dụ như lần retries thứ 1 sẽ đợi 1s, lần retries thứ 2 sẽ đợi 2s, lần thứ 3 sẽ đợi 4s Tức là thời gian đợi sau mỗi lần retries sẽ không cố định mà sẽ tăng theo hàm luỹ

kế Và theo như thống kê, nếu làm theo cách này thì sẽ mang lại những hiệu quả sau: giảm tải của server, loại bỏ đi những request lãng phí, trước khi retries lại thì có thể ở phía server đã giải quyết xong lỗi

2.2 Cellular V2X (C-V2X)

Cellular là V2X RAT được phát triển bới 3 GPP trong Rel.14 Người dùng V2X có thể hưởng lợi từ việc tận dụng cơ sở hạ tầng di động phổ biến hiện có Tuy nhiên, vì không phảo lúc nào cũng dựa vào sự sẵn có của cơ sở hạ tầng Tuy nhiên C-V2X xác đinh chế độ truyền cho phéo truyền thông trực tiếp V2X bằng cách sử dụng kênh liên kết phụ trên giao diện PC5

C-PC5: là định nghĩa giao diện kết nối D2D (device to device) giữa hai UE (bao

gồm cả các mô hình kết nối 1:1, 1:n) PC5 dành cho kết nối D2D trực tiếp lớp 2, 3 không

có sự hỗ trợ bởi hạ tầng mạng Các thủ tục thiết lập kết nối sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau

Cấu trúc tài nguyên tần số thời gian cơ bản của C-V2X tương tự như LTE, tức là đơn vị phân bổ thời gian nhỏ nhất là một khung con (1ms bao gồm 14 kí tự OFDM) và gồm 12 sóng mang con rộng 15 KHz (tổng băng thông là 180KHz)

Trong mỗi sóng mang phụ OFDM, thiết bị C-V2X có thể truyền bằng cách sử dụng khóa dịch chuyển pha cầu phương (QPSK) hoặc sử dụng phương thức điều chế 16 QAM

Tuy nhiên ngoài các kí tự dữ liệu thì C-V2X còn truyền đi cả thông tin điều khiển

và thông tin tham chiếu Tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DMRS) là một trong những tín hiệu như vậy, được sử dụng để ước lượng kênh Trong mạng LTE, các ký hiệu DMRS được chèn vào hai trong số mười bốn kí hiệu OFDM Tuy nhiên, vì C-V2X được thiết

kế cho các môi trường có tính di động cao, bốn kí hiệu DMRS được chèn vào khung phụ C-V2X

2.2.1 V2X sử dụng giao diện vô tuyến

LTE-UU là giao diện không khí truyền thống giữa eNodeB và thiết bị người dùng

UE Bất kì UE nào sử dụng giao diện LTE-UU đều phải truyền thông điệp của nó tới eNodeB trong đường lên, eNodeB giống nhau hoặc khác nhau đến UE đích ở xa bằng cách sử dụng đường xuống unicast hoặc dịch vụ đa truyền phát đa phương tiện nâng cao (eMBMS) Do đó, một lợi thế chính của việc sử dụng LTE-UU là việc tăng phạm vi phổ biến có thể đạt được bằng cách tận dụng mạng lõi di động

Cải tiến LTE-UU cho V2X thường ở các lớp cao hơn (lớp Network trở lên) hoặc

ở cấp kiến trúc hệ thống C-V2X chủ yếu xem xét eMBMS đường xuống, nơi dữ liệu được truyền đến tất cả, nhiều UE đồng thời (broadcast) trái ngược với unicast – dữ liệu được truyền tới từng UE một

Kiến trúc eMBMS này được tối ưu hóa hơn nữa trong C-V2X bằng cách đưa các thực thể eMBMS gần hơn với eNodeB Điều này có lợi cho các ứng dụng V2X vì đối với hầu hết các máy phát trong C-V2X, máy thu dự kiến được cung cấp bởi cùng một eNodeB Một tính năng nổi bật là eNodeB chỉ định tài nguyên cho một UE không chỉ cho lần truyền tiếp theo mà còn cho một số lần truyền tiếp theo – lập lịch bán liên tục

2.2.2 V2X sử dụng giao diện vô tuyến PC5

Giao diện vô tuyến PC5 cho phép liên lạc trực tiếp giữa các UE mà không yêu cầu mọi gói tin phải đi qua eNodeB UE có thể sử dụng giao diện PC5 cả khi có và không có eNodeB

