6G empowering advanced vehicle-to-everything communications in mobile systems

Sixth generation (6G) systems represent a significant and emerging research endeavor, with the principal aim of this thesis being a substantial contribution to this field. 6G applications come with demanding requirements, necessitating a comprehensive overhaul of the network’s physical layer (PHY) design. Millimeter-wave (mmWave) communications with extensive antenna arrays are the primary solutions to meet high data rate and low latency demands. Nonetheless, the deployment of high-frequency networks and the need to account for user mobility introduce novel and complex challenges. This thesis is dedicated to addressing these challenges and proposing innovative solutions to tackle them. In this context, the automotive industry’s continuous advancement, driven by the growing demand for connected and autonomous vehicles (CAVs), is propelling the development of a new era in network systems. Vehicular communications, known as vehicle-to-everything (V2X) connectivity, are poised to play pivotal roles in 6G research. Additionally, integrated sensing and communication (ISAC) systems, capable of communication while sensing the scenario, are crucial for meeting 6G requirements. One of the first challenges under consideration is resource allocation within vehicleto-vehicle (V2V) networks. The current standard solution for distributed resource allocation, inherited from Long Term Evolution V2V (LTE-V2V), falls short in considering the beam-space dimension. In urban scenarios with limited propagation directions, like Manhattan’s layout, directional interference can be amplified, necessitating its inclusion in the time-frequency allocation scheme. The proposed solution represents a significant advancement, surpassing both the extensively investigated state-of-the-art approach and the established standard. This progress is achieved through the introduction of a three-dimensional bandwidth component that considers time, frequency, and spatial dimensions and a signaling procedure to mitigate directional interference. These enhancements result in improved performance metrics, including packet delivery ratio, channel occupancy ratio, and collision probability when compared to conventional approaches. Furthermore, this thesis addresses the intricate challenges of link and relay selection in V2X networks. It introduces a novel proactive relaying strategy that leverages the cooperative capabilities of CAVs and environmental data to predict dynamic line-of-sight (LoS) variations, critical at high frequencies. Empirical evidence highlights the efficacy of this approach in mitigating blockages and ensuring robust network connectivity. Moreover, the thesis focuses on the essential issue of reliable channel estimation, crucial for meeting 6G system requirements. It emphasizes the need for low-overhead channel estimation methods. To achieve this, an ISAC system, capable of simultaneously sensing the scenario and communicating with the user, is employed to enhance communication and improve channel estimation. An iterative algorithm is proposed to leverage sensing information, reducing overhead and achieving low mean square error channel estimation. This algorithm can recognize communication-contributing targets, correct potential radar-communication mode mismatches, and introduce new communication channel modes that may not be discernible within the sensing signal. Numerical simulations confirm the superiority of this approach compared to standard methods, evident in reduced channel estimate mean square error and symbol error rate. Finally, the thesis tackles the significant challenge of waveform design within ISAC systems, offering two tailored waveform designs to enable precise target estimation while maintaining communication service quality. These designs encompass classic Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) waveform design, extending it to accommodate sensing requirements. Importantly, they consider scenarios with less than full bandwidth occupancy, a practical consideration with potential impacts on target estimation performance. Numerical results validate the viability of these two waveform solutions for 6G ISAC systems.

