Comunicaciones 5G NR V2X para el Vehículo Conectado y Autónomo
ALEJANDRO MOLINA GALAN

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. 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 de seguridad vial básicos. 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 había disponible en la comunidad un simulador de código abierto de NR V2X modo 2. Esta tesis ha incluido la implementación de 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. Se espera que estos servicios generen tráfico V2X aperiódico de tamaño variable según el 3GPP. Se demostró que los patrones de tráfico variable impactan significativamente 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 implementaron el mecanismo de re-evaluación. Además, estos estudios solo consideraron 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. Este estudio realizado en esta tesis es entonces la primera evaluación 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 evitación de colisiones de paquetes. El análisis 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. Si otro vehículo ha reservado los mismos recursos, el mecanismo de re-evaluación selecciona nuevos recursos. El estándar 3GPP permite diferentes estrategias para 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, 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 revela que las dos estrategias estandarizadas presentan un equilibrio entre la latencia de transmisión y el costo computacional del mecanismo de re-evaluación. Esta tesis propone entonces una estrategia alternativa (estrategia first-slot) que reduce la latencia de transmisión y el costo 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 re-evaluación 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 detectadas. 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.