Testarea performanței privind latența interfeței LTE-V2X PC5

Testarea performanței privind latența interfeței LTE-V2X PC5

Tehnologia Cellular-V2X

Facilitând comunicația între vehicule și mediul înconjurător, tehnologia Cellular-V2X (C-V2X) a fost concepută pentru a acoperi cazuri de utilizare specifice domeniului auto. Sunt disponibile două tipuri de interfețe radio:

• Uu (LTE Uu și, mai recent, NR Uu) – utilizată pentru conectarea la stațiile de bază din rețeaua celulară, și
• PC5, care permite comunicarea directă între vehicule și unități rutiere (RSU – Road-Side Units).

C-V2X a fost proiectată special pentru schimbul eficient de mesaje cu latență redusă și debit de date ridicat, în imediata proximitate a vehiculului. În modul de comunicare directă prin PC5, C-V2X nu necesită nicio infrastructură de rețea. Această interfață dispune de un strat fizic robust, care include o densitate crescută de semnale de referință, scheme solide de modulare și codare, precum și codificare de canal.

Un vehicul echipat cu C-V2X, care utilizează interfața PC5, poate comunica direct în trei moduri:

• Vehicul – vehicul (V2V)
• Vehicul – infrastructură (V2I)
• Vehicul – pieton (V2P)

Comunicația LTE PC5

Standardul de interfață LTE PC5 este descris în specificația 3GPP versiunea 14 și a fost îmbunătățit în versiunea 15. Acesta se bazează pe stratul fizic LTE, cu anumite ajustări specifice pentru comunicațiile între vehicule. Printre aceste ajustări se numără:

• Independența față de infrastructura de rețea – oferă mai multe avantaje, precum latență redusă și partajarea imediată a informațiilor, fără a fi necesară stabilirea unei conexiuni cu rețeaua. Totodată, permite vehiculelor să comunice chiar și în afara ariei de acoperire a rețelei celulare.
• Difuzarea (broadcasting) – elimină necesitatea adresării explicite a mesajelor, ceea ce simplifică și accelerează procesul de diseminare a informațiilor. Dezavantajul este că nu pot fi vizați destinatari specifici cărora le-ar fi relevante acele informații.
• Rezistența la deplasarea emițătorului și a receptorului la viteze mari – aceasta este obținută prin adoptarea accesului multiplu cu diviziune în frecvență și purtătoare unică (SC-FDMA), utilizarea unei modulații robuste pentru informațiile de control, introducerea unei perioade de protecție suplimentare la sfârșitul subcadrului și utilizarea unui semnal de referință pentru demodulare (DMRS – Demodulation Reference Signal).

Cazuri de utilizare a modului direct C-V2X

Printre cazurile selectate de utilizare a tehnologiei V2X, în care schimbul direct de informații prin interfața PC5 aduce beneficii clare vehiculului aflat în mișcare, se numără:

Avertizare în caz de frânare de urgență – în această situație, un vehicul frânează brusc ca urmare a unui obstacol sau pericol apărut în fața sa. Un vehicul care circulă în spatele acestuia, cu o viteză relativ mai mare, riscă să intre în coliziune. Printr-un avertisment transmis rapid prin comunicația PC5, vehiculul din spate poate începe frânarea cu o întârziere minimă față de cel din față, reducând semnificativ timpul de reacție. Latența necesară pentru acest caz de utilizare este de 120 ms [1].

Avertizare de coliziune la intersecție – vehiculele care se apropie de o intersecție pot avea câmpul vizual obstrucționat de clădirile din jur, fiind astfel imposibil să se observe reciproc până când nu ajung efectiv în intersecție. Conștientizarea situației este afectată ceea ce poate duce la coliziuni laterale, adesea periculoase. Interfața PC5 poate atenua acest risc, permițând vehiculelor să devină conștiente unele de altele chiar și atunci când nu se află în linia directă a câmpului vizual. Latența necesară la nivel de serviciu pentru acest scenariu este de 100 ms [1].

Configurație de testare

Figura 1: Configurație de testare în laborator cu un MT1000A și două module C-V2X. (Sursa imaginii: Anritsu)

O configurație de testare pentru evaluarea performanței privind latența interfeței LTE PC5, prezentată în Figura 1, cuprinde un tester multifuncțional Anritsu MT1000A conectat la două module C-V2X, amplasate la o distanță de 50 de metri unul față de celălalt. Cele două module sunt configurate să comunice unidirecțional prin interfața PC5, funcționând în modul 4 (în afara acoperirii rețelei celulare). Deoarece accentul se pune pe performanța latenței interfeței PC5, doar un singur modul transmite la un moment dat, astfel încât mecanismul de detecție “ascultă înainte de a vorbi” să nu introducă interferențe sau întârzieri de transmisie.

Nu au fost testate distanțe diferite, deoarece întârzierea de propagare este neglijabilă, reprezentând doar 0,001% din latența totală de la un capăt la altul. Alte caracteristici, precum pierderile de semnal, nu fac obiectul acestui articol.

Folosind această configurație, se poate măsura latența completă a stivei ITS, de la nivelul fizic până la nivelul de mesaje (facilități). MT1000A utilizează ceasul intern pentru a marca pachetele UDP și pentru a măsura latența cu o precizie de 0,1 microsecunde.

Figura 2 Configurație de testare pentru măsurători C-V2X în condiții reale. (Sursa imaginii: Anritsu)

Această configurație poate fi adaptată cu ușurință pentru testarea pe teren, utilizând două sau mai multe unități MT1000A. Figura 2 prezintă o configurație care permite măsurarea latenței între unitățile OBU (On-Board Units) și RSU. Toate unitățile MT1000A sunt sincronizate în timp prin semnal GNSS, astfel încât pot fi amplasate în locații arbitrare și pot rămâne mobile.

