Fastening beam alignment in 5G NR FR2 vehicular communications

The evolution of communication technology in the recent years, has seen a growing interest towards a higher portion of the radio spectrum where large amounts of bandwidth are available. 5G NR is set to become the principal communication standard to enable the widespread usage of millimeter waves (mmWaves), for a range of different applications. In particular, the extreme data rates achievable at high frequencies, open the opportunity to implement new services satisfying stringent latency, high data volumes and availability requirements. The automotive and mobility sector is one of the main stakeholders in this transition, which is foreseen to provide the necessary tools for enhancing road safety, enabling traffic optimization and infotainment. The harsh propagation conditions at mmWaves, pose, however, numerous challenges to face, and the latest complete version of 5G NR standard, 3GPP Release 16, has left open points to be addressed in future releases. In this work, three of the most compelling open points are discussed: mmWave vehicle-to-anything (V2X) channel modeling, fast beam alignment procedures for initial access, and blockage prediction and mitigation. The adaptation of an open source simplified ray-tracer to mmWaves, serves as the basis for evaluating two novel solutions to fasten initial access beam alignment in vehicle-to-vehicle (V2V) communications: the former, based on a training phase, the latter, on image processing techniques applied to digital maps. The comparison with 5G NR standard procedure shows potential for improvements with limited complexity. Additionally, the line-of-sight blockage mechanism for V2V communication in highway is discussed and an analytical model to describe blockage duration is derived and validated by deterministic simulation. Actions for blockage mitigation are finally explored in case of cooperative and non-cooperative blocker.

L'evoluzione delle tecnologie di comunicazione negli ultimi anni, ha visto un crescente interesse verso una porzione più alta dello spettro radio, dove grandi quantità di banda sono disponibili. Il 5G NR è sulla strada per diventare il principale standard di comunicazione ad abilitare l'utilizzo diffuso delle onde millimetriche (mmWaves), in una gamma di diverse applicazioni. In particolare, gli estremi data rates raggiungibili ad alte frequenze, aprono all'opportunità di implementare nuovi servizi che soddisfino stringenti requisiti in termini di latenza, volumi di dati e availability. Il settore automobilistico e della mobilità è uno dei principali interessati in questa transizione, che si prevede fornirà gli strumenti necessari per migliorare la sicurezza stradale e abilitare l'ottimizzazione del traffico e l'infotainment. Le difficili condizioni di propagazione a mmWaves pongono, tuttavia, numerose sfide da affrontare, e la più recente versione completa dello standard 5G NR, 3GPP Release 16, ha lasciato punti in sospeso a cui rivolgersi nelle future releases. In questa tesi, sono affrontati tre dei più impellenti temi ancora aperti: la modellazione del canale mmWaves per le comunicazioni vehicle-to-anything (V2X), le tecniche di beam alignment rapido per l'accesso iniziale e la predizione e mitigazione del blockage. L'adattamento di un ray-tracer semplificato open-source a mmWaves, è servito come base per valutare due nuove soluzioni per accelerare il beam-alignment nelle comunicazioni vehicle-to-vehicle (V2V): la prima, basata su una fase di training, la seconda, su tecniche di image processing applicate alle mappe digitali. Il confronto con la procedura definita per il 5G NR, mostra potenziali miglioramenti con complessità limitata. In aggiunta, è discusso il meccanismo di blockage della line-of-sight nelle comunicazioni V2V autostradali, e un modello analitico per descrivere la durata del blockage è derivato e validato mediante simulazioni deterministiche. Le azioni per la mitigazione del blockage sono, infine, esplorate nel caso di blocker cooperativo e non.