Conectividad 5G para deportes de motor | tecnología de la comunicación


El artículo examina la viabilidad y las consideraciones de diseño para la implementación. Conectividad 5G para deportes de motor.

Hay interés en la industria de los deportes de motor para llevar la conectividad 5G a los autos en la pista. Por lo general, los autos usan tecnologías heredadas como Wi-Fi o transmisión de video digital (DVB) para proporcionar la conectividad para transportar datos de telemetría, video y audio desde los autos hasta el pit y el centro de medios para su transmisión. Sin embargo, las soluciones actuales ofrecen un ancho de banda limitado y el rendimiento está en el rango de 10 a 12 Mbit/s. Este rendimiento es insuficiente para casos de uso avanzado y características como transmisión 4K, video 360 y telemetría de autos de carrera.Conectividad 5G para deportes de motor

La industria automotriz también se está moviendo hacia una estrategia de vehículos definidos por software (SDV), donde los automóviles necesitan conectividad altamente confiable y de baja latencia para actualizaciones de software frecuentes, y necesitan transferir gigabytes de datos de cientos de sensores diferentes en los automóviles. El paso a la electrificación y la softwareización también requiere una solución de conectividad que esté preparada para el futuro y lista para estas demandas y que siga siendo relevante para la próxima década.

Por lo tanto, la capacidad de aprovechar las redes 5G privadas para brindar conectividad a los automóviles de la industria del automovilismo es una propuesta atractiva. 5G es una opción para la industria del automovilismo, ya que está diseñado para superar y mitigar algunos de los problemas asociados con el uso de tecnologías de comunicación inalámbrica para los casos de uso del automovilismo.

Cálculos de ancho de banda del sistema
La siguiente tabla muestra el ancho de banda del sistema requerido para una pista de carreras típica.

propiedades del sistema
UL/DLenlace ascendenteenlace descendente
FDD/TDDTDD
Número de soportes de componentes1
MIMO número de capas2
formación de haces MU-MIMOsi, 2 rayos
orden de modulación16QAM
espaciamiento de subportadoras60kHz
ancho de banda por canal15 MHz
Formato de ranura (enlace ascendente pesado)estilo 11
tasa de codificación (codificación robusta)658/1024 (codificación robusta)
Rendimiento por unidad de radio90Mbps10Mbps
Número de coches por canal2
rendimiento por coche45Mbps5Mbps
Número de canales para 28 coches14
Ancho de banda del sistema (banda de protección predeterminada)210MHz (14x15MHz)

Cuando se usa modulación 64QAM de orden superior, el ancho de banda requerido del sistema es de aproximadamente 100 MHz.

Índice del contenido

Arquitectura de la solución propuesta

La figura de la página anterior muestra la arquitectura ORAN desagregada propuesta para el caso de uso de los deportes de motor. La solución utiliza la arquitectura dividida 7.2, que es modular y extensible para el caso de uso de los deportes de motor.

En esta arquitectura, las unidades distribuidas (DU) realizan algunos de los algoritmos de capa física junto con las capas de control de enlace de radio (RLC) y control de acceso a medios (MAC). Las DU están alojadas en las Unidades del lado de la pista (TSU), que también proporcionan energía a las DU.

La Unidad Centralizada (CU) ejecuta las capas de Control de Recursos de Radio (RRC) y Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (PDCP). Hay un anillo de fibra de 25G redundante para devolver el tráfico de la DU a la CU. La CU y el núcleo 5G están centralizados en el centro de tecnología de eventos.

Esta arquitectura dividida hace que la solución sea escalable, ya que la cantidad de radios depende del diseño y las dimensiones de la vía. La CU puede controlar varias DU y ejecutar los algoritmos necesarios específicamente para los casos de uso de los deportes de motor.

Consideraciones de diseño

A continuación, se describen algunas de las consideraciones de diseño y las soluciones propuestas al usar 5G para cumplir con los requisitos de rendimiento de los autos de carreras.

