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Abstrakt in Englisch

The reliable, low-latency exchange of sensor and control information between vehicles enables cooperative driving which allows to significantly increase road safety and traffic efficiency. Vehicular short-range communication based on IEEE 802.11p was specifically designed for safety-critical Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication. Its successor 802.11bd promises reliability enhancements by employing packet repetitions, which allow to exploit the wireless channel diversity through packet combining. However, as the added channel load increases the interference is the root cause of access loss, repetitions require a careful medium allocation. This work provides a novel comprehensive study on the trade-off between combining gain and access loss based on extensive performance modeling of both time- and frequency-domain repetitions. The results show significant combining gains which increase with the channel selectivity, and a benefit of frequency diversity at low vehicle mobility that motivates the use of multi-channel repetitions. However, as the related load increase leads to more collisions, the observed gains quickly diminish in multi-user scenarios, resulting in rising packet loss and access delays. To maximize the gains the trade-off is investigated based on system-level simulations with variable traffic load. A methodology to determine the optimal number of repetitions for a given channel state expressed by the Channel Busy Ratio (CBR) is presented. Based on the CBR thresholds, the distributed allocation under time-varying load conditions is evaluated. The results show a trade-off between allocation stability, achieved by short and steady-state performance, achieved by long observations. To deal with this trade-off, the dynamic adaptation of the CBR observation based on channel behavior is proposed. Further, the multi-channel repetitions are investigated, showing worse oscillations due to the bandwidth increase. Strategies to suppress oscillations are discussed, among which an iterative allocation which estimates the impact of the allocation decision, shows the best results. As with the introduction of the Cellular V2X (C-V2X) technology mixed deployments are inevitable, the coordination of the heterogeneous technologies has become crucial to fulfill the requirements of the diverse vehicular applications. Finally, the redundant operation of 802.11p/bd and C- V2X in ad-hoc mode is investigated as a further option to improve the communication reliability. Overall this work contributes to the understanding of how to enhance the reliability of V2V communications by distributed repetition allocation. It can be concluded that a threshold-based repetition allocation allows to increase the reliability at the cost of a tolerable delay increase.

Abstrakt in Deutsch

Der zuverlässige, latenzarme Austausch von Sensor- und Steuerungsinformationen zwischen Fahrzeugen ermöglicht kooperatives Fahren, das die Verkehrssicherheit und -effizienz erheblich steigern kann. Die fahrzeuggebundene Kurzstreckenkommunikation auf der Basis von IEEE 802.11p wurde speziell für sicherheitskritische Kommunikation zwischen Fahrzeugen entwickelt. Der Nachfolger 802.11bd verspricht eine Verbesserung der Zuverlässigkeit durch den Einsatz von Paketwiederholungen. Diese ermöglichen eine Ausnutzung der Funkkanaldiversität durch die Kombination von Paketen. Da jedoch die zusätzliche Kanallast die Interferenzen und damit auch die Paketverluste beim Medienzugriff erhöht, müssen Wiederholungen sorgfältig zugewiesen werden. Die vorliegende Arbeit bietet mit Hilfe einer Modellierung von Wiederholungen im Zeit- sowie Frequenzbereich eine umfassende Studie über den Trade-off zwischen Kombinationsgewinn und Zugriffsverlust. Die Ergebnisse zeigen signifikante Kombinationsgewinne, die mit der Kanalselektivität zunehmen. Außerdem zeigt sich der Vorteil der Frequenzdiversität bei geringer Fahrzeugmobilität, da sie den Einsatz von Mehrkanalwiederholungen motiviert. Da jedoch die damit verbundene Lastzunahme zu mehr Kollisionen führt, nehmen die beobachteten Gewinne in Mehrnutzerszenarien schnell ab, da es zu steigenden Paketverlusten und Zugriffsverzögerungen kommt. Um die Gewinne zu maximieren, wird der Trade-off auf der Grundlage von Simulationen auf Systemebene mit variabler Verkehrslast untersucht. Es wird eine Methode zur Bestimmung der optimalen Anzahl von Wiederholungen in Abhängigkeit des Kanalzustandes, ausgedrückt durch die Channel Busy Ratio (CBR), vorgestellt. Auf Grundlage dieser CBR-Schwellenwerte wird die Zuteilung unter zeitlich variierenden Lastbedingungen bewertet. Die Ergebnisse zeigen einen Kompromiss zwischen der durch kurze Beobachtungen erreichten Stabilität der Zuteilung und der durch lange Beobachtungen erreichten stationären Leistung. Um die Leistungsfähigkeit zu verbessern, wird die dynamische Anpassung der CBR-Beobachtung auf Basis des Kanalverhaltens vorgeschlagen. Außerdem werden die Mehrkanalwiederholungen untersucht, die aufgrund der zunehmenden Bandbreite stärkere Oszillationen zeigen. Es werden Strategien zur Unterdrückung von Oszillationen diskutiert, von denen eine iterative Zuweisung, die die Auswirkungen der Zuweisungsentscheidung schätzt, die besten Ergebnisse zeigt. Mit der Einführung der Cellular V2X (C-V2X)-Technologie werden Szenarien mit gemischen Kommunikationsausrüstungen unvermeidlich, wodurch die Koordination heterogener Technologien zur Erfüllung der diversen Anforderungen von Fahrzeuganwendungen notwendig wird. Durch diese Entwicklung motiviert, wird der redundante Betrieb von 802.11p/bd und C-V2X im Ad-hoc Modus als eine weitere Option zur Verbesserung der Kommunikationszuverlässigkeit untersucht. Insgesamt trägt diese Arbeit zum Verständnis bei, wie die Zuverlässigkeit von V2V-Kommunikation durch eine verteilte Zuweisung von Paketwiederholungen verbessert werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine schwellenwertbasierte Zuweisung die Zuverlässigkeit auf Kosten einer tolerierbaren Latenzzunahme erhöht.