Evaluando la comunicación V2X con ancho de banda reducido

Los vehículos conectados están cada vez más presentes en nuestra vida diaria. Pueden comunicarse entre sí y con otras cosas como semáforos y peatones. A esta comunicación se le llama vehículo-a-todo (V2X). Sin embargo, ha habido un cambio reciente en las reglas que rigen cómo funciona la comunicación para estos vehículos. El gobierno de EE. UU. ha reducido la cantidad de espacio de frecuencia disponible para la comunicación V2X. Originalmente, había una banda más grande-75 MHz-reservada para este propósito, pero ahora solo quedan 30 MHz.

Con este cambio, mucha gente está preocupada sobre si este ancho de banda más pequeño es suficiente para que los vehículos compartan mensajes de seguridad importantes y aplicaciones que puedan mantener a todos en la carretera más seguros. Esta discusión se centra específicamente en un nuevo tipo de comunicación V2X llamado New Radio V2X (NR-V2X), enfocándose en su primer modo.

#La Importancia de la Tecnología V2X

La tecnología V2X juega un papel vital en la mejora de la seguridad vial. Al permitir que los vehículos se hablen entre ellos y con la infraestructura del tráfico, V2X puede ayudar a prevenir choques, reducir muertes, aliviar atascos y disminuir los efectos ambientales del transporte. Esto hace que la comunicación V2X sea clave para crear sistemas de transporte inteligentes para vehículos conectados.

Durante mucho tiempo, un espectro amplio de 75 MHz en 5.9 GHz ha estado reservado para servicios de transporte inteligente. Recientemente, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) decidió permitir el uso no autorizado de los 45 MHz inferiores de esta banda para usos como Wi-Fi. Los 30 MHz superiores restantes ahora están designados exclusivamente para V2X celular (C-V2X).

Dado este cambio, es esencial revisar qué aún se puede hacer en el limitado espectro de 30 MHz para asegurar que las aplicaciones de seguridad aún funcionen de manera efectiva.

#Investigación Anterior

Se han realizado muchos estudios sobre la tecnología C-V2X, pero no ha habido suficiente enfoque en cómo funcionará con el nuevo ancho de banda reducido para aplicaciones de seguridad. La latencia, o el tiempo que tarda un mensaje en viajar del remitente al receptor, es una de las medidas más críticas en redes. Una medida más compleja llamada tiempo de inter-recepción (IRT) mide el tiempo entre entregas exitosas de mensajes. Sin embargo, el IRT es principalmente útil para tipos específicos de transmisiones. Por lo tanto, este artículo se centrará en la medida más simple de latencia.

La literatura existente incluye diferentes enfoques para entender los sistemas V2X, pero ninguno determina de manera concluyente si el ancho de banda de 30 MHz es adecuado para la comunicación C-V2X en varias situaciones de tráfico. Los estudios actuales tampoco abordan las consecuencias de perder el 60% del ancho de banda.

Este documento se propone abrir la discusión sobre el funcionamiento de las tecnologías C-V2X en un entorno con ancho de banda reducido. En lugar de afirmar tener todas las respuestas, el objetivo es estimular más pruebas y discusiones sobre cómo los 30 MHz afectan el despliegue de aplicaciones de seguridad.

#Configuración del Estudio

Para este estudio, se creó un entorno urbano bidimensional para simulaciones. Este entorno tiene dimensiones específicas donde se instalan unidades de carretera (RSUs)-dispositivos que ayudan a comunicarse con los vehículos. Cada RSU puede comunicarse con vehículos dentro de un rango de 150 m, y hay obstáculos físicos como edificios y camiones grandes que pueden interferir con la comunicación.

Dos intersecciones con RSUs permiten examinar la posible interferencia en el rendimiento de C-V2X. Se supone que cada vehículo se comporta de manera consistente reiniciándose desde el extremo opuesto de la carretera después de llegar al final, por lo que el número de vehículos se mantiene constante para asegurarse de que la competencia por la comunicación sea justa.

#Parámetros de Comunicación

El estudio adopta los estándares establecidos por una importante organización de telecomunicaciones para NR-V2X. Un modo de operación, donde una estación base programa recursos de comunicación para vehículos, es el enfoque de esta investigación. La simulación incluye todos los canales importantes necesarios para la comunicación V2X, lo que permite que los vehículos envíen mensajes entre ellos y reciban información sobre el entorno.

