Introduction to Microwave Beamforming Networks for Intelligent Transportation Systems

An  Intelligent Transportation System  (ITS) is a system  based  on wireless communications which  has  been  investigated for many  years  in order to provide new  technologies able  to improve safety  and  efficiency  of  road  transportation with  integrated vehicle  and  road systems. It  combines all  aspects of  technology and  systems design concepts in  order to develop and improve transportation system of all kinds. ITS, which utilise information and communications technology in vehicle as well as within the roadside infrastructure, can also be used to improve mobility while increasing transport safety, reducing traffic congestion, maximising comfort,  and  reducing environmental impact (Andrisano et al., 2000). Intelligent transportation systems and  applications can improve the quality of travel  by selecting  routes with  up-to-the-minute information data,  giving  priority to response vehicle  teams,  notifying drivers about road incidents, and delivering ITS services to drivers. They can reduce fuel consumption by routing the vehicles to their destinations so that fuel waste is significantly reduced, and  also  fully  utilise  the  capacity of  the  existing  road  vehicular networks by controlling the flow of vehicles  based  on traffic monitoring and detecting congestions.

Vehicles  within the  ITS framework have  to work  in an  autonomous manner to sense  the driving environment and  in  a cooperative manner to  exchange information data  such  as braking and  acceleration between vehicles  and  also  traffic,  road,  and  weather conditions between vehicles and roadside units (Han & Wu, 2011). Hence, radio communications links between vehicles  on a motorway are envisaged, leading to the formation of ad-hoc  networks between clusters of vehicles and roadside beacons. System performance and analysis can be improved in  various ways  by  the  use  of  smart   antenna  systems and  techniques. These microwave systems fulfil the requirements of improving coverage range,  capacity, data-rate, and  quality of  service  (QoS).  Smart  antenna  systems  are  generally  classified  as  either switched-beam antenna systems or  adaptive arrays. Switched-beam antenna systems use fixed  multiple beamforming networks  (BFNs)  in  order to  create  various beam  patterns based on the different microwave beamforming techniques and technologies. These smart systems can be used to increase the wireless channel capacity limited by the presence of interference. By using  narrow beams  available from  these  systems, it is possible to increase the gain in the desired signal  direction and  to reduce it toward interference directions. They can also be used for mobile communication base stations in order to provide space-division multiple access (SDMA) capabilities. On the other hand, growing demand in intelligent transportation systems means there  is a need  for multiple antennas with  multiple beams.

Switched-beam antenna systems can greatly improve the performance of the intelligent transportation systems by providing better  link quality and high immunity to interference.

Also,  generating multiple beams  using  an  array  along  with  having wide  bandwidth and beam  steering capability are  of  crucial  importance for  modern wireless communication systems. For this purpose, various multiple beamforming networks are introduced to have control  over  the  amplitude and  phase at  each  element of the  antenna array.  Microwave passive networks form  an  important class  of these  networks and  they  have  been  widely used  in switched-beam antenna systems. Two  well-known examples of such  networks are the Rotman Lens (lens-based beamforming network) and the Butler Matrix (circuit-based beamforming network). They increase the system capacity and provide higher signal-to- interference ratio, consequently enhancing the overall  automotive telematics performance.

This chapter presents the novel designs of steerable microwave beamforming networks employing an 8×8 Rotman Lens for operation at 6.3 GHz (C-band), and cascaded 4×4 Butler Matrices for operation at 3.15 GHz (S-band). The microwave beamforming networks are intended for  intelligent transportation  systems and  applications. Although the  frequency range  likely to be allocated to such  systems is 63 GHz,  where the short  transmission range allows  multiple frequency re-use,  the  microwave networks are frequency scaled  models to verify the concept. The objective of this investigation is to develop microwave beamforming networks suitable for a use in vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) communications. The microwave beamforming networks demonstrate appropriateness to develop well-established designs for systems that can be utilised in ITS applications and framework and vehicular ad-hoc network (VANET) telematics which is the convergence of telecommunications and information processing with application of vehicle tracking.