Alta velocidad

Los autos se mueven en la pista a velocidades muy altas, hasta 350 kilómetros por hora. Esta alta velocidad trae desafíos únicos al diseñar una solución 5G. El cambio Doppler o la dispersión Doppler es un problema debido al cambio en la frecuencia de las señales transmitidas y recibidas por las radios fijas de los automóviles en movimiento. El desplazamiento Doppler es directamente proporcional a la velocidad del coche. Esto también conduce a la interferencia entre los portadores.

Solución. Se deben desarrollar algoritmos para compensar el desplazamiento Doppler introducido debido a la velocidad a la que viajan los automóviles. El desplazamiento Doppler depende de la velocidad y la dirección de movimiento del vehículo en relación con la radio de tierra. Por lo tanto, el Doppler provoca un aumento o una disminución de la frecuencia, según la dirección y la velocidad de movimiento del automóvil con respecto a la radio. La frecuencia de transmisión se ajusta en el frente de RF para compensar el desplazamiento Doppler.

circuitos callejeros

Varios hipódromos, por ejemplo en la Fórmula 1, están ubicados en ciudades donde existe infraestructura como edificios, cercas, árboles, tribunas y mobiliario urbano. Esta infraestructura provoca interferencias y derrames de las señales de radio 5G hacia y desde los automóviles, lo que degrada la calidad de la señal.

Solución. La diversidad de antenas y la recepción de trayectos múltiples deben implementarse para mantener la calidad de las señales recibidas en la radio y el UE. La información del estado del canal (CSI) también se puede calcular y predecir con más frecuencia para determinar el estado del canal. Se pueden usar algoritmos de lenguaje de máquina para hacer una estimación más precisa de la condición del canal. Esto requiere más poder de cómputo en la estación base para calcular con precisión el CSI y compensar en consecuencia.

Entregar

Un desafío único debido a la alta velocidad a la que viaja el automóvil es que el tiempo de transferencia entre celdas vecinas es corto. Es del orden de decenas de milisegundos para evitar interrupciones o fallas en los datos de audio y video de telemetría enviados desde el automóvil. Por lo tanto, se debe implementar el traspaso continuo para estos autos de carreras.

Solución. Las funciones Multi-TRxP, como Coordinated Multi-Point (CoMP) y la formación de haces de múltiples paneles, se pueden usar para cancelar la interferencia de los automóviles vecinos. CoMP utiliza varias técnicas para coordinar dinámicamente la transmisión y la recepción para un UE dado hacia y desde múltiples estaciones base.

El UE está conectado a más de una estación base y transmite/recibe al mismo tiempo. El algoritmo CoMP resuelve los paquetes duplicados recibidos. En el borde de la celda, cuando se cambia de una celda a otra, el tiempo de traspaso es muy pequeño y se minimiza la pérdida de paquetes. Esto mejora la robustez de la transmisión y la conexión es más fiable. Esto da como resultado que no se pierdan cuadros de video cuando se transmite desde los automóviles.

interferencia

Los automóviles suelen tener múltiples sensores que toman medidas como la aceleración, la velocidad, la temperatura, la vibración y la presión de los neumáticos. Estos sensores pueden generar interferencias electromagnéticas que pueden interferir con la recepción y transmisión de señales inalámbricas 5G.

Solución. Las antenas deben montarse estratégicamente en los autos de carrera para que no sean susceptibles a la interferencia de otros componentes del auto. El circuito de alta frecuencia debe diseñarse con una alta tolerancia a las señales de interferencia.

banda ancha

Los autos de carreras conducen a muy alta velocidad, por lo que se debe usar un esquema de modulación y codificación (MCS) más bajo para proporcionar una transmisión y recepción de señales robustas. De manera similar, se necesita una tasa de código robusta con más bits redundantes para que la corrección de errores de reenvío (FEC) se recupere de los errores de transmisión.

Por lo tanto, el ancho de banda requerido puede ser tan alto como 200 MHz para proporcionar el rendimiento requerido para los autos de carrera. Esto plantea la cuestión de qué espectro debería utilizarse si se dispone de un ancho de banda suficientemente grande.