En esta simulación, se supone que todos los vehículos tienen los mismos rangos de comunicación. El sistema admite diversas cantidades de bloques de recursos por canal, buscando un rendimiento consistente en un entorno de canal de 10 MHz.

El entorno de simulación está construido para imitar de cerca las condiciones de las carreteras urbanas usando un modelo específico de pérdida de trayectoria para entornos urbanos.

#Tipos de Mensajes en V2X

Diferentes tipos de mensajes son esenciales para las aplicaciones de seguridad. Ciertos mensajes tienen mayor prioridad debido a su importancia para prevenir accidentes. Estos mensajes pueden usarse para diversas aplicaciones vehículo-a-vehículo (V2V) y vehículo-a-infraestructura (V2I), incluyendo advertencias sobre colisiones e información sobre semáforos.

La asignación de prioridades a los mensajes es crucial, ya que los vehículos que comparten los mismos tipos de mensajes pueden tener diferentes necesidades según la cantidad de datos en cada mensaje y la frecuencia con la que necesitan comunicarse. Esto significa que algunas aplicaciones pueden funcionar bien incluso si utilizan los mismos tipos de mensajes.

#Desarrollo del Simulador

Esta investigación combina tres componentes principales: el simulador de comunicación NR-V2X, un simulador de entorno espacial y un simulador de conducción. El simulador de conducción permite a un usuario humano experimentar la tecnología de vehículos conectados de primera mano. Esta configuración mejora la comprensión de cómo la comunicación vehículo-a-vehículo puede mejorar la seguridad.

En una simulación de conducción típica, un participante utiliza un equipo de conducción que incluye monitores y controles para simular una experiencia de conducción realista. El simulador de conducción prueba escenarios donde la comunicación V2X podría prevenir accidentes, como cuando un vehículo intenta adelantar a otro que bloquea su vista.

#Métricas de Rendimiento

Para determinar si 30 MHz es suficiente para la operación NR-V2X, se elige la latencia como medida principal. La latencia se define como el tiempo máximo permitido entre la generación de un mensaje y su recepción. Este estudio se centra en cuánto tiempo tarda en llegar a los vehículos los mensajes enviados desde las RSUs.

La latencia se destaca como la medida más importante, ya que es crucial para establecer los requisitos de rendimiento. Además, se evalúa el impacto en la seguridad vial midiendo con qué frecuencia ocurren casi-choques durante las simulaciones de conducción.

#Resultados

Las simulaciones están diseñadas para medir qué tan bien se comunican las RSUs y los vehículos bajo diversas condiciones. Los resultados muestran con qué frecuencia los mensajes se reciben de manera exitosa y puntual.

Una mayor densidad de vehículos causa retrasos más largos en la recepción de mensajes, lo que significa que con más vehículos en la carretera, puede tardar más en que la información de seguridad llegue a los conductores. Por otro lado, si hay más RSUs, el retraso en la comunicación es más corto.

Los hallazgos indican que la mayoría de las aplicaciones que necesitan una latencia de 100 milisegundos pueden seguir funcionando bien en la configuración de 30 MHz. Sin embargo, con alta densidad de vehículos y solo una RSU presente, los mensajes de seguridad básicos pueden tener dificultades para cumplir con las necesidades de tiempo.

#Verificación a través de Simulaciones de Conducción

Se están desarrollando simulaciones de conducción para probar aún más cómo se comportan estos mensajes durante experiencias de conducción reales. La configuración del simulador de conducción enfatiza la importancia de la comunicación V2X al colocar a los conductores en escenarios donde no recibir mensajes podría llevar a accidentes.

La configuración del simulador de conducción busca reflejar situaciones de conducción realistas que destaquen las ventajas de la tecnología V2X para prevenir accidentes y mejorar la seguridad vial.

#Conclusión

Este estudio ofrece una primera mirada a cómo los sistemas V2X pueden funcionar con solo 30 MHz de ancho de banda. La mayoría de las aplicaciones pueden cumplir con sus requisitos de latencia incluso en este entorno limitado. El simulador que combina la comunicación V2X, un modelo de entorno y un simulador de conducción valida los resultados.

El trabajo futuro mejorará aún más el simulador para incluir una mayor variedad de condiciones de conducción y modos de comunicación, continuando la exploración de cómo los vehículos pueden comunicarse de manera eficiente y segura en las carreteras.