Smart antennas and microwave beamforming techniques

In addition to higher bit-rates and  smaller error-rates, microwave beamforming techniques can also be utilised in order to improve the signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver and  to suppress co-channel interference (CCI) in a multi-user vehicular scenario, thus  improving the  SINR at the  receiver.  Using  microwave beamforming techniques, the  beam  patterns of the antenna array  can be steered in certain  desired directions, whereas undesired directions can be suppressed. Consider an antenna array  with  antenna elements, which  receives  an RF signal  from  a certain  direction. Due to the geometry of the antenna array,  the impinging RF signal  reaches  the  individual antenna elements at different time  instants, which  causes phase shifts  between the  different received signals.  If the  direction of the  impinging RF signal  is known, the  phase differences of the  RF signals  can  be compensated by means of phase shifters  or delay  elements, before  the received signals  are added up.  As a result,  the overall antenna pattern of the phase array will exhibit a maximum in the direction of the impinging signal.  This principle is called  microwave beamforming and  is shown in Fig. 1, which  is equivalent to  a mechanical rotation of the  array.  In  a vehicular communication scenario, transmitted RF signals often propagate via a line-of-sight (LOS) path between transmitter and receiver and via paths that are associated with significant reflectors and diffractors in the environment (such as large trucks). If the directions of these dominant propagation paths are known at the receiver side,  microwave beamforming can be applied in order to adjust the receiver beam pattern such that it has a high directivity towards the dominant angles  of reception to accomplish significant antenna gains.  Due  to the  required

equipment and  processing power, however, the use of smart  antennas is currently limited to stations that are fixed on vehicles  (Mietzner et al., 2009).

Smart  antennas are  also  beneficial  in multi-user vehicular scenarios, in order to suppress CCI. Again,  both transmitter- and  receiver-sided microwave beamforming can be employed for mitigating CCI. When transmitting, each user can adjust  the beam pattern such that there are  nulls  in  the  directions of  other  co-channel users  and  a  high  directivity towards the desired direction of radiowave transmission. Hence,  the SINR for the other  co-channel users is improved as well as the SNR at the desired receiver.  Similarly,  when receiving each user can adjust  the  beam  pattern such  that  directions of other  co-channel interferers are  nulled and desired directions of reception are enhanced and therefore each user can improve the received SINR. The use of smart  antenna systems for CCI cancellation offers the opportunity to accommodate multiple co-channel users within the same frequency band. This concept is referred to as SDMA (Mietzner et al., 2009).

A multiple microwave beamforming network is one with  a capability to form  many  beams in different directions from the same aperture. If a separate RF transmit or receive system is connected to each  beam  port,  simultaneous independent operation in many  directions can be obtained. Alternatively, a single  transmit or receive  system can be connected to the beam ports  through a multiple-way RF switch  giving  a sequentially scanning antenna.

Switched-beam smart antenna systems may be cheaper than an equivalent phased array, particularly when few  beam  signals  are  needed. The creation of a multiple beam  antenna using a multiple microwave beamforming network has the advantage that no devices for frequency changing are  necessary. The technique therefore has  the  potential to be simpler and lower in cost than IF, digital, and optical frequency methods. Indeed many antenna configurations, such  as lenses,  have  inherent multiple beam  capabilities. In these  cases it is only necessary to replace  the single feed by an array  so that  each array  element forms  one of the multiple beams. The field of microwave beamforming networks encompasses two main research areas   namely  lens-based quasi-optic types,   involving a  hybrid arrangement of either  a lens objective  with  a feed array,  and  circuit-based types  used  to feed antenna arrays. Circuit-based microwave beamforming networks use transmission lines, connecting power splitters, and hybrid couplers in order to form multiple beam networks. The phase shifts required to  produce  multi-beam scanning are  provided by  lengths of  transmission line. Lens-based microwave beamforming networks will produce high-gain beams  over  narrow scan ranges with  lenses  giving  better  beam  control  due  to their  increased design degrees of

freedom. Circuit-based networks (Butler Matrix) have the travelling wave or corporate feed characteristics and  can  be  used  in  limited size  arrays as  can  the  Rotman Lens,  which  in addition will give wide  bandwidth (Hall & Vetterlein, 1990).