Một gói tin được truyền trên giao diện PC5 bao gồm thành phần dữ liệu và thông tin điều khiển liên kết bên (SCI) SCI mang thông tin quan trọng cần thiết để giải

mã việc truyền dữ liệu tương ứng, chẳng hạn như sơ đồ điều chế và mã hóa (MSC) được sử dụng, tài nguyên được sử dụng bởi các đường truyền hiện tại và tương lai

Kênh vật lí được sử dụng để truyền SCI được gọi là kênh điều khiển liên kết vật

lí (PSCCH), trong khi chân truyền chia sẻ liên kết vật lí (PSSCH) mang thành phần dữ liệu Trong V2X, PSCCH và PSSCH được ghép kênh về tần số, tức là được truyền trên các tài nguyên tần số khác nhau trong một khung con

2.2.2.1 C-V2X sidelink mode 3

Trong chế độ này thì việc phân bổ tài nguyên cho việc truyền liên kết phụ được

xử lý bởi eNodeB, sử dụng các cơ chết đáng chú ý như sau:

• Lập lịch nửa kiên trì: giống như LTE-UU, chế độ này lập lịch bán liên tục cho chế độ C-V2X 3

• Lập lịch dựa trên báo cáo của UE: UE có thế báo cáo các quan sát trên đường truyền vô tuyến để hỗ trợ eNodeB trong việc phân bổ tài nguyên

• Lập lịch dựa trên nhà cung cấp dịch vụ: Nếu có 2 hoặc nhiều nhà cung cấp dịch

vụ thì eNodeB có thể lập lịch tài nguyên để có thể cung cấp dịch vụ chuyển liên kết phụ qua các nhà cung cấp dịch vụ khác

2.2.2.2 C-V2X sidelink mode 4

Các UE bên ngoài vùng phủ sóng di động có thể sử dụng chế độ này Chế độ này cho các UE dự trữ tài nguyên một cách tự động bằng cách sử dụng thuật toán đặt trước tài nguyên Thuật toán bảo lưu tài nguyên này yêu cầu mỗi UE phải cảm nhận kênh trong

1 giây và xử lí kết quả phát hiện để đảm bảo rằng các UE hàng xóm đang rảnh sẽ chọn

và dự trữ tài nguyên trực giao (về tần số, thời gian hoặc cả tần số và thời gian) một cách bán liên tục, do đó giảm thiểu xung đột gói

CHƯƠNG 3 YẾU TỐ ĐỂ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ 3.1 Hiệu suất các công nghệ hiện có

3.1.1 DSRC

Trong những năm qua, DSRC đã được nghiên cứu rộng rãi bằng cách sử dụng các mô hình phân tích, các nghiên cứu mô phỏng mở rộng và các thử nghiệm thực địa Đại lượng được sử dụng để đặc trưng cho hiệu suất của DSRC là Packet Delivery Ratio (PDR), là tỷ số gửi thành công gói tin

Hiệu suất DSRC đạt yêu cầu đối với hầu hết các ứng dụng an toàn cho phương tiện giao thông yêu cầu độ trễ end-to-end khoảng 100 ms miễn là mật độ phương tiện vừa phải Tuy nhiên, nếu mật độ phương tiện vượt quá một giới hạn nhất định, hiệu suất DSRC sẽ nhanh chóng suy giảm do hai yếu tố chính, là xung đột gói do truyền đồng thời

và xung đột gói do các nút ẩn

Khả năng mở rộng kém của DSRC được giải quyết một phần bằng cách sử dụng các cơ chế kiểm soát tắc nghẽn Các cơ chế như vậy thường liên quan đến việc kiểm soát các tham số truyền như công suất truyền hoặc tốc độ truyền bản tin (theo số gói/giây) hoặc cả hai

3.1.2 C-V2X

So với DSRC, C-V2X là một công nghệ mới hơn và ít được nghiên cứu hơn Hầu hết các nghiên cứu mô tả hiệu suất C-V2X đều lấy kết quả của chúng từ các nền tảng mô phỏng Hiệu suất của C-V2X sidelink mode 4 (vượt trội hơn so với DSRC về link budget cao hơn Hơn nữa, kiểm soát tập trung các tài nguyên trong C-V2X sidelink mode 3 (yêu cầu hỗ trợ cơ sở hạ tầng di động để quản lý tài nguyên vô tuyến) dẫn đến việc sử dụng hiệu quả phổ, do đó dẫn đến đảm bảo hiệu suất tốt hơn

