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Studio e analisi delle prestazioni del protocollo IEEE 802.11p per la guida autonoma di platoon di veicoli

Tesi di Laurea Triennale in Informatica

Matteo Carlo Giavarini

Matricola: 896141

Relatore: prof. Gian Paolo Rossi

Correlatore: dott. Christian Quadri

Anno accademico 2018-2019

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Perchè Platooning?

Vantaggi:

• Riduzione del traffico ed aumento della capacità stradale

• Riduzione di consumi ed emissioni inquinanti

• Miglioramento del comfort dell’automobilista

Comunicazione V2V

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Comunicazione veicolare:

Vehicle to Vehicle – V2V (a)

- IEEE WAVE:

• IEEE 802.11p: modifica lo standard 802.11 a livello MAC e PHY per consentire la comunicazione negli ambienti veicolari.

• IEEE 1609.X: gestisce le modalità di accesso al canale e media l’accesso al canale fisico per i pacchetti WAVE.

- ETSI ITS-G5

Vehicle to Infrastructure – V2I (b)

- 5G & LTE-V2X

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Nella realizzazione della guida cooperativa, assume particolare importanza la comunicazione veicolare e i protocolli a supporto di essa.

Esistono due modalità di comunicazione: una nella quale i veicoli comunicano direttamente tra loro, detta vehicle-to-vehicle (V2V); oppure una nella quale comunicano attraverso l’infrastruttura di rete mobile, detta vehicle-to-infrastructure (V2I).

(Esistono inoltre due alternative riguardo il protocollo di rete utilizzato nelle comunicazioni V2V con IEEE WAVE o ETSI ITS-G5)

Nella mia tesi mi sono occupato della comunicazione V2V supportata dalla suite di protocolli IEEE WAVE, composta: dal protocollo IEEE 802.11p; e dalla suite di protocolli IEEE 1609.X.

In particolare, IEEE 802.11p è un estensione del comune protocollo WiFi IEEE 802.11, modificato al fine di soddisfare i requisiti richiesti in ambito veicolare; ed è supportato dalla suite di protocolli IEEE 1609 nella gestione della comunicazione multicanale e nell'instradamento dei dati all'interno del sistema WAVE.

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Algoritmo di controllo CACC:

auto-controlla integrando le informazioni ricavate dal radar di bordo riguardo posizione, accelerazione e distanza con quelle fornitegli dal leader e dal veicolo che lo precede.

Il Cooperative Adaptive Cruise Coltrol (CACC) è in grado di formare,

mantenere e disgregare un plotone di veicoli. In particolare ogni veicolo si

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Obiettivi della tesi:

Analisi di aspetti che possono influenzare le prestazioni delle comunicazioni veicolari e la stabilità dei plotoni di veicoli.

In particolare:

Confronto tra le varie tipologie di Modulation and Coding Scheme (MCS).
Gestione dei plotoni: Valutazione delle performance tra scenari che dispongono molteplici plotoni affiancati e molteplici plotoni in fila l’uno all’altro.

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L’obiettivo di questa tesi è l’analisi di alcuni aspetti che possono influenzare le comunicazioni veicolari e la stabilità dei plotoni di veicoli.

In particolare, per quanto riguarda le comunicazioni veicolari si sono volute analizzare le caratteristiche richieste alle antenne per la trasmissione dei dati e l’attenuazione del segnale trasmesso in condizioni di line-of-sight (LOS) al crescere della distanza dal trasmettitore; per quanto riguarda invece la stabilità dei plotoni è stato svolto un confronto tra le prestazioni offerte da un veicolo teorico ideale e tre veicoli reali con prestazioni molto diverse, cercando di capire se la stabilità del plotone di veicoli ne risenta.

L'obiettivo di questa tesi è la simulazione e l'analisi dei protocolli di comunicazione veicolare, concentrandosi in particolare, sulla propagazione dei segnali radio e sulle caratteristiche cinetiche di un veicolo che possono influenzare la stabilità dei plotoni.

Per quanto riguarda la propagazione dei segnali radio, sono due gli aspetti che si sono voluti prendere in considerazione: le caratteristiche richieste alle antenne per la trasmissione dei dati e l'attenuazione del segnale trasmesso in condizione di line-of-sight (LOS) al crescere della distanza dal ricevitore. Per quanto riguarda invece la stabilità dei plotoni, è stato svolto un confronto tra le prestazioni offerte da un veicolo teorico ideale e tre veicoli reali con prestazioni molto diverse, cercando di capire se la stabilità del plotone di veicoli ne risenta.