Rotman lens microwave BFN analysis and design

The Rotman Lens is an attractive passive microwave lens-based beamforming network due to  its  low  cost,  reliability, design simplicity, and  wide-angle scanning capabilities. It is a device  that  uses  the  free-space  wavelength  of  a  signal  injected  into  a  geometrically configured waveguide to passively shift  the  phase of inputs into  a linear  antenna array  in order to  scan  a beam  in  any  desired signal  pattern. It has  a carefully chosen  shape  and appropriate length  transmission lines  in order to produce a wave-front across  the  output that is phased by the time-delay in the signal  transmission.

A Rotman Lens achieves beam scanning using  equivalent time-delays that are created by the different path  lengths to  the  radiating elements. These  lengths depend on  the  relative position between the  beam  port  and  the  array  ports  on the  structure. As long  as the  path lengths exhibit  constant time-delay behaviour over  the bandwidth, the lens is insensitive to the  beam  squint problems exhibited by  constant phase beamformers (Weiss,  2010). Each input port  will  produce a distinct beam  that  is shifted in angle  at the  system  output. The design of the  lens  is controlled by a series  of equations that  set the  focal points and  array positions. The inputs, during the design of the system,  include the desired number of beams and  array  elements, and  the spacing of the elements (Penney, 2008). Since Rotman Lens is a true-time-delay (TTD) device, it produces beam steering independent of frequency and is therefore capable of wide-band operation. Also, the cost of a Rotman Lens implemented on microwave material primarily driven by the cost of the material itself and  the price of photo etching (Weiss et al., 2007).

Rotman lens microwave BFN contour synthesis

The synthesis of the microwave lens assumes several input parameters which are used to compute  the  inner  contour  (array  contour)  point  as  well  as  the  line  lengths.  These parameters are  element spacing (η), focal ratio  (g), lens  width (or F0), and  scan  angle  (α) (Fig. 2). The lens inner  contour points and  transmission line lengths are solved  for using  the technique of path  length  comparison (Rotman & Turner, 1963).

Rotman lens microwave BFN performance and phase error analysis

In order to calculate performance of the microwave lens, the coupling between ports is approximated using   aperture theory and  a  uniform distribution to  the  port  aperture  is implied. These  port  radiation patterns are  used  to  compute the  direct  path  and  reflected path  propagation from  port  to port.  Also, to improve the response of the  outer  beams,  the beam  and  array  ports  are adjusted so that  each line is pointing toward the centre  of the lens on the opposite side rather than  being normal to the microwave lens surface  (Maybell,  1981).

Phase  error  is calculated by  comparing electrical  lengths along  two  distinct paths from  a given  beam  port  through the microwave lens (Fig. 3). The first path  travels through any one of the off-axis array  ports,  through its taper  and  transmission line, and  finally along  the path from  the array  element phase centre  to the beam  phase front.  The second path  begins  at the same  beam  port  but  travels through the  centre  of the  array  curve  and  through a length  of line common to all array  ports.  The comparison of these  electrical  lengths obtains the phase error  for this beam port.  This is done  over the list of beam ports  to produce a phase error.

When a feed point  is placed at any one of the focal points, the corresponding wave-front has no phase error.  When  the feed  is displaced from  these  lens focal points, the corresponding wave-front will have a phase error.  However, for wide-angle microwave beam scanning, the lens must  be focused at all intermediate points along the focal arc.

