ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| AUTOMOTIVE COMMUNICATIONS AND NAVIGATION | ING-INF/03 | LEZIONI | 60 |
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Per raggiungere livelli di automazione elevati, i veicoli saranno equipaggiati con un numero sempre più elevato di sensori. Questo significa che la connettività a larga banda appare critica per permettere ai veicoli e all’infrastruttura di aumentare la distanza di copertura e l’affidabilità. In aggiunta la connettività rende possibili altre applicazioni come “infotainment” o elevati livelli di coordinamento del traffico. Lo sviluppo dei sistemi di connettività veicolare di nuova generazione ad elevate prestazioni risulta però essere non indipendente. Si sta infatti affermando un nuovo significativo modello basato sul progetto congiunto delle funzioni di comunicazione, radar sensing e localizzazione, la cui integrazione e cooperazione permette maggiore efficienza spettrale ed energetica, riduzione delle dimensioni e costi dei dispositivi, e un notevole miglioramento delle prestazioni.
Alla conclusione del corso gli studenti avranno acquisito conoscenze inerenti:
Le conoscenze acquisite saranno verificate durante la sessione di esame orale.
Alla conclusione del corso, gli studenti sapranno:
Verranno svolti esempi numerici con il linguaggio Matlab con lo scopo di analizzare i sistemi introdotti nello svolgimento del corso.
Gli studenti potranno
Durante le esercitazioni verranno verificate e valutate
Parte I - Introduzione ai sistemi di comunicazione veicolare
- Definizione di Intelligent Transport System (ITS), banda 5.85-5.925 GHz.
- 5G Automotive Association, https://5gaa.org, (organizzazione che unisce
da Sept. 2016 piu’ di 130 aziende del settore automotive, telecomunicazioni, tecnologia
per lo sviluppo dei servizi futuri di mobilità).
- Definizione di connettività V2X ed evoluzione dei sistemi V2X.
- Comunicazioni dedicate a corto raggio (DSRC).
- Dispositivi di posizionamento e sensing.
Parte II - Standard IEEE 802.11p per DSRC
- Assegnazione e suddivisione della banda.
- Allocazione con accesso TDM del canale di controllo (CCH) e canali di segnalazione
(SCH) mediante il Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE).
- Struttura del livello fisico (PHY):
numero e spaziatura sottoportanti (SCS) OFDM, formati di modulazione,
codice convoluzionale, coding rate, reiezione del canale adiacente, bit rate disponibili.
- Struttura del livello MAC:
WAVE Basic Service Set (WBSS), segnalazione ‘’WAVE beacon’’ contenente i
parametri per l’autoconfigurazione, Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) per
gestire il meccanismo di ACK e ordinare l’accesso dei messaggi in base alla priorità.
Parte III - Standard IEEE 802.11bd per DSRC
- Evoluzione dello standard 802.11p per ridurre le limitazioni applicative (disponibile dal
2021-2022).
- Struttura del livello PHY:
numero sottoportanti OFDM ed efficienza in base al multipath fading e
Doppler spread, tecnica di codifica Low Density Parity Check (LDPC),
antenne multiple per spatial diversity o spatial multiplexing.
- Diversità in frequenza (DCM).
- Stima del canale mediante preambolo e midamboli inseriti nel frame.
- Ritrasmissione del frame per migliorare l’affidabilità.
- Tecniche di positioning: integrazione dei dati GPS con quelli DSRC.
- Interoperabilità tra i sistemi 802.11p e 802.11bd.
Parte IV - Standard 3GPP Cellular-V2X (C-V2X)
- Evoluzione dello standard 3GPP C-V2X:
comunicazione diretta Device-to-Device (D2D) di prossimità basata sull’interfaccia radio
4G Long Term Evolution (LTE), Release 12-13 LTE D2D;
comunicazione uplink, downlink e diretta (sidelink) a breve raggio nella banda ITS, solo
broadcast, Release 14-15 LTE V2X.