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Strumenti di simulazione:

Simulatore di rete veicolare

Simulatore di

traffico stradale

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Confronto delle Modulation and Coding Scheme (MCS):

Il termine MCS in ambito di trasmissioni digitali, rappresenta una particolare tecnica di

elaborazione del segnale radio trasmesso, volta a garantire la trasmissione più ottimale possibile di un messaggio, ossia l'integrità dei dati attraverso un canale rumoroso che introduce errori nella trasmissione dei dati.

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MCS	DATA RATE	SENSIBILITA’ RICEVITORE	SNIR MINIMO	LOS RANGE	GRANDEZZA PLOTONE TEORICA
BPSK 1/2	3 Mb/s	-85 dB	10 dB	740 m	83
BPSK 3/4	4.5 Mb/s	-84 dB	11 dB	666 m	75
QPSK 1/2	6 Mb/s	-82 dB	13 dB	541 m	61
QPSK 3/4	9 Mb/s	-80 dB	15 dB	439 n	49
16 QAM 1/2	12 Mb/s	-77 dB	18 dB	320 m	36
16 QAM 3/4	18 Mb/s	-73 dB	22 dB	210 m	24
64 QAM 1/2	24 Mb/s	-69 dB	26 dB	139 m	16
64 QAM 3/4	27 Mb/s	-66 dB	27 dB	125 m	14

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Scenario di simulazione:

Parametri	Valore
Numero veicoli plotone	Grandezza teorica della relativa MCS
Tempo di simulazione	60s
Velocità del leader	100 Km/h
Oscillazione sinusoidale	Da 95 a 105 Km/h a 0.2 Hz
Distanza inter-veicolare	5 m
Controller	CACC
Frequenza di beaconing	10 Hz
Potenza di trasmissione	100 mW
Sensibilità d'antenna	In base alla MCS considerata
Modulation and coding schema (MCS)	In Base alla MCS considerata
Path-loss exponent	2.0

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Risultati ottenuti:

Tamponamento

Pacchetti da 200 Byte

Pacchetti da 800 Byte

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Pacchetti persi:

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MCS QPSK ½

Pacchetti da 200 Byte

MCS QPSK ½

Pacchetti da 800 Byte

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Distanze inter-veicolari:

MCS: QPSK ½

Pacchetti da 200 Byte

MCS: QPSK 1/2

Pacchetti da 800 Byte

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Ultimo veicolo

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Gestione dei plotoni:

Confronto delle prestazioni fisiche e di rete tra i seguenti scenari:

• 60 veicoli suddivisi in 4 plotoni affiancati VS 60 veicoli suddivisi in 4 plotoni in fila:

• 120 veicoli suddivisi in 4 plotoni affiancati VS 120 veicoli suddivisi in 4 plotoni in fila:

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L'analisi prevede, prima un calcolo teorico del path-loss per le antenne date, poi una verifica di quanto calcolato attraverso simulazioni che mostrino la distanza limite per cui le comunicazioni siano possibili con tali antenne.

In questa slide troviamo i grafici risultanti dal calcolo teorico sulla distanza massima di comunicazione. In ascissa troviamo la distanza in metri e in ordinata il valore della potenza rilevata in ricezione espressa in decibel. La potenza rilevata sarà sufficiente alla comunicazione solo finché sarà maggiore della sensibilità d’antenna, esibita in figura dalla linea verde e fissata a -82 dBm.

Dai grafici si può osservare che l’isotropica, riesce a comunicare efficacemente fino a 180 m comprendendo 21 veicoli nel plotone; la monopole fino a 150 m con 17 veicoli; la patch fino a 95 m con 11 veicoli; e la panorama solo fino a 50m con 6 veicoli.

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Distanze inter-veicolari 60 veicoli:

• Plotoni affiancati

• Plotoni in fila

Un Tamponamento

Nessun tamponamento

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Notevole instabilità

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In questa slide si può invece osservare i risultati delle simulazioni effettuate (come riscontro ai calcoli teorici) dal punto di vista della distanza inter-veicolare.

In ascissa troviamo il numero del veicolo e in ordinata la distribuzione della distanza inter-veicolare espressa in metri.

I risultati confermano quanto calcolato teoricamente, con 21 veicoli per l’isotropica, 17 per la monopole, 11 per la patch e 6 per la panorama.

L’analisi effettuata ci permette quindi di concludere che il path-loss in ambito veicolare influenzi significativamente il raggio di comunicazione e che l'antenna monopole è la migliore tra le antenne reali considerate. (Mentre invece la panorama è inadatta all’ambito veicolare.) Tuttavia bisogna considerare che l'analisi si è svolta in LOS e che in condizioni diverse i risultati potrebbero cambiare in favore della patch, la quale grazie alla posizione sugli specchietti, dovrebbe permettere trasmissioni in condizioni simili al LOS anche in condizioni normali.