8×8 ITS Rotman lens microwave BFN design and performance

As Fig. 4 indicates, a realistic 8×8 ITS Rotman Lens microwave beamforming network is designed and  simulated for a use in intelligent transportation systems and  applications. The design parameters are based  on those  used  in previous section.  In this case, the microwave lens is designed to have  8 beam  ports,  8 array  ports  suitable for an 8-element antenna array, a beam  scan  angle  of ±50° at a centre  frequency of 6.3 GHz,  and  an element spacing of 28 mm.  The  prototype for  the  lens  is  fabricated as  a  microstrip with  a  50  Ω  impedance transmission lines  on  Taconic  TLC-30  substrate with  the  dielectric constant (εr)  of  3.0, substrate thickness (H) of 1.3 mm, and  loss tangent of 0.003. The design gives the microwave lens a compact size of 35.91 cm × 25.80 cm. The array  ports  have  also been spaced in such  a way that elements of the antenna array can be directly attached to the microwave network. Design,  synthesis, and  analysis of  the  8×8 microwave Rotman Lens  and  its  variants are based  on real-time analysis of geometrical optics (GO).

The above  microwave lens has an elliptical curvature on the beam  port  side. In this design, dummy ports are replaced with the terminated absorber sidewalls in order to introduce a novelty in the microwave lens structure, reduce the network size and  unwanted reflections (and  therefore reduce phase errors  at the array  ports),  and  increase  the performance of the lens. The geometry of the  transmission line routing is adjusted in a way to ensure no overlapping, proper spacing between lines, proper curvature, and maintaining overall lens physical length   requirement. To  obtain  the  desired performance, the  lens  requires to  be tuned in terms  of phase error  or the  array  factor.  The  tuning involves adjusting  the  focal ratio  (g) of the  lens  that  will  minimise the  error  reported by  the  phase error.  This  factor determines the curvature and  focus of the lens, and  if not adjusted accurately, will produce a messy  beam.  Hence,  the focal ratio  (g) is adjusted to 1.2670 in order to minimise the beam to array  phase error  and  to produce well-focused beams  (Fig. 5).

a function of frequency. The beam  to array  coupling amplitude (the array  ports  distribution from a given  beam  or set of beams)  for the array  ports  9 to 16 has expected outcome of –9 dB to –13 dB has been obtained as a result of the accurate lens design and it confirms how the amplitude distribution along  the  array  contour is  much  more  uniform with  beam  port pointing enabled. Also,  the  progressive phase  shift  for the  lens  array  ports  exciting  beam port 5 ensures the generation of eight distinct beams and beam scanning capabilities. It is computed using  the linear distance between the ports  in the dielectric medium chosen.

The fabrication of microwave network was carried out and the lens was then extensively measured on  a network analyser over  a frequency range  of 5.5 GHz  to 7.5 GHz  with  the frequency of operation as 6.3 GHz. Fig. 6 indicates the fabricated microwave network being tested. Only  one  beam  port  and  one  array  port  (S21) are  measured at a time  and  all other ports  are perfectly terminated using  50 Ω termination loads.

is still capable of forming well-defined beams suitable for the beam steering experiments by causing the main  lobe to be directed in certain  directions for ports  1 to 8.

The difference in signal  beam shape  between the measured radiation patterns and  simulated array  factors  is mainly in the  nulls  between the  beams,  which  are  not  deep  enough as the measured  results  because of  small  phase and   amplitude  deviations, the  cross-coupling effects  that  are  not  taken  into  account in simulations, non-uniformity of transmission line width, and  errors  occurred during fabrication, measurement, and  soldering. By eliminating the mentioned errors  and  using  a shielded metal  box with  absorbing foams  attached to the inner lid to reduce the interferences, the overall system performance will be improved and enhanced in terms of achieving high-gain narrow-beams with desired directions, and the relative phase shift will have a uniform distribution.