Solución

Las bandas sin licencia de 5 GHz o 6 GHz son una opción en la que potencialmente puede haber un gran ancho de banda disponible para su uso. Sin embargo, esta banda también se comparte actualmente para Wi-Fi y, por lo tanto, la confiabilidad y la disponibilidad garantizada de este espectro pueden ser un problema.

Otra opción es usar la banda personalizada como la banda de 10 GHz que actualmente usan los militares para las estaciones de radar. El requisito es mantener baja la potencia de transmisión para que no haya interferencia para los usuarios establecidos en esa banda.

Usando estas bandas, sería necesario desarrollar radios personalizados e infraestructura en la pista para brindar la calidad de servicio y la confiabilidad requeridas para los autos de carrera.

Tabla 1 Espectro de uso privado
paísBanda (MHz)
Alemania3700-3800 (100M)
EE.UU3550-3700 (150M)
Reino Unido3800-4200 (400M)
Canadá3500 planeado
Japón4500-4800 (300M)
Tabla 2 Bandas de frecuencia 5G NR FR2
cintaFrecuencia (GHz)nombres comunesEnlace ascendente/descendente (TDD)Ancho de banda del canal (MHz)
n25728LMDS26.50 – 29.5050, 100, 200, 400
n25826banda k24.25 – 27.5050, 100, 200, 400
n25941banda V39.50 – 43.5050, 100, 200, 400
n26039banda ka37.00 – 40.0050, 100, 200, 400
n26128banda ka27.50 – 28.3550, 100, 200, 400

espectro 5G

Una de las decisiones clave para la solución es la elección del espectro que se usará para el sistema 5G, lo que permite que el sistema opere en todos los países al tiempo que proporciona KPI consistentes, como el rendimiento y la latencia. A continuación, se muestran las opciones de frecuencia de funcionamiento de la solución y las ventajas y desventajas de cada opción.

Banda media de 3,5 GHz

El espectro de banda media de 3,5 GHz está abarrotado y asignado a operadores en la mayoría de los países, con operadores que tienen alrededor de 20 a 50 MHz de ancho de banda. Hay algunos países, como España, donde los operadores individuales como Telefónica, Vodafone y Orange tienen un ancho de banda de 90 a 100 MHz. En el Reino Unido, cada operador tiene alrededor de 20 a 60 MHz de ancho de banda disponible. En países como Baréin, Canadá, Rusia, Países Bajos y Turquía aún no se ha subastado el espectro de 3,5 GHz.

Por lo tanto, para operar en la banda de 3,5 GHz, necesitaríamos asociarnos con dos o más operadores para obtener el espectro de 100 MHz que necesitamos. Algunos países han reservado parte del espectro de banda media para uso compartido y sin licencia (no generalmente disponible), como se muestra en la Tabla 1. El espectro disponible está destinado principalmente para uso privado en interiores y no debe interferir con los operadores establecidos que operan en la misma banda de frecuencia.

cintas mmWave

El espectro de mmWave con licencia está disponible en algunas bandas diferentes: 26 GHz, 28 GHz, 37 GHz, 39 GHz y 47 GHz. Por lo general, la cantidad de frecuencias asignadas a cada operador en las bandas de ondas milimétricas es mayor, de 200 MHz a 400 MHz o más. Esto es ideal en términos de gran parte del ancho de banda necesario para la solución de deportes de motor. Algunas de las bandas sin licencia son:
• Estados Unidos: la FCC ha asignado de 37 a 37,6 GHz (3 x 200 MHz) para uso compartido/sin licencia
• Alemania, Reino Unido, Australia: 24,25 a 27,5 GHz para licencias locales
• Japón: 28,3 a 29,1 GHz (150 MHz en exteriores) para licencia local


Varadaraj Yatirajula es arquitecto de soluciones 5G en Wipro y miembro distinguido del personal técnico

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