[論文レビュー] Distributed Cache Enabled V2X Networks: Proposals, Research Trends and Challenging Issues

Di Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、自動車、非自動車、歩行者、IoTデバイスを統合した1つの知能交通システムとしての分散キャッシュ対応V2Xネットワークを提案する。すべてのレーンサイドデバイスにおける異種キャッシュの活用と、LTE、DSRC、mmWave帯域の統合により、スケジューリング効率の向上、遅延の低減、安全関連アプリケーションの高信頼性通信を実現する。

ABSTRACT

Nowadays, the internet of vehicles (IoV) has been evolved into the stage of vehicle to everything (V2X). However, the majority of existing work focuses on the motor-vehicles. In contrast, the sharing bicycle system is vastly and rapidly deployed as a feasible internet of things (IoT) application scene for the last mile problem (e.g., from station to home/office). Moreover, the internet access of current V2X is relied on the back-haul to roadside unit (RSU) connections. In this paper, other than prior work, we propose a versatile V2X system with a distributed framework and heterogeneous caching method. All the vehicles and devices on-the-road (motor-vehicle, non-motor-vehicle, pedestrian, etc.) are comprehensively included in the proposed networks. We further introduce a heterogeneous cache method for effective wireless transmission while utilizing the massive connected devices. The potential research trends on achieving high speed transmission, deep programming dedicated network slicing are highlighted as well as the big data, machine learning (ML), fog computing based image recognition and reconstruction, to provide some insights for future studies. Finally, the challenging issues, i.e., urban street canyon path loss and channel models, ultra reliable communication and low latency requirements, are discussed.

研究の動機と目的

• 現在のV2Xネットワークが主に自動車中心であり、共有自転車や歩行者などの非自動車デバイスを十分に活用していないという制限を是正すること。
• すべての接続済み道路デバイスに分散キャッシュ機構を導入することで、無線スケジューリング効率の向上とバックホール負荷の低減を図ること。
• 知能交通システムおよび自律走行アプリケーション向けに、高速で低遅延かつ超信頼性の通信を実現すること。
• 都市部V2X環境におけるパスロスモデル、チャネルモデル、およびURLLC（超信頼性低遅延通信）の主な研究課題を特定・分析すること。
• ネットワークスライシング、ビッグデータ分析、機械学習、エッジベースの画像認識を含む、V2X知能化のための今後の研究方向性を検討すること。

提案手法

• 自動車、非自動車（例：共有自転車）、歩行者、IoTデバイスを分散キャッシュフレームワークにより統合した包括的V2Xネットワークモデルを提案する。
• コンテンツを基地局、車両、モバイルデバイスなどさまざまなノードにキャッシュすることで、バックホール遅延と伝送遅延を低減する異種キャッシュ戦略を導入する。
• LTE、DSRC（5.9 GHz）、ミリ波（mmWave）を統合したマルチバンド無線アクセス戦略を採用し、多様な通信ニーズに対応するとともにスペクトル効率を向上させる。
• 車両表面に太陽光発電コンバーターを設置することで、二酸化炭素排出量を削減し、持続可能なネットワーク運用を支援する。
• コンテンツ指向ネットワーキング（CCSM）の原則を活用し、ネットワーク内でのコンテンツ格納・取得を可能にすることで、リモートデータセンターへの依存度を低減する。
• ネットワークスライシングとリアルタイム処理を組み合わせることで、安全関連アプリケーション向けに超信頼性・低遅延通信（URLLC）を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散キャッシュフレームワークを用いて、自動車、共有自転車、歩行者といった異種デバイスを統合的V2Xネットワークアーキテクチャに効果的に統合する方法は何か？
• RQ2 都市部のストリートキャノン環境が、特にmmWaveおよびNLOS（視線外）条件下でのパスロスおよびチャネルモデルに与える影響は何か？
• RQ3 高い移動性と干渉が生じる密集したマルチデバイスV2X環境において、超信頼性低遅延通信（URLLC）をどのように実現できるか？
• RQ4 機械学習とエッジコンピューティングは、知能交通制御のためのリアルタイム画像認識および再構築をどのように可能にするか？
• RQ5 ネットワークスライシングとクロスレイヤーデザインは、緊急通報や自律走行を含む多様なV2Xサービスのパフォーマンス最適化にどのように寄与できるか？

主な発見

• 都市部のストリートキャノン環境では、1回の曲がり角を越えた後、NLOS（視線外）パスロスが急激に増加し、信頼性の高い通信はたった1回の曲がり角NLOSリンクに限定される。
• mmWaveパスロスモデルはまだ十分に発展していない。ニューヨークのような都市で広範な測定が行われているが、成熟した都市チャネルモデルはまだ確立されていない。
• 1 msの遅延（5G）では、時速120 kmで走行する車両はわずか3 cm移動するが、30 msの遅延（LTE）では9 dm移動する。これは、自律走行において超低遅延が極めて重要であることを示している。
• すべての接続済みデバイスに分散キャッシュを導入することで、バックホール負荷が顕著に低減され、システムのエネルギー効率が向上する。
• 安全関連アプリケーションでは超信頼性通信が不可欠であり、1 msの遅延でも50%の信頼性では不十分である。重要な制御メッセージの信頼性は99%以上を維持する必要がある。
• 今後のV2Xシステムには、ネットワークスライシング、リアルタイム処理チップ、セキュアプロトコルを統合したソリューションが必要であり、信頼性、遅延、セキュリティの課題に対処する。