The proposed system  can be used  as the radio  zone control  technology units  which  scans the radio  zone (antenna beam)  in accordance with  the average speed of a vehicle group in order to decrease the number of handovers within the specified continuous area.  The microwave lens  can also be integrated with  amplifiers between the  lens  and  the  radiating elements as well  as  an  RF switch  array  for  selection  of the  signal  beam  ports  and  an  A/D converter which  samples the  received signal  and  converts it to a digital signal  and  a DSP processor unit  which  then  performs a  Fast  Fourier Transform (FFT) of  the  digital signal,  and  the amplitude and the phase parts  are separated out.

ITS applications have  generally been  classified  into  three  main  categories with  respect to their  functionalities  as  safety,  efficiency,  and  comfort  applications.  Safety  applications minimise the  risk of  accidents and  reduce the  severity of  the  accident if  it  still  occurs (collision avoidance, road sign notifications, incident management). Efficiency applications increase traffic efficiency by managing the traffic flow, and monitoring vehicles and road conditions. The purpose of comfort applications is to provide entertainment facilities and information to passengers by means  of Internet access technologies (Dar et al., 2010).

Integration of digital signal  processing unit  with  microwave beamforming network based on  the  8×8 Rotman Lens  will  form  a hybrid microwave-digital distributed beamforming network that  can  be  employed in  vehicular phased arrays and  collision  avoidance radar systems in  order to  support the  ITS safety  applications. Also,  the  proposed microwave network system  can further be extended to wide-band structures to support the frequency of operation of 63 GHz for vehicle communication systems.

Butler matrix microwave BFN analysis and design

The Butler Matrix which  is recently used  due to its easy fabrication process  and  low cost, is a method of feeding an antenna array.  It requires beam  (input) ports,  output ports,  (N/2) log2(N)  hybrid couplers, and  (N/2) log2(N–1)  fixed phase shifters to form  the N×N  network for an N-element array  (Ahmad & Seman,  2005). When  a signal  excites an input beam  port of the matrix, it produces different inter-element phase shifts between the output ports. To calculate the number of crossovers needed (14) may be used  (Corona & Lancaster, 2003):

In this ITS microwave beamforming network, four hybrid couplers, two crossovers, and  two fixed phase shifters  are combined to obtain  the 4×4 Butler Matrix.  The phase differences are

±45° and  ±135° from port  1 and  port  4, and  port  2 and  port  3, respectively. The output ports have  been  spaced in such  a way  that  elements of the antenna array  can be directly attached to the microwave network. If the matrix  is connected to an antenna array,  then  the network will  act  so that  the  array  will  have  a uniform amplitude distribution and  constant phase difference between adjacent elements to generate orthogonal beams.  The Butler Matrices  are then  cascaded in order to produce narrow-beam and  broad-beam output that  could  provide multi-channel operation for automotive telematics applications, particularly for vehicle-to- vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) automotive communications.

The  Butler  Matrix   microwave beamforming network  is  theoretically  lossless  in  that  no power is intentionally dissipated in terminations. There will always be, however, a finite insertion loss due to the inherent losses in the hybrid couplers, fixed phase shifters, and transmission lines that make  up the matrix.  The Butler Matrix  passive beamforming antenna also requires that the individual beam patterns be orthogonal in space (Skolnik, 2000).

Independent  orthogonal  beams  mean  that  when  two  or  more  beam  input  ports  are simultaneously excited,  the resulting radiation is a linear  superposition of the radiations that would be  obtained when the  ports  are  excited  separately. In  addition, when a  signal  is applied to one port  it should have  no output at the other  ports.  An antenna which  is lossless and  passive means  that  the radiated power is the same  as the input power. Fig. 8 shows the topology of the Butler Matrix.  The phase shift at the matrix  output ports  can be determined by summing up all the phase shifts of signal  paths. Table 1 also indicates the resulting phase shift’s  characteristics at  the  matrix  output elements. It was  designed in  such  a way  that when current excited to any input ports  will only has one constant as shown in Table 1.

Fig. 9 shows the proposed planar configuration of the 4×4 ITS Butler Matrix microwave beamforming network obtained as a result  of the  accurate branch line  coupler, crossover, and  phase shifter  components design. The input and  output ports  are connected through the phase shifters  and  branch line couplers such that when  a signal  is applied to any input port, the  matrix  produces equal  amplitude signals  at all the  output ports.  The  45 degree and  0 degree phase shifters, together with phase adjustment, are obtained by connecting a transmission line  at  the  output port  of the  hybrid coupler to  the  input port  of the  other hybrid coupler. At the Butler  Matrix  output ports,  additional transmission lines  are placed in such  a way  that  antenna array  elements can  be directly connected to the  network. The design gives  the  4×4 ITS Butler  Matrix  network a compact size  of 11.6 cm  × 9.1 cm  for enhanced operation and  better  performance (Rahimian & Rahimian, 2010).

4×4 ITS Butler matrix microwave BFN realisation

The  fabrication of the  4×4 ITS Butler  Matrix  microwave beamforming network has  been carried out and the measured results have slight error compared to simulated results. The prototype for the  matrix  is fabricated as a microstrip with  a 50 Ω impedance transmission lines  on FR4 substrate with  the  dielectric constant (εr) of 4.7 and  thickness (H) of 0.8 mm, and loss tangent of 0.01. The ITS Butler Matrix microwave beamforming network was then extensively measured on a network analyser over  a frequency range  of 2.5 GHz  to 3.5 GHz with  the  frequency of operation as 3.15 GHz.  The Butler  Matrix  has  been  shielded with  a metal  box along  with  absorbing foam  attached to the  top  lid  of the  inner  box in order to reduce internal coupling and  external interference effects. Fig. 10 indicates the fabricated ITS beamforming network being  tested. Only one beam  port  and  one output port  are measured at a time and  all other  ports  are perfectly terminated using  50 Ω termination loads.

Fig. 11 and  Fig. 13 indicate the simulated and  measured S-parameters exciting  beam  port  1 and  beam  port  2 respectively. At an operating frequency of 3.15 GHz, the simulated results agree  with  the measured results. As Fig. 12 and  Fig. 14 indicate, the measured progressive phase shift  for  the  Butler  Matrix  microwave beamforming network output ports  exciting port  1 and  port  2 respectively ensure the generation of four different beams  at 3.15 GHz.

By using  the  narrow-beam signals  available from  the  ITS Butler  Matrix,  it is possible for a vehicle  to increase  gain  in the desired signal  directions and  reduce the gain  in interference signal directions. The differences between the simulations and measurements and slight distortion of  the  beam  shape   might   be  due  to  the  employed FR4 board and  fabrication process, non-uniformity of matrix transmission line width, cross-coupling effects, and measurement errors.  This Butler Matrix  microwave network can be used  as a planar passive BFN for multi-beam antennas used  in automotive telematics and ITS applications.

The microwave beamforming network was designed to be placed anywhere on the envelope of the symmetrical cut-plane running through the centre of the vehicle. Possible antenna placement positions are  therefore on  the  roof  of the  vehicle  or  inside  the  front  and  rear bumpers with  a plastic  radome. Antenna location  is important to permit a mounting, which has little impact on vehicle  styling,  be of low cost, and  be capable  of addition to the vehicle with minimum re-design of surrounding components.

Cascaded ITS Butler matrices microwave BFN design and performance

As Fig. 15 indicates, the proposed ITS Butler Matrix microwave beamforming network has been  cascaded back-to-back in order to produce narrow-beams and  broad-beams suitable for V2V and  V2I automotive communications. Signals  entering the  input ports  of the  first Butler Matrix microwave beamforming network are subdivided into equal amplitude with progressive phase variation across the matrix output ports, for high-gain and narrow-beam reception that are potential for ITS long-range automotive communication.

These  signals  are  then  fed  into  the  Wilkinson power dividers. The signal  from  one  end  of each Wilkinson power divider forms  a narrow output beam while  the signals  from the other ends  of the Wilkinson power divider are fed into the second Butler Matrix  network in order to regenerate the broad-beam signal  characteristics of the individual radiating elements. As a result,  high-gain and  narrow-beam signals  are produced on the output of the first Butler Matrix  network while  broad-beams are produced on the output ports  of the  second Butler Matrix network that are suitable for ITS short-range automotive communication.

