[論文レビュー] Design and Performance Evaluation of Joint Sensing and Communication Integrated System for 5G MmWave Enabled CAVs

Qixun Zhang, Xinna Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Wireless Body Area Networks参考文献 38被引用数 133

ひとこと要約

本稿では、5G mmWaveを活用した連結自動運転車両（CAVs）向けに、5G New Radioに基づく時分割フレーム構造を用いて、レーダー走査と高速データ通信の間で時間割り当てを動的に制御する、統合センシングと通信システム（JSCIS）を提案する。システムを年齢情報（AoI）を伴うM/M/1キューとしてモデル化し、リソース割り当てを非協力ゲームとして定式化することで、提案されたCTRAアルゴリズムは、レーダー相互情報量を26%向上させるとともに、28 GHzで±0.25 mの距離測定精度を達成し、安定した2.8 Gbps通信を実現した。

ABSTRACT

The safety of connected automated vehicles (CAVs) relies on the reliable and efficient raw data sharing from multiple types of sensors. The 5G millimeter wave (mmWave) communication technology can enhance the environment sensing ability of different isolated vehicles. In this paper, a joint sensing and communication integrated system (JSCIS) is designed to support the dynamic frame structure configuration for sensing and communication dual functions based on the 5G New Radio protocol in the mmWave frequency band, which can solve the low latency and high data rate problems of raw sensing data sharing among CAVs. To evaluate the timeliness of raw sensing data transmission, the best time duration allocation ratio of sensing and communication dual functions for one vehicle is achieved by modeling the M/M/1 queuing problem using the age of information (AoI) in this paper. Furthermore, the resource allocation optimization problem among multiple CAVs is formulated as a non-cooperative game using the radar mutual information as a key indicator. And the feasibility and existence of pure strategy Nash equilibrium (NE) are proved theoretically, and a centralized time resource allocation (CTRA) algorithm is proposed to achieve the best feasible pure strategy NE. Finally, both simulation and hardware testbed are designed, and the results show that the proposed CTRA algorithm can improve the radar total mutual information by 26%, and the feasibility of the proposed JSCIS is achieved with an acceptable radar ranging accuracy within 0.25 m, as well as a stable data rate of 2.8 Gbps using the 28 GHz mmWave frequency band.

研究の動機と目的

• 動的な車両環境下における、低遅延かつ高レートの生センシングデータ共有の課題に対処すること。
• レーダー走査と5G mmWave通信機能を1つのシステムに統合し、ハードウェアおよびシグナルオーバーヘッドを低減すること。
• 情報の陳腐化（Age of Information: AoI）を最小限に抑えつつ、レーダー相互情報量を最大化するように、センシングと通信の間で時間リソースを最適化すること。
• 28 GHzでリアルタイムでの統合システムの検証が可能な実装可能で安定したハードウェア実験台の設計。

提案手法

• 5G NRに基づく時分割双方向（TDD）フレーム構造を設計し、構成可能なスロット割り当て（SA1およびSA2）により、サブフレームをレーダー走査と通信に割り当てる。
• センシングから通信へのデータ伝送リンクをM/M/1キューイングシステムとしてモデル化し、年齢情報（AoI）を分析し、最適な時間割り当て比を導出する。
• 複数のCAVにおけるリソース割り当て問題を、レーダー相互情報量を利得関数とする非協力ゲームとして定式化する。
• ゲーム理論的枠組みにおいて、純粋戦略ナッシュ均衡（NE）の存在と実現可能性を証明する。
• 最適な実現可能な純粋戦略NEに到達するための集中型時間リソース割り当て（CTRA）アルゴリズムを提案する。
• 28 GHzで動作する2台のNI 5G mmWaveプラットフォーム、64要素のフェーズドアレイアンテナ、およびロッドアンテナを用いたハードウェア実験台を開発し、システム性能の検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1台のCAVにおいて、情報の陳腐化（年齢情報：AoI）を最小限に抑えるために、センシングと通信の間で最適な時間割り当て比は何か？
• RQ2 複数のCAV間でのリソース割り当てを最適化することで、センシングと通信の性能をどのようにバランスさせるか？
• RQ3 統合センシングと通信システムの非協力ゲーム定式化において、純粋戦略ナッシュ均衡は存在するか？
• RQ4 28 GHzでの実世界のハードウェア実装において、レーダー距離測定精度と通信データレートはどの程度達成可能か？
• RQ5 提案されたCTRAアルゴリズムは、他のリソース割り当て戦略と比較して、レーダー相互情報量とシステム収束性においてどのように優れているか？

主な発見

• CTRAアルゴリズムは、ベースライン戦略と比較して、合計のレーダー相互情報量を26%向上させ、優れた最適化性能を示した。
• ハードウェア実験台は28 GHz mmWave帯域で安定した2.8 Gbpsのデータレートを達成し、高スループット通信能力を確認した。
• 統合システムの距離測定精度は±0.25 m以内であり、2 mの距離で測定誤差はわずか±0.044 mにとどまった。
• 10 msのレーダー更新レートを3秒間の平均化により維持し、リアルタイムのデータ新鮮度を確保した。
• CTRAアルゴリズムは最適な時間割り当て戦略に収束し、最良の実現可能な純粋戦略ナッシュ均衡に到達した。
• シミュレーションおよび実世界のハードウェアテストの両方で検証された結果、提案されたJSCISフレームワークは実装可能で効果的であることが示された。