L’avvio della ricerca nei sistemi di comunicazione oltre la quinta generazione (6G) ha recentemente segnato l’inizio di un notevole interesse sia in ambito accademico che industriale, e il principale scopo di questa tesi é apportare un significativo contributo a questo emergente ambito. Le rigorose esigenze imposte dalle applicazioni 6G richiedono una ristrutturazione completa del design dello strato fisico di rete (PHY). Infatti, le soluzioni candidate principali per soddisfare tali requisiti di elevata velocità di trasmissione dati e bassa latenza sono le comunicazioni a onde millimetriche (mmWave) con ampi array di antenne. Tuttavia, la distribuzione di reti ad alta frequenza e la mobilità intrinseca degli utenti introducono nuove e complesse sfide. Questa tesi si impegna a chiarire queste sfide e a proporre soluzioni innovative per affrontarle Nel contesto di questo crescente ambito di ricerca, l’industria automobilistica in continua evoluzione, trainata dalla crescente domanda di veicoli connessi e autonomi (CAV), sta spingendo lo sviluppo di nuovi sistemi di rete. Le comunicazioni veicolari, comunemente indicate come connettività veicolo-a-tutto (V2X), sono destinate a svolgere ruoli chiave per questa innovativa tecnologia. L’allocazione delle risorse per le reti veicolo-a-veicolo (V2V) è analizzata all’interno di sistemi 6G. La soluzione standard proposta per l’allocazione distribuita delle risorse, ereditata da LTE-V2X, presenta delle lacune in quanto non tiene adeguatamente conto della dimensione spaziale legata alla comunicazione direttiva ad onde millimetriche. Inoltre, in scenari urbani caratterizzati da limitate direzioni di propagazione, simili alla disposizione urbanistica di Manhattan, l’interferenza direzionale può essere amplificata. Tale interferenza deve essere attentamente incorporata nello schema di allocazione tempo-frequenza. La soluzione proposta rappresenta un notevole miglioramento, superando sia l’approccio dello stato dell’arte considerato sia lo standard consolidato. Questo progresso é ottenuto attraverso l’introduzione di una banda tridimensionale che non solo considera il tempo e la frequenza, ma incorpora anche la dimensione spaziale e una procedura di segnalazione con il fine di mitigare l’interferenza direzionale, migliorando perciò le prestazioni di rete in termini di packet delivery ratio, rapporto di occupazione di banda e probabilità di collisione nell’uso delle stesse risorse. Inoltre, questa tesi si pone l’obiettivo di migliorare la selezione di link e relay nelle reti V2X. Una nuova strategia di relay proattiva viene introdotta e sfrutta le capacità di cooperazione dei CAV e dei dati ambientali per prevedere le variazioni dinamiche di visibilità dei link nel network. Le evidenze empiriche sottolineano l’efficacia dell’approccio proposto nel mitigare l’ostruzione dei link e garantire una connettività di rete robusta. La tesi affronta la questione cruciale della stima affidabile di canale, un pilastro fondamentale per soddisfare le rigorose esigenze dei sistemi 6G. In particolare, si sottolinea la necessità di metodi di stima di canale a basso overhead. A questo scopo, viene utilizzato un sistema integrato di sensing e comunicazione (ISAC), in grado di svolgere contemporaneamente la funzione di percezione dello scenario e di comunicazione. Viene proposto un algoritmo iterativo per sfruttare le informazioni di sensing, riducendo così l’overhead e ottenendo una stima di canale a basso errore quadratico medio. Questo algoritmo mostra la capacità di riconoscere gli oggetti che contribuiscono al canale di comunicazione, correggere eventuali discrepanze tra i modi di canale di sensing e di comunicazione e introdurre nuove modalità di canale non discernibili all’interno del segnale di sensing. Le simulazioni numeriche ne dimostrano la superiorità rispetto alla stima di canale basata su piloti standard e alle soluzioni dello stato dell’arte che sfruttano i dati di sensing, come evidenziato dai miglioramenti nell’errore quadratico medio della stima di canale e nel tasso di errore di simbolo. Infine, questa tesi affronta la significativa sfida della progettazione di forme d’onda nei sistemi ISAC. Vengono proposte due soluzioni mirate a consentire una precisa stima dei bersagli pur garantendo la qualità del servizio di comunicazione. Queste proposte includono l’utilizzo della forma d’onda standard di Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e ne estendono l’uso per incorporare le esigenze di sensing. Inoltre, si distinguono dalle attuali soluzioni dello stato dell’arte in quanto considerano scenari con occupazione di banda inferiore al completo, una considerazione pratica che può influenzare le prestazioni di stima e localizzazione. I risultati numerici convalidano la validità di queste due soluzioni di forme d’onda per i sistemi ISAC 6G.