Fig. 16 and  Fig. 17 present the  computed array  factor  radiation patterns suitable for  ITS long-range application and  short-range application respectively. The  concept  of cascaded ITS Butler Matrices microwave beamforming network has been examined in which the first Butler Matrix microwave beamforming network will act as a power divider and the second Butler  Matrix  network will act as a combiner in order to produce high-gain narrow-beams for  long-range communication from  the  outputs of  the  first  Butler  Matrix  beamforming network and  broad-beam signals  for  short-range communication from  the  outputs of the second Butler Matrix microwave network.

The ITS microwave BFN system  can further be integrated with  low-noise amplifiers (LNAs) to increase  the gain and  to reduce the noise power as well as an RF switch  array  for selection of the  input beam  ports  of the  network. A control  circuit  switches the  RF switch  to switch the  oscillator signal  rapidly among beam  ports  by changing the  feed  points at a specified rate.  At the  array  ports,  the  phase shifted signals  are  amplified via  an  amplifier and  then radiated through the antennas. On the receiving side,  the receiver amplifies the signal  and then  a bank  of filters  filter the received signal  which  in turn  is fed to the array  ports  of the network via an RF switch.

ITS V2V and V2I automotive communications scenario

ITS is the application of high enabling technology to adaptive traffic signal systems control, congestion charging, information provision, and transit management systems in order to increase  and  enhance the  safety  and  efficiency  of the  surface  transportation system  using radiowave beacons  and  real-time traffic  information communication with  major  areas  as: Multi-modal travel  management and  traveller information, commercial vehicle  operations to achieve safe and cost-effective operation through cooperation and advanced automated networking technologies, and advanced vehicle control  and safety systems.

Vehicular telematics are a key technological component of future intelligent road networks. Such systems and technologies offer increased road efficiency, increased safety, improved communications and information services to drivers and passengers, and reduced road congestion and  accident rates.  Vehicle-to-infrastracture (V2I)  or  vehicle-to-vehicle (V2V) communication links are likely to be key elements (Fig. 18). Implementation of intelligent transportation systems and  applications and  vehicular telematics will require demonstration of a number of microwave systems and technologies at an acceptable price per unit. These technologies include antenna arrays, microwave beamforming networks, transmit/receive components, and  a variety of sensors, both  road  and  vehicle  mounted, in order to increase road efficiency and provide additional services to drivers and travellers. The antennas and beamforming networks are required to provide steered and switched-beam smart radiation patterns to  maintain links  to  moving vehicles  and  to  compensate for  signal  fading in  a complex and  dynamic multipath environment. Hence,  the development that  will be a key to the  provision of information-rich and  high  data-rate services  will  be  microwave systems capable of providing communication links either with roadside beacons (V2I) or with other vehicles  (V2V).  In  the  latter  case,  it  will  be  possible to form  wireless vehicular ad-hoc networks (VANETs)  with  the  benefit  of reducing communication link  range  in high  traffic density and providing multiple routes between vehicles  and roadside beacons.

Intelligent transportation systems also  play  an  important role  in the  research activities on road  safety,  allowing vehicles  to detect  a safety  hazard and  to react  to it timely.  Through immediate forwarding of hazard warning information to other  vehicles  via wireless vehicle- to-vehicle (V2V) communication, other  vehicles  could  avoid  running into  the  hazardous situation. The same  wireless communication interface could  be used  to provide the vehicle with  traffic  control  and  road  safety  information from  roadside infrastructure via  wireless vehicle-to-infrastructure (V2I)  communication. Both  V2V  and  V2I  are  the  basis  for  ITS framework and  applications providing a potential for avoidance of accidents.