- Struttura del livello PHY:
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) in downlink (DL);
risorsa base allocabile nel tempo 1 subframe di 1 ms pari a 14 simboli OFDMA e in
frequenza 12 sottoportanti con SCS di 15 kHz pari a 180 kHz;
definizione di slot e radio frame;
simboli di sottoportante (dati QPSK, 16QAM, 64QAM e 256QAM codificati turbo,
simboli di controllo, simboli di riferimento per la stima di canale);
Single Carrier (SC) FDMA in uplink (UL) con risorsa base allocabile uguale al DL.
- Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) per spatial diversity o spatial multiplexing.
- Multimedia Broadcast Multicast Services (MBMS), interfaccia 3GPP punto-multipunto
per servizi in broadcast e multicast.
- C-V2X con interfaccia Uu:
interfaccia radio convenzionale tra eNodeB (stazione radio base LTE) e User Equipment
(UE).
- Modalità di trasmissione Uu:
ogni UE trasmette il messaggio al eNodeB in UL che lo invia in DL al UE di
destinazione;
il messaggio ricevuto puo’ essere trasmesso da un eNodeB a maggiore distanza
utilizzando l’unicast DL o eMBMS.
- C-V2X con interfaccia PC5:
interfaccia radio per comunicazione diretta (sidelink) tra gli UE senza passare dal
eNodeB;
struttura del pacchetto sidelink (payload dati e
Sidelink Control Information per le informazioni necessarie alla decodifica).
- Modalità trasmissione sidelink:
l’allocazione delle risorse sidelink è gestita da un eNodeB nel caso sia disponibile (Mode
3);
gli UE per i quali non è disponibile la copertura radio di un eNodeB effettuano
l’allocazione delle risorse sidelink autonomamente utilizzando un algoritmo di sensing
del canale in modo tale che gli UE vicini prenotino risorse ortogonali nel tempo, nella
frequenza o entrambi (Mode 4).
- Vantaggi e svantaggi delle interfacce LTE-Uu e LTE-PC5.
Parte V - Standard 5G NR V2X
- Introduzione allo standard 5G NR V2X: Release 16 e Release 17.
- Use cases definiti da 3GPP e 5GAA:
vehicles platooning; advanced driving; extended sensors; remote driving;
safety; vehicle operation management; convenience; traffic efficiency.
- Requisiti dei use cases:
payload; Tx rate; max latenza end-to-end; affidabilità; data rate.
- Esempio di architettura del sistema (5GS):
Next-Generation Radio Access Network (NG-RAN) e core network 5G (5GC);
modi di comunicazione V2X mediante interfaccia Uu o PC5 (sidelink sia per NR che LTE).
- Livello PHY 5G NR V2X sidelink (SL) - Numerologia OFDM scalabile:
bande di frequenza ITS, frequency range 1 (FR1), frequency range 2 (FR2);
formato di modulazione OFDM con 1 frame di 10 ms suddiviso in 10 subframe di 1 ms;
la numerologia è definita dalla durata del prefisso ciclico (CP), numero di slot per
subframe e SCS tra le sottoportanti (15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz), ed è scelta in
base allo scenario applicativo (frequenza portante, variabilità del canale, requisiti di
latenza).
- Livello PHY 5G NR V2X SL - Bandwidth Parts (BWPs):
definite come porzioni di banda contigue di una data portante con singola numerologia
utilizzate da UE che non possono gestire bande elevate per limitazioni sul consumo di
potenza;
le BWP e SL BWP nella banda disponibile possono avere numerologie diverse ottenendo
un uso più efficiente e flessibile delle risorse;
i segnali dati dei SL UE sono allocati nel SL BWP assieme ai segnali di riferimento e di
sincronizzazione;
il SL BWP è suddiviso in common resource blocks (RBs), ognuno di 12 sottoportanti
contigue con la stessa SCS data dalla numerologia del SL BWP.
