[論文レビュー] Feasibility of 5G mm-wave communication for connected autonomous vehicles

Sakib Mahmud Khan, Mashrur Chowdhury+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ns-3ネットワークシミュレーションを用いて、5G mm-wave通信がコネクテッド自動運転車（CAVs）に適しているかを評価している。5G mm-waveは、200 ms未満のエンドツーエンド遅延を達成し、安全応用に適していることが示され、密度の高い都市環境でも、平均パケット遅延が13 msのリアルタイムHD動画ストリーミングを可能にした。DSRCに比べて優れた性能を示した。

ABSTRACT

The internet-of-things (IoT) environment holds different intelligent components networked together and will enable seamless data communication between the connected components. Connected autonomous vehicles or CAVs are major components of the IoT, and the smooth, reliable, and safe operation of CAVs demands a reliable wireless communication system, which can ensure high connectivity, high throughput and low communication latency. The 5G millimeter-wave or mm-wave communication network offers such benefits, which can be the enabler of CAVs, especially for dense congested areas. In this research, we have evaluated the 5G mm-wave and Dedicated Short Range Communication (DSRC) for different CAV applications in a Network Simulator-3 (ns-3). For the CAV applications, we have evaluated the end-to-end latency, packet loss, and data rate (for both the CAV receiver and transmitter) of the 5G mm-wave. We have found that 5G mm-wave can support CAV safety applications by ensuring lower latency compared to the required minimum latency of 200 milliseconds for the forward collision warning application. For mobility applications, we have found that 5G mm-wave can support multiple CAVs with a high data receive rate, which is enough for real-time high definition video streaming for in-vehicle infotainment, with mean packet delay of 13 milliseconds. The findings from this study establish that 5G mm-wave can be the enabler of future CAVs in congested areas. Using the evaluation framework developed in this paper, public agencies can evaluate 5G mm-wave to support CAVs in congested areas, such as heavy pedestrian areas like downtown, commercial zones, under their jurisdiction.

研究の動機と目的

• 高密度都市環境におけるコネクテッド自動運転車（CAVs）の5G mm-waveの実現可能性を評価すること。
• 遅延、パケット損失、データレートの観点から、5G mm-waveと専用短距離通信（DSRC）を比較すること。
• 前方衝突警告やリアルタイム動画ストリーミングなどの重要なCAV応用の性能を評価すること。
• 混雑した地域におけるCAVsの5G mm-wave展開を評価できる、シミュレーションフレームワークの開発

提案手法

• 密度の高い都市地域におけるCAV通信シナリオをモデル化するため、ns-3を用いたネットワークシミュレーション。
• 定義されたMACおよびPHY層パrameterを用いて、5G mm-waveおよびDSRCプロトコルの実装。
• 安全応用（例：前方衝突警告）および移動体応用（例：HD動画ストリーミング）のシミュレーション。
• 送信機および受信機の両端でエンドツーエンド遅延、パケット損失率、データレートを測定。
• 都市環境におけるmm-wave伝搬のための現実的な車両移動モデルおよびチャネルモデルの使用。
• 車両密度およびネットワーク負荷の変化に伴う性能の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5G mm-waveは、前方衝突警告などの安全関連CAV応用に必要な200 msの遅延要件を満たすことができるか？
• RQ2 密度の高い都市環境において、5G mm-waveのエンドツーエンド遅延およびパケット損失はDSRCと比べてどのように異なるか？
• RQ3 5G mm-waveは、車内インフォテインメントシステムのためのリアルタイム高精細動画ストリーミングをサポートできるか？
• RQ4 高移動環境下におけるmm-wave通信において、CAV送信機および受信機が達成可能なデータレートは何か？
• RQ5 5G mm-waveは、ダウンタウンや商業地域のような混雑した地域における多数のCAVをサポートするのにスケーラブルか？

主な発見

• 5G mm-waveは、前方衝突警告のエンドツーエンド遅延を200 ms未満に抑え、安全応用の最低要件を満たした。
• HD動画ストリーミングの平均パケット遅延は13ミリ秒であり、リアルタイム車内インフォテインメントを可能にした。
• 密度の高い都市環境において、5G mm-waveはDSRCに比べて顕著に低い遅延と高いデータレートを示した。
• 高帯域幅応用に適した、高い受信データレートを維持しながら、複数のCAVを同時にサポートした。
• 開発されたシミュレーションフレームワークにより、公共機関が混雑した都市地域におけるCAVsの5G mm-wave展開を評価できるようになった。