In order to ensure efficient  allocation of RF resources, it is important to group various V2V- and  V2I-based  applications in different categories based  on their  need  for radio  resources. The first such category is the ITS V2V-based  Critical  Road Safety Applications characterised by strict  time  constraints where one  vehicle  must  warn  another vehicle  of a sudden safety hazard instantaneously. Such ITS applications have strict requirements on communication reliability, tolerable transmission latency,  minimum throughput, and  medium access delays.

Second category is the ITS V2I based Safety and Traffic Efficiency Applications which are informational applications. These  applications may  be  less  time-critical and  may  benefit from central  resource management by roadside infrastructures, more  RF link stability due  to roadside unit’s static nature, and better antennas. Depending on their unique requirements, Critical  Road  Safety  Applications and  Safety  and  Traffic  Efficiency  Applications require a higher QoS, such as instant access to RF frequency channel, high SNR and low channel interference, and  reliable  wireless communication  to  ensure that  the  safety  messages are received by vehicles with high probability and for both types of applications, microwave beamforming networks based  on  Butler  Matrices  and  Rotman Lenses  can  be employed in order to establish a reliable  RF communication link among vehicular beacons.

A study was also carried out of Medium Access Control (MAC) protocols which  are suitable for V2V and  V2I automotive communications. The aim is to be able to communicate within a group of vehicles  travelling as a cluster,  between vehicles  and  a roadside transceiver, and from  a  roadside transceiver in  a  broadcast mode.  Telematics architectures available in vehicular communication and  networks are  Vehicle  Infrastructure Integration (VII)  and Communication Access for Land Mobiles (CALM).

VII architecture seeks significant improvement in vehicle  safety,  mobility, and  commerce by deploying a  communication infrastructure on  roadways and  installing Dedicated Short Range  Communication (DSRC)  radios on  all  production light  vehicles  (Fig.  19).  In this scenario, Onboard Unit  (OBU) is located inside  vehicle,  Roadside Unit  (RSU) is located  on the  road  and  acts  as  a data  gathering and  distribution point,  control  channel broadcasts application and  vehicular communication establishment, and  service  control  establishes communication between OBUs and  RSUs and  between OBUs. Also, DSRC which  is a short to  medium range  communications service that  supports both  public  safety and  private operations in V2I and  V2V communications is meant to provide very high data  transfer rates for mobile  wireless nodes  in relatively small communication zones and  with small latency.

Wireless  Access in Vehicular Environment (WAVE) is the mode  of operation used  by IEEE

802.11 devices  in the DSRC band  allocated for ITS communication. Fig. 20 shows  the WAVE system components. All these advanced wireless vehicular ad-hoc networks (VANETs) can further be integrated with  advanced distributed microwave beamforming networks in order

to form a state of the art vehicular network with enhanced performance to serve the ITS framework and  objectives.  The inherent capabilities of microwave beamforming networks and techniques together with VANETs complex algorithms and architectures will provide a powerful synergy for intelligent transportation systems and vehicular telematics realisation.

Conclusion

The need  to relieve  traffic  congestion and  make  more  efficient  use  of motorway networks requires a  more  sophisticated approach to  traffic  and  transportation management. ITS applications and  vehicular networks and  telematics can offer many  benefits  using  advanced RF and microwave technologies, where vehicles mounted systems communicate with other vehicles or with an infrastructure of roadside beacons. Hence, researches on intelligent transportation systems and  applications were  carried out to enhance safety and  efficiency of road transportation related to vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) automotive communications. Microwave beamforming networks can greatly increase and enhance the performance of wireless systems used in intelligent transportation systems and framework. In this contribution, passive planar steerable microwave beamforming networks based  on Rotman Lens  and  cascaded Butler  Matrices  have  been  designed and  analysed in

order to support the wireless systems used in vehicular networks, intelligent transportation systems,  and  collision  avoidance program which  includes rear-end collision  avoidance system,  intelligent adaptive cruise  control,  road  departure collision  avoidance system,  and lane change collision  avoidance system.

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