Verification of wireless communication performance and robustness for automotive applications

Today's test methods used for verifying the performance and robustness of automotive applications using wireless communication are often based on field
trails, which are time consuming, costly, and not repeatable. Therefore, there is an urgent need for new verification methods that can be performed in lab environment, where the realistic radio propagation environment can be emulated. The telecom industry is using standardized over-the-air (OTA) test methods for verification of their products, e.g., smartphones. In these OTA test methods, different standardized channel models are emulated to reflect different user scenarios, e.g., walking in a city or driving on a highway. One topic in this thesis has been to see if it possible to scale up the used OTA verification methods for smartphones, to a setup where the device under test
(DUT) is a car. Detailed studies have been performed on the OTA mutliprobe
setup inside an anechoic chamber, using a complete car as the DUT. The measurements were performed on a single-input single-output (SISO) system at
5.9 GHz, a frequency band used for vehicle-to-vehicle (V2V) communication.
The conclusions we present are that the repeatability is under control for a SISO system and that the desired channel can be emulated. For multiple-input multiple-output (MIMO) systems further research is needed. Emulation of a V2V channel in the OTA test setups requires deep knowledge of the characteristics of the V2V channel, e.g., it could be gathered through measurement based nalysis. In the other research topic, measurement campaigns have been preformed using IEEE 802.11p transceivers (standard for V2V communication) installed in several vehicles, both cars and trucks, a unique campaign in that sense. For the communication links cross all vehicles, estimation of the joint shadowing effects have been possible to make. A cross-correlation model of the large scale fading process is presented for a V2V scenario on a highway. In addition, improved path loss models for both highway and urban scenarios is presented, which consider antenna pattern and other vehicles obstructing the communication.

Från och med april i år är det lag på att alla nya bilar som säljs inom Europa måste vara uppkopplade. Vad menar man då med att bilen måste vara uppkopplad? Det innebär att bilen ska ha samma funktioner som en mobiltelefon, dvs man kan ringa och skicka data med den. Men vadå lag, ska det
vara lag på att kunna ringa, surfa, eller kolla på ett YouTube-klipp i bilen? Nej inte riktigt, lagen som gäller ifrån 1:a april 2018 är att om bilen krockar och om krockkraften är så stor att krockkuddarna aktiveras och blåses upp så skall bilen automatiskt ringa upp larmcentralen i det land bilen befinner sig i. Det kommer upprättas ett telefonsamtal mellan bilen och larmcentralen så att larmcentralen kan prata med föraren eller passagerare i bilen. Personen eller personerna i bilen är kanske så pass allvarligt skadade att de inte kan prata, därför skickar bilen alltid automatiskt GPS-koordinaterna till larmcentralen så de kan skicka en ambulans till olycksplatsen ifall det behövs. I och med att alla nya bilar kommer ha en inbyggd mobiltelefon kan biltillverkarna utöka funktionaliteten i bilen så att passagerarna kan surfa, lyssna på musik via Spotify, streama YouTube-klipp mm. Biltillverkarna kan även förbättra kvalitén på bilen under dess livslängd genom att ladda ner ny mjukvara till bilen när den står parkerad över natten. Varför ska man då göra detta via bilens inbyggda mobiltelefon istället ifrån sin egen smarttelefon? Anledningen är att bilen nästan kan ses som en jättestor skärmburk för radiosignalerna som sänds ifrån mobilmasterna och som ska leta sig fram till din smartmobil inne i bilen. De allra festa bilar idag har en antenn på taket som är kopplad till bilens inbyggda mobiltelefon vilket innebär att radiosignalen som går den vägen är ca 100 gånger starkare än den radiosignal som når din egen smartmobil. Ett annat spännande område inom trådlös fordonskommunikation är bilar, lastbilar och motorcyklar som pratar med varandra. Syftet är att fordonen på vägen ska informera varandra om vilken typ av fordon de är och vilken riktning, position, hastighet etc. de har, flera gånger i sekunden. Händer något specifikt, ex. en bil gör en panikbromsning längre fram i trafikkön sa skickar denna bil ut ett meddelande: nu panikbromsar jag. Därmed kan alla fordon i dess närhet, ca 500 m bort, få denna information och på sa sätt kan bakomvarande fordon sänka hastigheten eller bromsa sa att fler olyckor undviks. I stadsmiljö innebär denna fordon-till-fordonskommunikation