L’analisi effettuata ci permette quindi di concludere che il path-loss in ambito veicolare influisce significativamente sulle comunicazioni con le antenne considerate, portando ad una riduzione del raggio di trasmissione a meno della metà rispetto alla condizione di free-space. Possiamo inoltre concludere che l'antenna monopole, a causa del maggior guadagno offerto nello spettro di irradiazione rispetto alla patch, è quella che permette comunicazioni a maggiore distanza tra le antenne reali considerate. Tuttavia bisogna anche considerare che l'analisi si è svolta in LOS e che in condizioni diverse i risultati potrebbero cambiare in favore della patch, la quale grazie alla posizione sugli specchietti, dovrebbe permettere trasmissioni in condizioni simili al LOS anche in condizioni normali.

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Pacchetti persi 60 veicoli:

• Plotoni affiancati

• Plotoni in fila

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Distanze inter-veicolari 120 veicoli:

• Plotoni affiancati:

• Plotoni in fila:

Un Tamponamento

Tre Tamponamenti

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Grave instabilità

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Pacchetti persi 120 veicoli:

• Plotoni affiancati

• Plotoni in fila

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Conclusioni

Modulation and Coding Scheme:

Le uniche due MCS che si sono rilevate sufficientemente robuste sono state in primis QPSK ½ con una capienza massima di 57 veicoli per plotone e successivamente 16QAM ½ con una capacità effettiva di 32 veicoli ed una minore stabilità del plotone.

• La codifica più semplice, BPSK ½ si è dimostrata molto efficiente per pacchetti di piccole dimensioni (200 Byte) ma totalmente inadeguata per pacchetti di dimensioni maggiori (800 Byte).

Gestione dei plotoni:

• La configurazione che ha mostrato maggiore stabilità in fatto di mantenimento della distanza inter-veicolare target e di efficienza in fatto di pacchetti persi è quella che dispone i plotoni affiancati sulle varie corsie, mentre la configurazione che dispone i plotoni in fila su un’unica corsia presenta maggiori criticità.

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Ricapitolando, si può concludere che, la panorama risulta inadatta alle comunicazioni in ambito veicolare, mentre monopole e patch riescono ad approssimare bene il comportamento dell’isotropica.

Aggiungendo l'influsso del path-loss in ambiente veicolare si è potuto inoltre comprendere quanto forte sia la sua influenza sul raggio di comunicazione e osservare che la monopole risulti essere la migliore tra le antenne reali considerate.

Infine, riguardo le prestazioni esibite dai veicoli con motori realistici, si è notato che maggiore è la prestazione esibita dal veicolo, migliore sarà la precisione con cui il veicolo manterrà la distanza target di 5m.

Ricapitolando, si può concludere che, già dalla prima analisi sulle tipologie d'antenna, la panorama risulta inadatta alle comunicazioni in ambito veicolare a causa del suo ridotto range di trasmissione dovuto all'attenuazione del segnale causata dal vetro del tettuccio panoramico.

Le antenne patch e monopole invece approssimano bene il comportamento dell'isotropica.

Aggiungendo l'influsso del path-loss in ambiente veicolare si è potuto inoltre comprendere quanto forte sia la sua influenza sul raggio di comunicazione e osservare che la monopole riesca effettivamente a trasmettere per 150m massimo, raggiungendo 17 veicoli e permettendo comunicazioni un terzo più lontano rispetto alla patch.

(Considerando tuttavia che l'analisi si è svolta in LOS e che in condizioni diverse i risultati potrebbero cambiare in favore della patch, la quale grazie alla posizione sugli specchietti, dovrebbe permettere trasmissioni in condizioni simili al LOS anche in condizioni normali.)

Infine, riguardo le prestazioni esibite dai veicoli con motori realistici, si è capito che riescono ad approssimare bene il comportamento del veicolo ideale nonostante la loro accelerazione sia dipendente dalla marcia inserita e dal numero di giri del motore, a differenza di quello ideale che accelera sempre al massimo dell'intensità.

Inoltre, si è notato che maggiore è la prestazione esibita dal motore realistico, migliore sarà la precisione con cui il veicolo manterrà la distanza target di 5m.

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Sviluppi futuri

Condizioni di simulazioni non ideali

Introduzione del rumore radio causato da apparati esterni
Utilizzo di antenne non-ideali / reali

Vehicle-to-infrastructure

5G
LTE-V2X

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Grazie dell'attenzione

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