Măsurători ale latenței interfeței PC5

Măsurătorile au fost efectuate utilizând configurația de testare prezentată în Figura 1 – cu un MT1000A și două module C-V2X. În acest caz, doar un modul transmitea la un moment dat, în timp ce celălalt recepționa.

Figura 3: Distribuția KDE a latenței la o rată de generare a pachetelor de 10 PPS. În general, dimensiunea sarcinii utile nu influențează semnificativ forma distribuției. (Sursa imaginii: Anritsu)

Latența interfeței PC5 a fost evaluată pe baza următoarelor setări  [2]:

• S-a utilizat schema de modulare și codificare cu indicele 15 (MCS – Modulation and Coding Scheme), corespunzătoare unei modulații 16QAM, cu rată de codificare 0,652 și cu o rată de biți în rafală de 15,648 Mbps.
• Lățimea de bandă a fost de 10 MHz, cu 5 subcanale (fiecare având 12 subpurtătoare).
• Rata de generare a pachetelor: 10 și 100 de pachete pe secundă (PPS – Packets Per Second).
• Dimensiuni ale sarcinii utile: 200, 400, 600, 800 și 1000 de octeți.

Aceste setări permit testarea performanței interfeței PC5 într-un interval realist de dimensiuni ale mesajelor [3].

Când rata de generare a pachetelor este setată la 10 PPS, latența măsurată variază între 13,5 ms și 28,3 ms, cu o valoare medie de 19,1 ms, în funcție de dimensiunea sarcinii utile.

Estimarea latenței prin KDE

Figura 4: Distribuția KDE a latenței pentru o rată de generare a pachetelor de 100 PPS. Distribuția se modifică odată cu creșterea dimensiunii sarcinii utile la 1000 de octeți. (Sursa imaginii: Anritsu)

Estimarea latenței prin KDE (Kernel Density Estimation), obținută prin aplicarea unei neteziri de tip kernel asupra distribuției de probabilitate, este ilustrată în Figura 3 și evidențiază o asimetrie pozitivă distinctă.

Atunci când rata de generare a pachetelor este setată la 100 PPS, latența variază între 12,9 ms și 27,8 ms, cu o valoare medie de 18,6 ms, pentru dimensiuni ale sarcinii utile de 200 și 800 de octeți. Distribuția KDE este prezentată în Figura 4 și evidențiază o asimetrie pozitivă distinctă, cu o scădere ușoară în jurul valorii de 21 ms. Pentru dimensiunea sarcinii utile de 1000 de octeți, latența variază între 13,4 ms și 27,8 ms, cu o medie de 19,6 ms. În acest caz, distribuția KDE nu mai este la fel de asimetrică, dar păstrează o scădere vizibilă în jur de 21 ms. Aceste scăderi sunt cauzate de mecanismele interne de programare ale dispozitivului.

Tabelul 1: Latențele pentru diferite dimensiuni ale sarcinii utile și rate de generare a pachetelor.

După cum arată măsurătorile, latența capăt–la–capăt (end-to-end) prin LTE PC5 se încadrează în limitele specificate pentru cazurile de utilizare V2X [1]. Cu toate acestea, vor fi necesare teste suplimentare pentru evaluarea latenței în condiții variate, cum ar fi interferențele radio sau congestia rețelei.

MT1000A Network Master Pro

MT1000A este un tester de teren all-in-one, utilizat pentru evaluarea unei game variate de parametri ai rețelelor de comunicații, inclusiv parametri de calitate precum latența, jitterul, erorile de model sau de secvență și pierderile de pachete. Dispozitivul are un design modular, cu module interschimbabile care suportă diverse combinații de tehnologii: 10G/100G Ethernet, OTN, SONET/SDH, OTDR și altele. Software-ul integrat este flexibil, ușor de utilizat și permite rularea de teste automate.

Pentru testarea latenței în aplicații V2X, MT1000A utilizează un protocol de aplicație personalizat, în care latența capăt–la–capăt este calculată ca diferența dintre momentul înregistrat la trimiterea pachetului și cel înregistrat la recepție. Precizia măsurării latenței este de ordinul microsecundelor, permițând astfel rezultate fiabile și analize detaliate.

Concluzie

Latența redusă reprezintă unul dintre principalele avantaje ale tehnologiei C-V2X. Prin urmare, este esențial ca această caracteristică să poată fi evaluată cu precizie și încredere. Testele trebuie efectuate în toate etapele ciclului de viață al sistemului – atât în faza de dezvoltare a modulelor, cât și în condiții reale, după implementare.

MT1000A, testerul de rețea portabil all-in-one, permite evaluarea completă a tuturor acestor aspecte într-un mod eficient și reproductibil.

Autor:
Pavol Polacek
Wireless specialist

Anritsu Corporation

Referințe

[1]  5GAA, “C-V2X Use Cases: Methodology, Examples and Service Level Requirements,” 5GAA, Munich, 2019.
[2]  3GPP, “3GPP TS 36.331 version 15.3.0 Release 15,” 3GPP, 2018.
[3] C. 2. C. C. Consortium, “Survey on ITS-G5 CAM statistics,” CAR 2 CAR Communication Consortium, 2018.
[4]  Anritsu, “MT1000A Introduction,” [Online]. Available: https://www.anritsu.com/en-us/test-measurement/products/mt1000a . [Accessed 30 09 2024].

Glosar de termeni: