Improved channel coding techniques for future mobile communication networks: the case of V2X communications

Abstract

In recent years, intelligent transportation systems (ITSs) have emerged as a crucial solution to the growing challenges of traffic safety and sustainability in modern urban environments. These advanced systems integrate infrastructure, vehicles, users, traffic management, and mobility services, creating a cohesive and efficient transportation network. At the core of ITSs lies Vehicle-to-Everything (V2X) communications, a revolutionary technology enabling seamless data exchange between vehicles and their surroundings. V2X encompasses various communication paradigms, including vehicle-to-vehicle (V2V), vehicle-to-network (V2N), vehicle-to-infrastructure (V2I), vehicle-to-roadside units (V2R), and vehicle-to-pedestrian (V2P) interactions. Through these communication channels, vehicles share critical information, such as location, speed, braking actions, and road conditions, enhancing road safety, optimising traffic flow, and providing real-time information to drivers and traffic management systems. Vehicular-to-everything (V2X) communications facilitate proactive decision-making and rapid response to potential hazards, playing a crucial role in reducing accidents, mitigating traffic congestion, and improving transportation efficiency. V2X technology is a vital component of smart cities, and represents a significant step toward safer, more sustainable, and intelligently connected urban environments. Channel coding is essential for reliable data transmission in V2X communication systems, even under challenging conditions. This thesis evaluates turbo codes, Low-Density Parity-Check (LDPC) codes and polar codes used in 4G-LTE V2X and 5G-NR V2X systems. Turbo codes, renowned for their superior error correction capabilities, have been extensively utilised in various communication standards. LDPC codes, on the other hand, have been shown to offer superior performance at high SNR levels. Polar codes, introduced in 5G-NR, provide strong error correction, especially in high SNR scenarios, and are notable for their non-iterative nature. By comparing these coding schemes, the research identifies the most suitable coding strategy for different V2X communication scenarios, considering factors such as data frame length, channel state, and traffic model. This thesis investigates and compares the performance of turbo codes, LDPC codes, and polar codes in 3GPP 5G-NR V2X Release 16 scenarios, focusing on small data frames within V2X communications. Extensive simulations are conducted to evaluate the Bit Error Rate (BER) and Frame Error Rate (FER) performance of these coding schemes across a range of traffic propagation models, channel states, and frame sizes. The impact of Quality of Service (QoS) parameters, including reliability, latency, data rate, communication range, power, and vehicle density, on system performance is also analysed. This analysis determines the optimal decoding scheme for small-frame 5G V2X environments. Furthermore, the thesis introduces and implements innovative V2X stochastic models for urban and highway traffic environments. For the urban model, the stochastic characteristics of Line-of-Sight (LOS), Non-Line-of-Sight (NLOS), and Non-Line-of-Sight with Vehicle obstruction (NLOSv) channel states are meticulously analysed and implemented. In a similar manner, the stochastic characteristics of LOS and NLOSv channel states are examined and applied in the highway model, based on 3GPP-defined large-scale and small-scale fading characteristics. The study's culmination is the development of five distinct stochastic 5G-NR V2X propagation models: highway-LOS, highway-NLOSv, urban-LOS, urban-NLOS, and urban-NLOSv. The analysis demonstrates that BCJR-based coding algorithms are optimal for reliability-focused QoS parameters, while polar and SOVA coding schemes excel in latency-focused QoS parameters. The analysis further demonstrates that MaxlogBCJR fulfils minimum latency specifications across all QoS scenarios and exhibits performance comparable to LDPC, thus establishing it as a reliable candidate for various 5G V2X communication scenarios. The research explores trade-offs between different coding schemes, providing recommendations for selecting the most appropriate strategy based on specific QoS requirements and operational contexts. Moreover, this thesis proposes a novel stochastic space- and time-varying propagation model based on real traffic data from large cities and motorways, thus providing a realistic simulation environment for urban and highway settings. The study examines the performance and efficiency of turbo, polar, and LDPC coding schemes under dynamic traffic conditions and varying channel states, highlighting the importance of adaptive coding schemes that respond effectively to changing communication environments, ensuring robust and reliable V2X communications. The research proposes novel path loss standards for dynamic traffic models, extending existing 3GPP 4G-LTE and 5G-NR V2X standards suitable for 5G-NR and mmWave 5G-NR systems. The dissertation also investigates the performance of 4G-LTE and 5G-NR coding schemes in mmWave 5G-NR V2X highway communication systems. The findings indicate that the maxlogBCJR algorithm is highly efficient for small data frame 5G-NR V2X highway communications due to superior power, range, and data rate performance. The suitability of mmWave 5G-NR for long-distance communications is limited, and severe performance degradation is observed in NLOS and NLOSv models. Further analysis demonstrates that polar coding excels in medium to good communication reliability, while BCJR-based algorithms, particularly maxlogBCJR, are effective in medium-density environments. In conclusion, this thesis thoroughly investigates the potential of turbo coding for small-frame 5G-NR and mmWave 5G-NR V2X communications, highlighting the strengths and weaknesses of different schemes in various propagation environments and QoS scenarios. By addressing the challenges of low latency and high reliability in high-density and high-mobility environments, this research contributes to the advancement of intelligent transportation systems and the realisation of their full potential.

