Improved Beyond 5G Physical Layer Design to Enable V2X Systems at High Frequencies

Beyond fifth generation (B5G) research has recently started and this thesis aims at contributing to it. The advances in the automotive industry with the ever-increasing request for connected and autonomous vehicles (CAVs) are pushing for a new era of network systems. Vehicular communications, or vehicle-to-everything (V2X), are expected to be the main actors of the new network technology. The hard requirements of the enhanced V2X applications demand a radical transformation of the design of the network physical layer (PHY). Indeed, high frequency communications with large antenna arrays are the main candidate solutions to satisfy the high rate and low latency requirements. However, the high mobility of vehicles and high frequencies introduce new challenges that are firstly presented, and then, addressed with novel solutions in this thesis. The first problem that is considered regards the waveform design. The current 5G new radio (NR) waveform Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) suffers inter carrier interference (ICI). Mobility introduces Doppler, and, thus, ICI. The high frequencies lead to high phase noise (PN). PN introduces further ICI. Thus, the combination of the two effects could be damaging for OFDM. Nevertheless, this aspect is not well-addressed in the current solutions. The first result of this thesis is a low complex joint PN and channel maximum likelihood estimation algorithm. The proposed solution outperforms the state-of-the-art approaches in terms of block error rate, requiring lower pilots' overhead to estimate the channel. Fast and optimized initial access (IA) spatial synchronization methods for the vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to infrastructure (V2I) are among the main contributions of this work. A non-uniform distribution of the communication directions due to road topology constraints motivates the design of Probabilistic Codebook (PCB) techniques with prioritized beams during V2V IA. The proposed approach outperforms the 5G NR exhaustive space scanning technique in terms of training time and requires less signalling than the literature position-assisted methods. Simulation results, supported by a set of experimental evidence, demonstrate that there is no winning method for IA in the V2I system. Even if the base station is equipped with radar or relies on the vehicle's onboard positioning systems. Numerical evaluations show that they provide complementary performance based on the position of the user in the served cell, moving the proposal to optimally combine radar and positioning information in a multi-technology integrated solution, which demonstrates to be optimal in terms of training time and gain losses. Lastly, the thesis focuses on the problem of link and relay selection in V2X. The thesis proposes a novel proactive relaying strategy that exploits the cooperation between CAVs and environment information to predict the dynamic line of sight evolution, which is vital at high frequencies. The numerical results prove that the proposed approach can counteract the blockage and provide high network connectivity.

La ricerca per la rete di oltre quinta generazione e' stata recentemente avviata e questa tesi mira a darne un contributo. I progressi dell'industria automobilistica con la crescente richiesta di veicoli connessi e autonomi spingono verso una nuova era dei sistemi di rete. Le comunicazioni veicolari (o V2X) saranno gli attori principali della nuova tecnologia di rete. I requisiti stringenti delle nuove applicazioni V2X richiedono una trasformazione radicale della progettazione del livello fisico della rete (PHY). Infatti, le comunicazioni ad alta frequenza con grandi array di antenne sono le principali soluzioni per soddisfare i requisiti di alta velocità e bassa latenza. Tuttavia, l'elevata mobilità dei veicoli e le alte frequenze introducono nuove sfide che vengono prima presentate, e poi, affrontate con soluzioni innovative in questa tesi. Il primo problema che viene discusso riguarda la progettazione della forma d'onda. L'attuale forma d'onda del 5G New Radio (NR) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) risente molto dell' interferenza tra le portanti. La mobilità introduce Doppler, e, quindi, interferenza tra le portanti. Le alte frequenze portano ad alto rumore di fase. Il quale introduce ulteriore interferenza tra le portanti. Pertanto, la combinazione dei due effetti potrebbe essere dannosa per l' OFDM. Tuttavia, questo aspetto non e' ben affrontato nelle soluzioni attuali. Il primo risultato di questa tesi e' un algoritmo di stima del rumore di fase e del canale con bassa complessità. La soluzione proposta supera gli approcci presenti nello stato dell'arte in termini di tasso di errore, richiedendo un overhead inferiore per la trasmissione dei simboli piloti per la stima. Tra i principali contributi di questo lavoro figurano i metodi di sincronizzazione spaziale rapida e ottimizzata dell'accesso iniziale per le comunicazioni veicolo-veicolo (V2V) e il veicolo-infrastruttura (V2I). La distribuzione non uniforme delle direzioni di comunicazione dovuta ai vincoli imposti della topologia stradale ha motivato la progettazione di tecniche con Probabilistic Codebook (PCB), proponendo puntamenti in direzioni prioritarie durante la sincronizzazione spaziale. L'approccio proposto supera la tecnica del 5G, basata su una scansione completa dello spazio, in termini di tempi di allineamento e richiede meno segnalazione rispetto ai metodi della letteratura che si basano sullo scambio della posizione. I risultati delle simulazioni, supportati da una serie di prove sperimentali, dimostrano che non esiste un metodo vincente per l'accesso iniziale nei sistemi V2I. Anche se la stazione base è dotata di radar o sfrutta i sistemi di posizionamento a bordo del veicolo. Le valutazioni numeriche però mostrano che le due tecniche forniscono prestazioni complementari in base alla posizione dell'utente nella cella servita. Questo ha portato alla proposta di combinare in modo ottimale le informazioni radar e quelle di posizionamento in una soluzione integrata multi-tecnologica, che si dimostra essere ottimale in termini di tempo di allineamento e di guadagno di antenna. Infine, la tesi si concentra sul problema della selezione dei link e dei relè nelle comunicazioni veicolari. La tesi propone una nuova strategia di relaying pro attivo che sfrutta la cooperazione tra i veicoli connessi e le informazioni ambientali per prevedere l'evoluzione dinamica della condizione di visibilità, che è vitale alle alte frequenze. I risultati numerici dimostrano che l'approccio proposto può contrastare la perdita' del collegamento e garantire un'elevata connettività di rete.