- Livello PHY 5G NR V2X SL - Resource Pool (RP):
subset delle risorse SL disponibili, nel tempo (slots) e in frequenza (common RB in un
SL BWP), utilizzate da alcuni UE per le loro trasmissioni SL;
struttura e proprietà di un RP.
- Canali fisici del livello PHY 5G NR V2X SL:
Physical Sidelink Shared Channel (PSSCH) trasporta i dati del SL UE;
Physical Sidelink Control Channel (PSCCH) contiene le informazioni di controllo;
Physical Sidelink Broadcast Channel (PSBCH) contiene le informazioni di
sincronizzazione;
Physical Sidelink Feedback Channel (PSFCH) è usato per trasmettere il feedback HARQ
dal ricevitore al trasmettitore SL UE.
- Segnali fisici del livello PHY 5G NR V2X SL:
Demodulation Reference Signal (DM-RS) è utilizzato per la demodulazione del PSCCH,
PSSCH e PSBCH;
Channel State Information Reference Signal (CSI-RS) è usato come segnale di
riferimento per il sounding/reporting del CSI tra un trasmettitore e un ricevitore UE;
Sidelink Primary/Secondary Synchronisation Signal (S-PSS/S-SSS) sono utilizzati per la
sincronizzazione SL;
Phase Tracking Reference Signal (PT-RS) è usato come segnale di riferimento per la
compensazione del phase noise.
- Evoluzione del 5G NR V2X come integrazione del C-V2X.
- Coesistenza tra C-V2X e 5G NR V2X.
Parte VI - Sistema di posizionamento satellitare NAVSTAR GPS
(NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System)
- Introduzione ai sistemi di navigazione e specifiche del sistema GPS.
- Architettura del sistema GPS:
segmento Spazio, segmento Controllo, segmento Utente;
programma di aggiornamento.
- GPS differenziale (DGPS).
- Satellite-based augmentation system (SBAS):
European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS);
Wide Area Augmentation System (WASS).
- Ground-based augmentation system (GBAS):
maritime DGPS (MDGP).
Parte VII - Segnale trasmesso dai satelliti GPS
- Allocazione delle frequenze di trasmissione: L1, L2, L2C, L5.
- Formato: Direct-Sequence Spread-Spectrum Code Division Multiple Access (DS-SS-
CDMA) con modulazione BPSK.
- Codici di ranging: short code C/A, long code P(Y).
- Struttura del messaggio di navigazione NAV.
- Densità spettrale di potenza e livello di potenza del segnale ricevuto per L1 e L2.
Parte VIII - Algoritmi per la stima della posizione utente e del timing UTC
- Stima della distanza del ricevitore GPS dai satelliti in LOS mediante “one-way
ranging”.
- Differente accuratezza dei clock atomici dei satelliti e del clock del ricevitore.
- Stima della posizione del ricevitore e del timing UTC.
- Struttura del ricevitore utente:
principali funzioni di elaborazione del segnale;
acquisizione coarse del codice e dell’offset Doppler;
tracking del codice e dell’offset Doppler.
- Sorgenti di errore e prestazioni di accuratezza.
- Applicazioni del sistema GPS.
Parte IX - Integrazione delle funzioni di Comunicazione e Radar Sensing (JCR)
- JCR: Sistemi Communication-centric:
802.11ad Dual-function Radar Communications (DFRC);
sistemi Mobile Network DFRC;
stima dei parametri di Sensing.
- JCR: Sistemi Radar-centric:
inserimento dell’informazione nel segnale Radar trasmesso;
elaborazione del segnale Radar ricevuto per la comunicazione.
- JCR: Ottimizzazione congiunta delle funzioni di Comunicazione e Radar Sensing.
- Integrazione delle funzioni di Comunicazione, Sensing e Localizzazione (JCRL) per
l’interfaccia radio 6G.
Nessuna indicazione particolare.
Nessuna indicazione particolare.
