[論文レビュー] Content Distribution based on Joint V2I and V2V Scheduling in mmWave Vehicular Networks

Lan Su, Yong Niu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミリ波車両通信ネットワークにおけるV2IおよびV2Vスケジューリングの共同手法を提案し、コンテンツ配信のタイムスロットを最小限に抑え、システムスルーレートを最大化することを目的としている。RSUを活用したV2I伝送とフルデュプレックスを組み合わせることで、非協力的かつFCFS方式と比較して、タイムスロットを最大41.5%削減し、スルーレートを60%以上向上させている。特に大容量ファイル転送および高密度の車両環境下で顕著な効果を示している。

ABSTRACT

With the explosive growth of vehicle applications, vehicular networks based on millimeter wave (mmWave) bands have attracted interests from both academia and industry. mmWave communications are able to utilize the huge available bandwidth to provide multiple Gbps transmission rates among vehicles. In this paper, we address the content distribution scheduling problem in mmWave vehicular networks. It has been challenging for all vehicles in the same network to complete content downloading due to the limited communication resources of roadside units (RSUs) and the high mobility of vehicles. We propose a joint vehicle-to-infrastructure (V2I) and vehicle-tovehicle (V2V) scheduling scheme to minimize the total number of content distribution time slots from a global optimization perspective. In the V2I phase, the RSU serially transmits integrity content to vehicles, which are selected according to the vehicular network topology and transmission scheduling scheme. In the V2V phase, full-duplex communications and concurrent transmissions are exploited to achieve content sharing between vehicles and improve transmission efficiency. Performance evaluations demonstrate that our proposed scheme reduces the number of time slots and significantly improves system throughput when compared with other schemes, especially under large-size file transfers and a large number of vehicles.

研究の動機と目的

• RSUの過負荷と車両の移動性による不安定な接続性が生じるミリ波車両通信ネットワークにおけるコンテンツ配信の課題に対処する。
• 単独のV2I（カバー範囲が限られ、負荷が高いため）およびV2V（信頼性が低く、遅延が大きい）通信の限界を克服し、大容量ファイル転送を実現する。
• V2IおよびV2Vスケジューリングのグローバル最適化を通じて、コンテンツ配信に要する合計タイムスロットを最小化する。
• フルデュプレックスV2V通信および同時伝送の活用により、システムスルーレートとエネルギー効率を向上させる。
• 高い移動性および大容量ファイルサイズ下でも、すべての車両がコンテンツのダウンロードを完了できるように保証する。

提案手法

• RSUはネットワークトポロジーと車両の近接度に基づいて、V2I伝送の対象となる車両を選択し、その後続のV2V転送を最適化する。
• V2Iフェーズでは、RSUが選択された車両に順次全コンテンツを伝送し、高い伝搬可能性を持つ車両を対象とする。
• V2Vフェーズではフルデュプレックス通信を実装し、車両が同時に送信および受信可能にすることでスペクトル効率を向上させる。
• 車両間の同時伝送をスケジューリングし、空間的再利用を最大化し、エンドツーエンド遅延を低減する。
• V2IおよびV2Vフェーズのタイムスロット割り当てを最適化するための共同スケジューリングアルゴリズムを採用し、合計配信時間を最小化する。
• フルデュプレックスV2Vリンクでは、自己干渉を低減し信頼性を向上させるために、信号干渉キャンセレーション（SIC）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波車両通信ネットワークにおけるV2IおよびV2Vスケジューリングの共同手法は、コンテンツ配信に要するタイムスロット数をどのように削減できるか？
• RQ2 フルデュプレックスV2V通信および同時伝送は、システムスルーレートと遅延にどのような影響を与えるか？
• RQ3 本手法は、非協力的およびFCFSベースのV2V協力方式と比較して、時間効率および信頼性面でどの程度優れているか？
• RQ4 自己干渉キャンセレーションは、変動するチャネル状態下でのフルデュプレックスV2Vリンクの性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 車両密度の増加および大容量ファイルサイズ下で、本手法はどの程度スケーラブルか？

主な発見

• 3 GBのファイル転送時、本手法はランダム協力方式と比較してタイムスロットを41.5%削減し、FCFS方式と比較しても40.6%削減した。
• 3 GBのコンテンツサイズ下で、非協力的方式と比較してスルーレートが60.9%向上し、FCFS方式と比較しても59.2%向上した。
• 大容量ファイル転送および高密度の車両環境下で性能向上が顕著であり、スケーラビリティを示している。
• RSUの伝送が増加するため、ランダム協力方式よりエネルギー消費量は高いが、効率性と信頼性の向上により相殺されている。
• 自己干渉キャンセレーションがβ = 10⁻¹³に達した時点でスルーレートが安定化し、この点以降は利得の逓減が見られる。
• 非協力的方式ではRSUの容量制限によりすべての車両にコンテンツを配信できなかったが、本手法では完全な配信を保証している。