5G and its impact on the automotive industry

Abstract

(English) The 5th generation of mobile communications has been designed to address the unstoppable demand of data bandwidth. However, it also gives support to a range of vertical industries with different Quality of Service demands, such as the automotive industry. The automotive industry is undergoing a significant transformation in response to the changing needs of consumers and the advances in Advanced Driver Assistance Systems, catalyzing the development of autonomous driving and redefining the service portfolio of traditional automakers.

The next milestone of the industry is the widespread deployment of Vehicle to Everything (V2X) technologies, which aim to connect the vehicle to its neighboring road users. V2X stands as a promising enabler of use cases that can increase driver awareness, extend the perception of sensors beyond line of sight, and have an impact on overall traffic efficiency. This thesis covers the state of the art of V2X technologies, identifying the biggest challenges and putting the performance of current standards to a test.

The actual game changer of V2X is the incorporation of 5G features for vehicle connectivity. Vehicles can then make use of ultra-reliable low-latency mechanisms and new frequency bands to enable a set of advanced use cases that assist autonomous decision-making and make reliable autonomous driving a reality. This thesis also covers the implications of multi-element, beamforming antenna systems to give support to these 5G features and the performance they promise to deliver. Accounting for the paradigm shift towards beam-based vehicular communications, this thesis makes an emphasis on several specification and research challenges, such as beam management, which are thoroughly assessed. As such, this thesis sheds light into the inner workings of 5G-V2X and points its biggest white spots to eventually enable the autonomous vision for 5G and beyond.

(Català) La cinquena generació de comunicacions mòbils (5G) ha estat dissenyada per abordar la imparable demanda d'amplada de banda de dades. No obstant això, també dóna suport a una varietat d'indústries verticals amb diferents demandes de qualitat de servei, com ara la indústria de l'automoció. La indústria de l'automoció està experimentant una transformació significativa en resposta a les canviants necessitats dels consumidors i els avenços en els sistemes d'assistència al conductor, catalitzant el desenvolupament de la conducció autònoma i redefinint el portfoli de serveis dels fabricants de cotxes tradicionals.

El següent hito de la indústria es centra en la implementació generalitzada de les tecnologies de comunicació Vehicle to Everything (V2X), les quals tenen com a objectiu connectar els vehicles amb altres usuaris de la via. El V2X s'erigeix com un prometedor habilitador de casos d'ús que potenciarà la percepció del conductor, ampliarà la percepció dels sensors més enllà de la línia de visió i tindrà un impacte positiu en l'eficiència general del trànsit. Aquesta tesi aborda exhaustivament l'estat de l'art de les tecnologies V2X, identificant els principals reptes i sotmetent a escrutini el rendiment dels estàndards actuals.

El veritable factor disruptor del V2X resideix en la incorporació de les funcionalitats de la tecnologia 5G per a la connectivitat dels vehicles. Els vehicles podran aprofitar mecanismes de baixa latència i d'alta fiabilitat, així com noves bandes de freqüència, per habilitar un conjunt de casos d'ús avançats que contribueixin a la presa de decisions autònomes i facin de la conducció autònoma fiable una realitat. Aquesta tesi també aborda les implicacions dels sistemes d'antenes "beamforming" de múltiples elements per donar suport a aquestes característiques de 5G i avalua el rendiment que prometen oferir. Tenint en compte el canvi de paradigma cap a les comunicacions vehiculars basades en haces, aquesta tesi posa un èmfasi especial en diversos reptes d'especificació i investigació, com ara la gestió de haces, que s'avaluen a fons. Per tant, aquesta tesi aclareix el funcionament intern de 5G-V2X i assenyala les seves principals mancances conceptuals, amb la finalitat última de possibilitar la visió autònoma que 5G i els seus successors prometen habilitar.

(Español) La quinta generación de comunicaciones móviles (5G) ha sido diseñada para abordar la imparable demanda de ancho de banda de datos. Sin embargo, también brinda soporte a una variedad de industrias verticales con diferentes demandas de calidad de servicio, como la industria de la automoción. La industria de la automoción está experimentando una transformación significativa en respuesta a las cambiantes necesidades de los consumidores y los avances en los sistemas de asistencia al conductor, catalizando el desarrollo de la conducción autónoma y redefiniendo el porfolio de servicios de los fabricantes de automóviles tradicionales.

El siguiente hito de la industria se centra en la implementación generalizada de las tecnologías de comunicación Vehicle to Everything (V2X), las cuales tienen como objetivo conectar los vehículos con otros usuarios de la vía. El V2X se erige como un prometedor habilitador de casos de uso que puede potenciar la percepción del conductor, ampliar la percepción de los sensores más allá de la línea de visión y tener un impacto positivo en la eficiencia general del tráfico. Esta tesis aborda exhaustivamente el estado del arte de las tecnologías V2X, identificando los mayores desafíos y sometiendo al escrutinio el rendimiento de los estándares actuales.

El verdadero factor disruptivo de V2X reside en la incorporación de las funcionalidades de la tecnología 5G para la conectividad de los vehículos. Los vehículos podrán aprovechar mecanismos de baja latencia y de alta fiabilidad, así como nuevas bandas de frecuencia, para habilitar un conjunto de casos de uso avanzados que contribuyan a la toma de decisiones autónomas y hagan de la conducción autónoma fiable una realidad. Esta tesis también abarca las implicaciones de los sistemas de antenas “beamforming” de múltiples elementos para dar soporte a estas características de 5G y evalúa el rendimiento que prometen ofrecer. Teniendo en cuenta el cambio de paradigma hacia las comunicaciones vehiculares basadas en haces, esta tesis hace un énfasis especial en varios desafíos de especificación e investigación, como la gestión de haces, que se evalua en profundidad. Por tanto, esta tesis arroja luz sobre el funcionamiento interno de 5G-V2X y señala sus mayores vacíos conceptuales, con el fin último de posibilitar la visión autónoma que 5G y sus sucesores prometen habilitar.