5G-NR radio planning for connected and autonomous vehicles services

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Teixeira, Grazielle Bonaldo
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/14637
Resumo: Tese para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e de Telecomunicações com especialização em Telecomunicações
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spelling 5G-NR radio planning for connected and autonomous vehicles services5G-NRConnected and autonomous vehiclesV2XRadio planningVeículos autónomos e conectadosPlaneamento rádioTese para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e de Telecomunicações com especialização em TelecomunicaçõesThe 5G network development is enabling many emerge technologies as connected and autonomous vehicles (CAV), promising a significant impact in the telecommunications industry in the future. In this thesis, was performed 5G radio planning by coverage and capacity, entirely when CAV applications are provided, requiring minimum and maximum user data rates according to different services categories from 5GMOBIX project. 5G air interface was explored joint to MIMO and modulation orders configurations, intending to analyse the different results in two diverse highways around Lisbon, for urban and rural propagation environments. Vehicles traffic model was simulated using real statistic numbers, aiming to compute more effective KPIs while the radio planning. The final number of sites calculated were compared regarding to each scenario simulated as well as the number of vehicles supported for each service category. The results showed that the cell ranges reached in DL were tens of kilometres, despite of some meters in UL for some network configurations. Also, the radio resources showed being enough when minimum user data rate is required, nevertheless when maximum user data rate is required, new cell and vehicle ranges recalculation were needed, reaching much higher number of sites due to the cell capacity limitation. The number of sites required in urban environment showed being the double when comparing to rural, due to the higher vehicles traffic.O desenvolvimento das redes móveis 5G está permitindo o surgimento de muitas outras tecnologias como veículos autónomos e conectados (CAV), prometendo impacto significativo na indústria das telecomunicações no futuro. Nesta tese, foi realizado planeamento rádio 5G por cobertura e capacidade, para aplicações CAV (e.g. Vehicle platooning, Advanced driving, Extend sensors, Remote driving and Vehicle QoS support), quando estes exigem mínima e máxima taxa de dados do utilizador de acordo com o projeto 5GMOBIX. Considerando que CAVs podem ter seis níveis de automação, de 0 à 5, de acordo com as tarefas que estes desempenhem, foram considerados veículos de nível 3. As comunicações V2X foram criadas para desenvolver mais segurança e eficiência no tráfego e economia no consumo de energia nas ruas e rodovias. Estas foram padronizadas em comunicações baseadas em WLAN e redes celulares. O primeiro apoia-se no mesmo protocolo do Wi-Fi IEEE 802.11p e o segundo (C-V2X) nos protocolos do 3GPP desenvolvidos para redes móveis como LTE, onde foi primeiramente definido e 5G, que é a base desta tese. A arquitetura 5G apresenta é padronizada pelo 3GPP e apresenta-se em duas formas, Standalone (SA) e Non-Standalone (NSA), onde o segundo apoia-se na estrutura core e radio do 4G mas tirando vantagem da interface rádio do 5G. Esta confuguração, permite que o 5G alcance o alto padrão de qualidade de serviço requisitado pelos estudos de caso que são: (i) enhanced mobile broadband (eMBB), (ii) ultra-reliable and low-latency communications (URLLC) and (iii) massive machine-type communications (mMTC). CAV se enquandra no segundo grupo. A interface rádio do 5G, herdou características do 4G e introduziu outras significativas. No 5G, há dois ranges de frequências. FR1 até 7125 MHz e FR2 de 24 à 52 MHz, ambos grupos com diferentes larguras de banda disponíveis. Para esta tese foi utilizado 3.5 GHz de frequência central, e largura de banda de 10 à 100 MHz. Esta banda, é definida pelo 3GPP como sendo TDD, ou seja, é necessário apenas um canal para que transmissor e receptor se comuniquem, e os símbolos OFDM são dispostos no domínio do tempo e configurados como DL, UL ou flexíveis dentro de cada time slot. O método de multiplexação é o mesmo utilizado no 4G, OFDM, que devido à orthogonalidade das subportadoras, permite que estas não interfiram entre si, e assim possam compartilhar o espectro rádio. Uma das principais características do 5G que difere do 4G, é a introdução das numerologias que referem-se ao espaçamento entre subportadoras. Estas, são diferentes, de acordo com o range de frequência a ser utilizado. Nesta tese, numerologias 0, 1 e 2 são aplicadas, ou seja, 15, 30 e 60 KHz de espaçamento. Considerando o formato de onda OFDM, e que um radioframe tem 10 ms e 14 símbolos, desta forma, é possível calcular o tempo de símbolo e número de resource blocks para as diferentes configurações de numerologia, largura de banda, e frequência utilizada, tornando o acesso radio mais flexível e possibilitando a aplicação de diferentes configurações para diferentes serviços. As modulações QPSK, 16QAM, 64QAM e 256QAM foram utilizadas neste trabalho, todas em UL e DL, uma vez que no 5G, são utilizadas diferentes modulações para diferente tipos de mensagens (e.g. dados, controle). MIMO também foi utilizado em matrizes de 2x2, 4x4 e 8x8, alterando o ganho de transmissão de acordo com o aumento do número de layers