Tuy nhiên, bất chấp những cải tiến so với DSRC, khi mật độ lưu lượng tăng lên, hiệu suất của C-V2X cũng giảm nhanh chóng, đặc biệt đối với C-V2X mode 4 Thuật toán C-V2X mode 4 cho phép sử dụng lại tần số một khu vực địa lý nhất định Khi mật

độ giao thông tăng lên, khoảng cách sử dụng lại bị giảm, dẫn đến mức độ nhiễu giữa những người dùng C-V2X tăng lên

3.2 Các ứng dụng hỗ trợ và tính chất của chúng

Theo kết quả từ các nghiên cứu trước đây và các yêu cầu QoS đặt ra cho các ứng dụng an toàn, DSRC và C-V2X có khả năng hỗ trợ một bộ ứng dụng an toàn xe cộ cơ bản dựa trên việc cấp trình điều khiển - cảnh báo để chỉ ra các tình huống nguy hiểm có thể xảy ra Hầu hết các ứng dụng này đều yêu cầu gửi các thông báo định kỳ và có các yêu cầu khác nhau về chu kỳ từ 1–10 Hz và độ trễ end-to-end từ 50–100 ms Các ứng dụng này được thiết kế để hỗ trợ người lái xe trong việc lái xe an toàn và hiệu quả Các ứng dụng này được gọi là ứng dụng day-1 do các phương tiện V2X-capable có khả năng

hỗ trợ chúng trước bất kỳ use-cases nào

3.3 Yêu cầu của ứng dụng xe cộ tiên tiến

Ví dụ: trong khi các ứng dụng hiện có như hỗ trợ rẽ trái và đèn phanh điện tử khẩn cấp có lợi cho việc đảm bảo an toàn, các phương tiện tự hành sẽ yêu cầu phương tiện phải có khả năng truyền thông báo về sự thay đổi cơ động, căn chỉnh quỹ đạo, một loạt đội hình, trao đổi dữ liệu cảm biến, v.v Bên cạnh đó, ngay cả đối với các phương tiện do con người điều khiển, việc xử lý dữ liệu nhận được từ cảm biến của các phương tiện xung quanh Ví dụ, khi một phương tiện chia sẻ nguồn cấp dữ liệu camera trực tiếp với một phương tiện phía sau, dự kiến sẽ tăng độ an toàn hơn các ứng dụng an toàn cơ bản

Yêu cầu của một số ứng dụng xe cộ nâng cao đã được 3GPP nghiên cứu Các trường hợp sử dụng V2X tiên tiến này không chỉ cải thiện an toàn đường bộ mà còn hỗ trợ quản lý giao thông tốt hơn và đáp ứng nhu cầu thông tin giải trí của hành khách Các ứng dụng này thuộc bốn loại chính: (i) phân vùng phương tiện, (ii) lái xe nâng cao, (iii) cảm biến mở rộng, và (iv) lái xe từ xa Yêu cầu QoS của các ứng dụng này được tóm tắt trong Bảng 2

Use Case

Group

Max

Latency (msec)

Payload Size (Bytes)

Reliability (%)

Data Rate (Mbps)

Min Range (meters)

Bảng 2: Yêu cầu QoS

Như thể hiện trong Bảng 2, các yêu cầu về độ trễ và độ tin cậy của các ứng dụng V2X nâng cao này nghiêm ngặt hơn nhiều so với các yêu cầu của các ứng dụng an toàn

cơ bản Hơn nữa, các ứng dụng tiên tiến này được đặc trưng bởi việc sử dụng các gói có kích thước thay đổi và lớn và dựa vào các thông điệp được truyền theo chu kỳ Điều này hoàn toàn trái ngược với các ứng dụng dựa trên việc truyền tải các thông điệp an toàn cơ bản, được truyền theo định kỳ (thường là 100ms/lần) Do đó, để hỗ trợ các ứng dụng V2X đa dạng và đầy thách thức như vậy, cần phải tiến hành một cuộc cải tiến lớn đối với các công nghệ V2X hiện có