att man kan \se"runt hörn i en korsning. Skulle t.ex. två bilar komma körandes på korsande vägar i hög fart och kollisionsrisk föreligger, kan fordon-till-fordonskommunikationen informera dessa två bilar tidigt att kollisionsrisk föreligger och uppmana dem att sänka farten. För att detta system ska fungera bra sa måste det finnas andra bilar att kommunicera med, därför kommer det ta många år innan detta är ett heltäckande system. Men någon ska börja, och därför har man på den japanska marknaden börjat använda detta sedan några år tillbaka, i USA så har Cadillac introducerat tekniken på sin bilmodell CTS för modellar 2017 och VW-gruppen har i år meddelat att flera volymmodeller inom VW-gruppen kommer ha fordon-till-fordonskommunikation som standard från 2019 i Europa. Även Toyota har annonserat att de kommer införa tekniken från 2021 i USA. Hur skall man då testa all trådlös kommunikation som finns i dagens bilar, och som det kommer bli ännu mer av i framtiden (med t.ex. 5G), sa att den fungerar som den skall? Svaret på den frågan idag är att mycket mätningar görs i fält, dvs. man kör runt med bilen i t.ex. Europa för att testa kommunikationen till mobiltelefonnätet. En sådan mätning testar verkligen hela systemet men är väldigt tidskrävande och därmed kostsam. Dessutom är mätningarna inte repeterbara eftersom radio- och trafikmiljö ändras från ett mättillfälle till ett annat. Telekomindustrin och akademin är oerhört duktiga på radiokommunikation och har genom aren tagit fram ypperliga provmetoder för att testa prestandan och tillförlitligheten på t.ex. smarta telefoner utan att behöva göra detta i fält. Dessa prov utförs i labbmiljö, närmare bestämt i ett skärmrum som avskärmar alla radiosignaler som kommer utifrån. I detta slutna skärmrum emulerar (genererar) man sedan radiosignaler som t.ex. motsvarar det en smarttelefon upplever när den åker i en bil på en motorväg eller upplever
när en person håller den i handen och promenera runt i staden. Med dessa
provmetoder kan man utföra samma typ av mätningar om och om igen för att
testa olika konstruktioner av telefonen, och repeterbarhet är uppnådd. Men
hur ser de radiosignaler ut som man emulerar i detta skärmrum? Det är inte
sa lätt att svara på, för radiomiljön i var omgivning är väldigt komplex. Mycket
forskning har gjorts inom området av telekomindustrin och akademin där de genom mätningar i fält har tagit fram ganska enkla matematiska modeller
som beskriver hur radiosignalen utbreder sig ifrån mobilmasten till mobiltelefonen. Radiosignaler utbreder sig ifrån sändarantennen i en viss riktning men all energi går inte rakt fram till mobiltelefonen utan viss energi utbreder sig åt sidorna och även uppåt och nedåt. Sidosignalerna kommer också ibland fram till smarttelefonen efter har studsat på någon byggnad eller något fordon. Sidosignalerna har då lägre energi än den direkta signalen, är fördröjda något och har ev. en liten annan frekvens p.g.a. dopplereffekten (jämför när du hör en polisbil som kör emot dig eller ifrån dig, tonen ändras på ljudet ifrån sirenen). Det är väldigt viktigt att tidigt i utvecklingsprocessen kunna testa prestandan på en mobiltelefon under realistisk radiomiljö sa att man vet att den kommer uppfylla de krav som konsumenterna kräver. Min forskning, som sammanfattas i denna avhandling, har fokuserat på två områden. I det första har vi skalat upp en av de provmetoder som mobil och telekomindustrin har utvecklat för att testa smarttelefoner i skärmrum, vi har placerat en bil i ett väldigt stort skärmrum och har på sa sett kunna genomföra samma mätningar som mobil- och telefonindustrin gör, fast på en inbyggd telefon i en bil. Såvitt vi vet, sa är vi de första i världen som har genomfört denna typ av mätningar på en hel bil. I det andra området har vi tagit fram matematiska modeller för hur radiomiljön ser ut för fordon-till-fordonskommunikation på frekvensen 5,9 GHz. Detta är ett område som inte har forskats tillräckligt på och där vi nu har bidragit till ökad förståelse. Vart bidrag har främst fokuserat på att ta fram bättre matematiska modeller för hur radiosignalens energi dämpas i förhållande till avståndet mellan sändande och mottagande bil i motorvägsmiljö och för korsningar i stadsmiljö. Dessutom har vi undersökt om det finns någon korrelation ("ett matt på hur lika signalerna är") mellan flera olika fordon-till-fordonskommunikationslänkar och även tagit fram en matematisk modell för denna korrelation. Vetskap om denna korrelation kan hjälpa fordon-till-fordonskommunikationssystemet att vidarebefordra ett meddelande från ett fordon till ett annat via ett tredje fordon ifall kommunikationen mellan de två första är blockerad av en stor lastbil.