Τα τελευταία χρόνια, τα ευφυή συστήματα μεταφορών (inteligent transportation systems, ITS) έχουν αναδειχθεί ως κρίσιμη λύση στις αυξανόμενες προκλήσεις της ασφάλειας της κυκλοφορίας και της βιωσιμότητας στα σύγχρονα αστικά περιβάλλοντα. Αυτά τα προηγμένα συστήματα ενσωματώνουν την υποδομή, τα οχήματα, τους χρήστες, τη διαχείριση της κυκλοφορίας και τις υπηρεσίες, δημιουργώντας ένα συνεκτικό και αποτελεσματικό δίκτυο μεταφορών. Στον πυρήνα των ITS βρίσκονται οι επικοινωνίες οχήματος προς τα πάντα (Vehicle-to-Everything, V2X), μια επαναστατική τεχνολογία που επιτρέπει την απρόσκοπτη ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ των οχημάτων και του περιβάλλοντός τους. Το V2X περιλαμβάνει διάφορα παραδείγματα επικοινωνίας, συμπεριλαμβανομένων των αλληλεπιδράσεων οχήματος προς όχημα (Vehicle-to-Vehicle, V2V), οχήματος προς δίκτυο (Vehicle-to-Network, V2N), οχήματος προς υποδομή (Vehicle-to-Infrastructure, V2I), οχήματος προς μονάδες οδοστρώματος (vehicle-to-roadside units, V2R) και οχήματος προς πεζούς (Vehicle-to-Pedestrian, V2P). Μέσω αυτών των διαύλων επικοινωνίας, τα οχήματα μοιράζονται κρίσιμες πληροφορίες, όπως η θέση, η ταχύτητα, οι ενέργειες πέδησης και οι οδικές συνθήκες, ενισχύοντας την οδική ασφάλεια, βελτιστοποιώντας τη ροή της κυκλοφορίας και παρέχοντας πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο στους οδηγούς και τα συστήματα διαχείρισης της κυκλοφορίας. Οι επικοινωνίες V2X διευκολύνουν την προληπτική λήψη αποφάσεων και την ταχεία ανταπόκριση σε πιθανούς κινδύνους, διαδραματίζοντας κρίσιμο ρόλο στη μείωση των ατυχημάτων, τον μετριασμό της κυκλοφοριακής συμφόρησης και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των μεταφορών. Η τεχνολογία V2X αποτελεί ζωτικό στοιχείο των έξυπνων πόλεων και αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς ασφαλέστερα, πιο βιώσιμα και έξυπνα συνδεδεμένα αστικά περιβάλλοντα. Η κωδικοποίηση καναλιού είναι απαραίτητη για την αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων σε συστήματα επικοινωνίας V2X, ακόμη και υπό δύσκολες συνθήκες. Η παρούσα διατριβή αξιολογεί τους κώδικες turbo, τους κώδικες Low-Density Parity-Check (LDPC) και τους πολικούς κώδικες που χρησιμοποιούνται στα συστήματα 4G-LTE V2X και 5G-NR V2X. Οι κώδικες turbo, που έχουν αποδειχθεί ως εξαιρετικά αποδοτικοί στη διόρθωση σφαλμάτων, έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε διάφορα πρότυπα επικοινωνιών. Οι κώδικες LDPC, από την άλλη πλευρά, έχει αποδειχθεί ότι προσφέρουν βέλτιστες επιδόσεις σε υψηλά επίπεδα SNR. Οι πολικοί κώδικες, που εισήχθησαν στο 5G-NR, παρέχουν μεγάλη διόρθωση σφαλμάτων, ιδίως