de antennas. O modelo desenvolvido para simular o planeamento rádio do 5G pra CAVs, foi baseado nas definições do 3GPP. O planeamento foi realizado em cobertura e capacidade, considerando os ambientes rural e urbano, em duas autoestradas do distrito de Lisboa em Portugal. Foram calculados KPIs relevantes e seus limites foram comparados, explorando todas as configurações aplicadas. No planeamento pela cobertura, foi utilizado o modelo do 3GPP para cálculo do PL de acordo com a distancia ao gNB, utilizando a componente aleatória fornecida de acordo com o ambiente de propagação de maneira a atingir valores mais realistas. Estes, resultaram em valores médios de 30 dB de diferença entre LOS e NLOS devido aos valores de desvio padrão definidos, sendo maiores em NLOS devidos às obstruções do sinal. Os valores médios do PL, foram utilizados para calcular a potência do signal recebido RSS, também com sua componente aleatória. Os valores mais baixos encontrados para RSS foram na borda da célula de -95, -113, -94 e -126 dBm em UL, e -71, -89, -70 e -102 dBm em DL, para RMa LOS, RMa NLOS, UMa LOS e UMa NLOS, respectivamente. Posteriormente, os valores de SNR para cada modulação foram definidos, utilizando a simulação de um canal AWGN hipotético que resultou em um gráfico de BER por EB/N0, onde BER foi definido como 1%, e os valores de SNR foram considerados como sendo os de Eb/N0 (i.e. 4, 8, 12 e 16). Estes foram valores de entrada para calcular a sensibilidade dos veículos e do gNB, que apresentaram aumento significativo com a largura de banda e diferença de 1 dB entre as numerologias em ambos ambientes. O PL maximo permitido MAPL, foi calculado considerando 99% de cobertura, onde os maiores valores foram em DL principalmente quando a modulação QPSK e MIMO 8x8 são utilizados. A distância máxima gNB-veículos foi também simulada, apresentando ser menor de acordo com o aumento da largura de banda, atingindo máximo de 23 km em ambiente rural LOS em DL, e mínimo de 72 m em ambiente urbano para NLOS em UL. A distância entre sites foi calculada em todos os cenários, utilizando a máxima distância gNB-veículos resultando em máximo de 40 km e mínima de 12 km para ambiente rural e LOS para DL e UL respectivamente, sendo que 1/3 dessa distância é atingida para largura de banda de 100 MHz. O número final de sites necessários para cobrir a área simulada de 5 km para largura de banda de 100 MHz resultou em 13 à 25 sites em ambiente rural e 20 á 70 sites em ambiente urbano. De acordo com as configurações utilizadas para o planeamento pela cobertura, foi também simulado o número máximo de veículos suportado por célula de acordo com o serviço. O planeamento pela capacidade, baseou-se na modelagem realista do tráfego na hora de ponta em duas autoestradas de Lisboa, a comparação do tráfego de dados exigido dos veículos com a capacidade da rede e destacados os pontos em que a rede é limitada pela cobertura e pela capacidade, calculando também KPIs relevantes para a análise. O resultado da modelagem de tráfego encontrou 23 veículos por km em ambiente urbano e 9 veículos por km em ambiente rural. Sabendo a taxa de dados por serviço do projecto 5GMOBIX, e aplicando percentagem à esses serviços de acordo com uma presumida penetração, atingiu-se taxa de dados total mínima e máxima requerida por km de autoestrada de acordo com o ambiente de propagação, resultando para ambiente urbano mínimo de 108 Mbps e máxima de 2.82 Gbps. E para ambiente rural mínima de 42 Mbps e máxima de 1.1 Gbps. Simulando a capacidade da rede esta mostrou-se ser maior consoante maior a largura de banda principalmente com a utilização da modulação de 256QAM. Posteriormente, a carga de tráfego foi simulada de acordo com a taxa de dados total mínima e máxima requerida por km de autoestrada multiplicada pela máxima distância gNB-veículos calculada durante o planeamento pela cobertura. A carga de tráfego apresentou-se ser maior quanto maior o raio de célula ou distância em UL, porém para ambiente rural LOS DL este apresentou-se ter menor carga de tráfego do que ambiente urbano LOS DL devido ao menor número de veículos. Racio de célula foi aplicado comparando a carga de tráfego com a capacidade da rede, com o intuito de indicar os pontos em que o planeamento é limitado pela cobertura ou pela capacidade e assim recalcular a máxima distância gNB-veículos. Assim, novo número de sites foi simulado após análise das limitações das células, onde resultados mostram que para 100 MHz de largura de banda e mínima taxa de dados exigida, a rede apresenta-se ser apenas limitada pela cobertura e ter condições de prover recursos rádio para todos os veículos, mas quando máxima taxa de dados é exigida quase todos os cenário são limitados pela capacidade devido às longas distâncias, principalmente em DL e para modulações mais baixas. Apenas MIMO 4x4 256QAM e MIMO 8x8 64QAM e 256QAM são limitados pela cobertura.Instituto Superior de Engenharia de LisboaSerrador, António João NunesRCIPLTeixeira, Grazielle Bonaldo2022-05-11T09:25:16Z2021-022021-02-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/14637TID:203036808engTEIXEIRA, Grazielle Bonaldo – 5G-NR radio planning for connected and autonomous vehicles services. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2021. Dissertação de Mestrado.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-08-03T10:11:06Zoai:repositorio.ipl.pt:10400.21/14637Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:22:24.771587Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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