CHƯƠNG 4 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA IEEE 802.11P

4.1 Mục tiêu

Trong quá trình phát triển IEEE 802.11p, trọng tâm là phát triển một tiêu chuẩn giao tiếp dành cho phương tiện giao thông nhằm hỗ trợ (i) an toàn cho phương tiện, (ii) quản lý giao thông tốt hơn và (iii) các ứng dụng khác làm tăng giá trị, chẳng hạn như bãi đậu xe và nhận biết xe cộ Các yêu cầu đặt ra cho 802.11p được hỗ trợ:

• Vận tốc tương đối lên đến 200 km/giờ

• Thời gian phản hồi khoảng 100 ms

• Phạm vi liên lạc lên đến 1000 m

Chuẩn 802.11p bắt nguồn từ các lớp PHY và MAC của nó từ 802.11a Tuy nhiên,

kể từ đó, 802.11a đã nhường chỗ cho những chuẩn kế nhiệm của nó, tức là 802.11n và 802.11ac, trong khi 802.11ax đang trong giai đoạn tiêu chuẩn hóa cuối cùng 802.11p đã được phát triển gần hai thập kỷ trước, các công nghệ PHY và MAC tiên tiến được giới thiệu trong 802.11n/ac/ax có thể được tận dụng để nâng cao 802.11p Với mục tiêu này, IEEE 802.11 Next Generation V2X Study Group được thành lập vào tháng 3 năm 2018 Sau nghiên cứu khả thi ban đầu, IEEE 802.11bd Task Group đã được thành lập vào tháng

1 năm 2019 Các mục tiêu thiết kế chính của 802.11bd bao gồm hỗ trợ những điều sau:

• Ít nhất một chế độ đạt được gấp đôi thông lượng MAC của 802.11p với vận tốc tương đối lên đến 500 km/giờ

• Ít nhất một chế độ đạt được hai lần phạm vi giao tiếp của 802.11p

• Ít nhất một hình thức định vị xe liên quan đến giao tiếp V2X

Ngoài ra, 802.11bd phải hỗ trợ những điều sau:

• Khả năng tương tác: Các thiết bị 802.11p phải có khả năng giải mã (ít nhất một chế độ) truyền từ các thiết bị 802.11bd và ngược lại

• Cùng tồn tại: 802.11bd phải có khả năng phát hiện các đường truyền 802.11p

và trì hoãn truy cập kênh, và ngược lại

• Tương thích ngược: Ít nhất một chế độ 802.11bd phải tương thích với 802.11p

• Công bằng: Trong các kịch bản đồng kênh, 802.11bd và 802.11p phải có cơ hội truy cập kênh ngang nhau

4.2 Cơ chế

4.2.1 Midambles

Lớp 802.11 PHY dựa trên OFDM với 64 sóng mang phụ (sub-carriers), thường có khoảng cách sóng mang phụ là 312,5 kHz Lớp PHY của 802.11p được lấy trực tiếp từ 802.11a bằng cách giảm khoảng cách sóng mang phụ đi một phần hai Đối với các tốc

độ xe thông thường, khoảng cách sóng mang phụ 156,25 kHz cung cấp sự cân bằng giữa fading đa đường và trải phổ Doppler tương đối Do đó, một cách tiếp cận để thiết kế PHY của 802.11bd là sử dụng PHY 802.11ac làm đường cơ sở và một nửa khoảng cách sóng mang phụ (được ký hiệu là ''2×down-clock '') để 64 802.11bd các sóng mang phụ

có thể phù hợp với kênh 10 MHz Tuy nhiên, 802.11ac PHY sử dụng 2×down-clock với

mã Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp - Low Density Parity Check (LDPC), trên thực tế, hoạt động kém hơn so với 802.11p Hiệu suất phụ này của 802.11ac PHY được cho là do các biến thể kênh trong thời lượng khung, dẫn đến việc máy thu không thể giải mã khung

Hình 1: Chèn Midambles để cải thiện kích thước kênh

Để giải quyết vấn đề trên, 802.11bd đề xuất sử dụng midambles, có hình thức và chức năng tương tự như preamble ngoại trừ vị trí của chúng trong khung Preamble, ở đầu khung, được sử dụng để ước tính kênh ban đầu Tuy nhiên, đối với các kênh thay đổi nhanh, ước tính ban đầu có thể nhanh chóng trở nên lỗi thời Hình 1 cho thấy việc

sử dụng midamles trong 802.11bd Giả định rằng do tính chất thay đổi nhanh của kênh, ước tính kênh ban đầu thu được bằng cách sử dụng phần mở đầu chỉ có giá trị cho đến

