Avaliação de desempenho das tecnologias DSRC e LORA em um sistema de comunicação móvel veicular : análise de caso: Centro Politécnico - Jardim das Américas

Abstract

Resumo: A comunicação veicular é um fato, um caminho sem volta. Espera-se que os novos veículos, num futuro muito próximo, sejam mais eficientes e mais conectados entre si e com o mundo ao seu redor, constituindo a comunicação de veículo com veículo (V2V) e veículo com a infraestrutura (V2I). Os desafios tecnológicos, porém, são imensos, podendo exigir a troca de informações em altíssima velocidade, confiabilidade e baixíssimo tempo de latência das redes em determinadas aplicações. Algumas tecnologias já estão em estágios satisfatórios de desenvolvimento, mas nenhuma ainda se tornou a solução definitiva. Para diversas aplicações, a DSRC (Dedicated Short Range Communications) operando na frequência de 5,9 GHz surge como sendo uma solução para a comunicação veicular. Porém ela tem grandes limitações devido a seu baixo alcance e penetração mesmo ao se empregar as unidades de beira de estrada (RSU) que auxiliam a comunicação entre veículos. Uma tecnologia, com possibilidades de minimizar estas limitações é a LoRa (Long Range) a qual tem maior nível de espalhamento do sinal e maior facilidade de penetração em obstáculos por operar em frequências inferiores a 1 GHz podendo ser viável em aplicações que demandem menos caracteres na transmissão de mensagens e para situações onde não seja necessário o envio frequente de pacotes. O objetivo geral deste trabalho é o de avaliar a comunicação entre veículos utilizando a tecnologia LoRa e, também avaliar o canal de comunicação LoRa e DRSC em um mesmo cenário. Os resultados foram obtidos e se avaliou a potência recebida e a taxa de recepção do sinal através de simulações para ambas tecnologias sendo desenvolvido um algoritmo genético para determinar a posição das RSUs. Também, foram realizados testes de campo para o LoRa, em comunicações V2I e V2V além de um teste sem movimento analisando-se a potência do sinal, taxa de recebimento e relação sinal-ruído em função da distância entre o receptor e transmissor para distintos fatores de espalhamento (SF7 e SF12). Com a simulação do canal foi verificada a maior taxa de recepção do sinal acima do limiar para o LoRa, especialmente em situações de obstrução por edificações e o baixo alcance do DSRC com perda total do sinal a 500 metros. Com os testes de campo avaliando o LoRa foi constatado o maior alcance de recepção desta tecnologia com recebimentos de pacotes a mais de 1 km (SF12), percebeu-se também a influência da velocidade (efeito Doppler) e a diferença na taxa de recepção entre os SFs com o SF12 sendo mais sensível ao efeito da velocidade, porém mantendo um alcance maior em relação ao SF7. Palavras-chave: Algoritmos genéticos. Comunicação veicular. DSRC. LoRa. V2I. V2V.

Abstract: Vehicle communication is a fact, a way of no return. New vehicles in the very near future are expected to be more efficient and more connected to each other and to the world around them, constituting the vehicle-to-vehicle communication (V2V) and vehicle-to-infrastructure communication (V2I). The technological challenges, however, are immense and may require the exchange of information at very high speeds, reliability and very low latency in certain applications. Some technologies are already in satisfactory stages of development, but none have yet become the definitive solution. For various applications, Dedicated Short Range Communications (DSRC) at the 5.9 GHz frequency emerges as a solution for vehicular communication. However, it has major limitations due to its low range and penetration even when employing roadside units (RSU) that aid communication between vehicles. A technology that can minimize these limitations is LoRa (Long Range) which has a higher spreading signal and easier obstacle penetration by operating at frequencies below 1 GHz, being viable in applications with fewer transmitted characters in messages and for situations where frequent packet sending is not required. The aim of this dissertation is to evaluate the communication between vehicles using LoRa technology and assess the V2I communication channel in both LoRa and DRSC in the same scenario. The results were obtained, and the received power and the signal reception rate were evaluated through simulations for both technologies. A genetic algorithm was developed to determine the position of the RSUs. Also, field tests were performed for LoRa in V2I and V2V communications as well as a motionless test; signal strength, reception rate and signal to noise ratio as a function of the distance between receiver and transmitter for different spreading factors (SF7 and SF12) were analyzed. With the channel simulation, highest signal reception rates above the threshold were verified with LoRa especially in building obstruction scenarios and the DSRC's low communication range with total signal loss at 500 meters. From the LoRa field tests evaluation, it was found that the longest reception range of this technology is over 1 km (SF12), it was also noticed the influence of the speed (Doppler effect) and the difference in the reception rate between SFs with SF12 being more sensitive to the effect of velocity, but maintaining a longer range compared to SF7. Key words: Genetic algorithms. Vehicular communication. DSRC. LoRa. V2I. V2V.