σε σενάρια υψηλού SNR, και διακρίνονται για τη μη επαναληπτική λογική αποκωδικοποίησης. Συγκρίνοντας αυτά τα συστήματα κωδικοποίησης, η έρευνα προσδιορίζει την καταλληλότερη στρατηγική κωδικοποίησης για διαφορετικά σενάρια επικοινωνίας V2X, λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως το μήκος πλαισίου δεδομένων, την κατάσταση του καναλιού και το μοντέλο κίνησης. Η παρούσα διατριβή διερευνά και συγκρίνει την απόδοση των κωδίκων turbo, των κωδίκων LDPC και των πολικών κωδίκων σε σενάρια 3GPP 5G V2X Release 16, εστιάζοντας σε μικρά πλαίσια δεδομένων στο πλαίσιο των επικοινωνιών V2X. Για το σκοπό αυτό διεξάγονται εκτεταμένες προσομοιώσεις για την αξιολόγηση των επιδόσεων του ρυθμού σφάλματος δυαδικού ψηφίου (bit error rate, BER) και του ρυθμού σφάλματος πλαισίου (frame error rate, FER) αυτών των συστημάτων κωδικοποίησης σε ένα εύρος μοντέλων διάδοσης της κυκλοφορίας, καταστάσεων καναλιού και μεγεθών πλαισίου. Αναλύεται επίσης ο αντίκτυπος των παραμέτρων ποιότητας υπηρεσίας (quality of service, QoS), συμπεριλαμβανομένης της αξιοπιστίας, της καθυστέρησης, του ρυθμού δεδομένων, της εμβέλειας επικοινωνίας, της ισχύος και της πυκνότητας οχημάτων, στην απόδοση του συστήματος. Η ανάλυση αυτή καθορίζει το βέλτιστο σχήμα αποκωδικοποίησης για περιβάλλοντα V2X με μικρά πλαίσια 5G.Επιπλέον, η διατριβή εισάγει και εφαρμόζει καινοτόμα στοχαστικά μοντέλα V2X για περιβάλλοντα αστικής κυκλοφορίας και κυκλοφορίας αυτοκινητοδρόμων. Για το αστικό μοντέλο, αναλύονται και υλοποιούνται ενδελεχώς τα στοχαστικά χαρακτηριστικά των καταστάσεων καναλιών οπτικής επαφής (Line-of-Sight, LOS), μη οπτικής επαφής (Non-Line-of-Sight, NLOS) και μη οπτικής επαφής με εμπόδια οχημάτων (Non-Line-of-Sight with Vehicle obstruction, NLOSv). Με παρόμοιο τρόπο, τα στοχαστικά χαρακτηριστικά των καταστάσεων καναλιού LOS και NLOSv εξετάζονται και εφαρμόζονται στο μοντέλο αυτοκινητοδρόμου, με βάση τα χαρακτηριστικά εξασθένισης μεγάλης και μικρής κλίμακας που ορίζονται από το 3GPP. Το επιστέγασμα της μελέτης είναι η ανάπτυξη πέντε διαφορετικών στοχαστικών μοντέλων διάδοσης 5G V2X: LOS, NLOSv και LOS αστικού μοντέλου διάδοσης, όπως επίσης LOS και NLOSv μοντέλου διάδοσης αυτοκινητοδρόμου αντίστοιχα. Η ανάλυση καταδεικνύει ότι οι αλγόριθμοι κωδικοποίησης με βάση το BCJR είναι βέλτιστοι για παραμέτρους QoS με επίκεντρο την αξιοπιστία, ενώ τα σχήματα κωδικοποίησης polar και SOVA υπερέχουν σε παραμέτρους QoS με επίκεντρο την καθυστέρηση. Η ανάλυση καταδεικνύει περαιτέρω ότι ο MaxlogBCJR πληροί τις προδιαγραφές ελάχιστης καθυστέρησης σε όλα τα σενάρια QoS και παρουσιάζει επιδόσεις συγκρίσιμες με τις επιδόσεις LDPC, καθιερώνοντάς τον έτσι ως αξιόπιστο υποψήφιο για διάφορα σενάρια επικοινωνίας 5G V2X. Η έρευνα διερευνά τις αντισταθμίσεις μεταξύ διαφορετικών σχημάτων κωδικοποίησης, παρέχοντας συστάσεις για την επιλογή της καταλληλότερης στρατηγικής με βάση συγκεκριμένες απαιτήσεις QoS.