Data_1 Do đó, nếu các ước tính kênh giống nhau được sử dụng để giải mã chuỗi dữ liệu sau Data_1, xác suất nhận sai sẽ tăng lên Midambles, sẽ được đưa vào giữa các ký hiệu

dữ liệu OFDM (trong trường hợp này là giữa Data_1 và Data_2) với tần số thích hợp, sẽ giúp theo dõi kênh để thu được các ước tính kênh chính xác cho tất cả các ký hiệu dữ liệu Tần suất chèn midamble sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như điều chế, kiểm soát lỗi, trải phổ Doppler, v.v… Lưu ý rằng trong C-V2X, các symbol DMRS cũng đóng một vai trò tương tự

4.2.2 Sự truyền lại

Một cơ chế để tăng độ tin cậy là có một hoặc nhiều lần truyền lại một gói tin Sử dụng cấu trúc khung thể hiện trong Hình 2, có thể đạt được độ tin cậy cho cả thiết bị 802.11p và 802.11bd

Hình 2: Định dạng khung để truyền lại trong 802.11bd

Trong Hình 2, Trường đào tạo ngắn kế thừa - Legacy Short Training Field STF), Trường đào tạo dài kế thừa - Legacy Long Training Field (L-LTF) và Tín hiệu kế thừa - Legacy Signal (SIG) là các trường mở đầu kế thừa có thể được giải mã bởi cả thiết

(L-bị 802.11p và 802.11bd Lưu ý rằng đối với các thiết (L-bị 802.11p, quá trình truyền gốc và (các) quá trình truyền lại của nó xuất hiện dưới dạng các gói độc lập và gói được nhận thành công miễn là một trong các lần nhận gói thành công Quá trình truyền ban đầu và (các) lần truyền lại của nó có thể được gửi trong cùng một cơ hội truy cập kênh hoặc bằng cách sử dụng các quy trình tranh chấp riêng biệt TGbd đề xuất một sơ đồ truyền lại thích ứng, trong đó các quyết định truyền lại một khung và số lần truyền lại dựa trên mức tắc nghẽn Một cơ chế truyền lại tương tự được sử dụng trong C-V2X để tăng độ tin cậy của nó

4.2.3 OFDM

Symbol OFDM bao gồm tiền tố chu kỳ và symbol dữ liệu thực tế Tính hiệu quả của OFDM, tức là, tỷ lệ giữa thời lượng symbol hữu ích và tổng thời lượng symbol, tăng lên khi khoảng cách sóng mang phụ giảm vì thời lượng prefix theo chu kỳ là bất biến của thời lượng symbol Để tăng hiệu quả OFDM, các thành viên TGbd đang khám phá việc sử dụng các số OFDM hẹp hơn (tức là khoảng cách sóng mang phụ) sao cho số lượng sóng mang phụ được tăng lên trong khi vẫn chiếm kênh 10 MHz Các tùy chọn này bao gồm 2×down-clock với 64 sóng mang phụ, 4×down-clock với 128 sóng mang phụ và 8×down-clock với 256 sóng mang phụ Tuy nhiên, việc thiết kế các số OFDM thay thế phải tính đến các vận tốc tương đối lớn nhất Các biến thể của kênh trong thời lượng khung có thể được ước tính bằng cách sử dụng midambles Tuy nhiên, nếu các biến thể xảy ra trên một symbol OFDM, thì nhiễu giữa các sóng mang có thể khó giảm thiểu

tự điều chế, DCM có thể giúp cải thiện hiệu suất block-error-rate (BLER) Ngoài ra, DCM có tiềm năng cải thiện phạm vi và đã được triển khai để mở rộng phạm vi trong 802.11ax

4.2.5 Các tính năng khác của lớp PHY và lớp MAC

Các tính năng khác của lớp PHY đang được xem xét để đưa vào 802.11bd bao gồm việc sử dụng mã LDPC và nhiều ăng-ten truyền/nhận để tăng độ tin cậy bằng cách

sử dụng phân tập không gian hoặc tăng thông lượng bằng cách sử dụng ghép kênh không gian