Επιπλέον, η παρούσα διατριβή προτείνει ένα νέο στοχαστικό μοντέλο διάδοσης που μεταβάλλεται στο χώρο και στο χρόνο και βασίζεται σε πραγματικά δεδομένα κυκλοφορίας από μεγάλες πόλεις και αυτοκινητόδρομους, παρέχοντας έτσι ένα ρεαλιστικό περιβάλλον προσομοίωσης για αστικές περιοχές και αυτοκινητόδρομους. Η μελέτη εξετάζει την FER απόδοση και την QoS αποδοτικότητα των σχημάτων κωδικοποίησης turbo, polar και LDPC υπό δυναμικές συνθήκες κυκλοφορίας και μεταβαλλόμενες καταστάσεις καναλιού, αναδεικνύοντας τη σημασία των προσαρμοστικών σχημάτων κωδικοποίησης που ανταποκρίνονται αποτελεσματικά στα μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα επικοινωνίας, εξασφαλίζοντας ισχυρές και αξιόπιστες επικοινωνίες V2X. Η έρευνα προτείνει νέα πρότυπα απώλειας διαδρομής για δυναμικά μοντέλα κίνησης, επεκτείνοντας τα υπάρχοντα πρότυπα 3GPP 4G-LTE και 5G-NR V2X κατάλληλα για συστήματα 5G-NR και mmWave 5G-NR.Η διατριβή διερευνά επίσης την απόδοση των σχημάτων κωδικοποίησης 4G-LTE και 5G-NR σε συστήματα επικοινωνίας mmWave 5G-NR V2X. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι ο αλγόριθμος maxlogBCJR είναι ιδιαίτερα αποδοτικός για επικοινωνίες mmWave 5G-NR V2X με μικρά πλαίσια δεδομένων λόγω της ανώτερης απόδοσης ισχύος, εμβέλειας και ρυθμού δεδομένων. Η καταλληλότητα του mmWave 5G για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων είναι περιορισμένη και παρατηρείται σοβαρή υποβάθμιση των επιδόσεων σε μοντέλα NLOS και NLOSv. Περαιτέρω ανάλυση καταδεικνύει ότι η πολική κωδικοποίηση υπερέχει στην περίπτωση της μέτριας έως καλής αξιοπιστίας επικοινωνίας, ενώ οι αλγόριθμοι με βάση το BCJR, ιδίως ο maxlogBCJR, είναι αποτελεσματικοί σε περιβάλλοντα μέσης πυκνότητας κυκλοφορίας.Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή διερευνά διεξοδικά τις δυνατότητες των διαφόρων σχημάτων κωδικοποίησης για επικοινωνίες V2X μικρών πλαισίων σε 5G-NR και mmWave 5G-NR συστήματα, αναδεικνύοντας τα πλεονεκτήματα και τις αδυναμίες των διαφόρων σχημάτων σε διάφορα περιβάλλοντα διάδοσης και σενάρια QoS. Αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις της χαμηλής καθυστέρησης και της υψηλής αξιοπιστίας σε περιβάλλοντα υψηλής πυκνότητας και κινητικότητας, η παρούσα έρευνα συμβάλλει στην πρόοδο των ευφυών συστημάτων μεταφορών και στην αξιοποίηση όλων των δυνατοτήτων τους.