[논문 리뷰] A Discrete-Time Markov Chain Based Comparison of the MAC Layer Performance of C-V2X Mode 4 and IEEE 802.11p

Geeth P. Wijesiri, Jussi Haapola외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 24.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 26인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 차량 간 통신에서 C-V2X Mode 4와 IEEE 802.11p의 MAC 레이어 성능을 비교하기 위해 이산 시간 마르코프 체인(DTMC) 모델을 제안한다. 평균 지연, 충돌 확률, 채널 이용도와 같은 핵심 지표를 평가하고, 폐쇄형 평형 확률를 유도하며, 고속도로 환경에서 IEEE 802.11p가 평균 지연에서 C-V2X Mode 4를 능가하는 반면, C-V2X는 충돌 해소 능력에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Vehicle-to-vehicle (V2V) communication plays a pivotal role in intelligent transport systems (ITS) with cellular-vehicle to everything (C-V2X) and IEEE 802.11p being the two competing enabling technologies. This paper presents multi-dimensional discrete-time Markov chain (DTMC) based models to study the medium access control (MAC) layer performance of the IEEE 802.11p standard and C-V2X Mode 4. These models are coupled with an appropriate DTMC based queuing model, and traffic generators for periodic cooperative awareness messages (CAMs) and event-driven decentralized environmental notification messages (DENMs). Closed-form solutions for the steady-state probabilities of the models are obtained, which are then utilized to derive expressions for several key performance metrics. An application for a highway scenario is presented to provide numerical results and to draw insights on the performance. In particular, a performance comparison between IEEE 802.11p and C-V2X Mode 4 in terms of the average delay, the collision probability, and the channel utilization is presented. The results show that IEEE 802.11p is superior in terms of average delay, whereas C-V2X Mode 4 excels in collision resolution. The paper also includes design insights on possible future MAC layer performance enhancements of both standards.

연구 동기 및 목표

• 이산 시간 마르코프 체인을 사용하여 C-V2X Mode 4와 IEEE 802.11p의 MAC 레이어 성능을 모델링하고 비교한다.
• 주기적 CAM 및 사건 기반 DENM 트래픽 하에서 두 시스템의 폐쇄형 평형 확률를 유도한다.
• 고속도로 차량 통신 환경에서 평균 지연, 충돌 확률, 채널 이용도와 같은 핵심 성능 지표를 평가한다.
• 향후 C-V2X Mode 4 및 IEEE 802.11p MAC 레이어의 향상에 대한 설계 통찰을 제공한다.
• 인프라 없음 기반 V2X 통신에서 지연과 충돌 해소 간의 상충 관계를 정량화한다.

제안 방법

• IEEE 802.11p 및 C-V2X Mode 4 MAC 레이어 동작을 위한 다차원 DTMC 모델을 개발한다.
• CAM 및 DENM 트래픽 생성기와 DTMC 기반 큐잉 모델을 통합하여 현실적인 V2X 시나리오를 시뮬레이션한다.
• 마르코프 체인 분석을 통해 평형 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• IEEE 802.11p의 CSMA/CA는 백오프 상태 전이를 통해 모델링하고, C-V2X Mode 4의 SPS는 감지 및 자원 선택을 통해 모델링한다.
• 평형 확률을 사용하여 성능 지표를 계산하며, 이웃 전송 확률 및 CSR 경쟁을 통해 충돌 확률을 산정한다.
• 사이클 시간과 상태 전이 확률을 활용하여 평균 지연을 계산하며, 초기 및 후속 패킷 전송 시점에 대한 영향을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 V2X 트래픽 부하 하에서 IEEE 802.11p와 C-V2X Mode 4의 평균 지연는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 C-V2X Mode 4의 충돌 확률은 얼마이며, 감지 창 크기와 이웃 경쟁에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 주기적 및 사건 기반 메시지가 존재하는 고속도로 환경에서 IEEE 802.11p와 C-V2X Mode 4의 채널 이용도는 어떻게 다를까?
• RQ4 반지속적 스케줄링(SPS)은 C-V2X Mode 4의 자원 선택 및 충돌 회피에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 MAC 상태 전이의 평형 확률은 두 표준의 전반적 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• IEEE 802.11p는 저~중간 트래픽에서 CSMA/CA 메커니즘이 민감하게 반응함에 따라 C-V2X Mode 4보다 낮은 평균 지연를 기록한다.
• C-V2X Mode 4는 반지속적 스케줄링 알고리즘 덕분에 우수한 충돌 해소 능력을 보이며, 더 낮은 충돌 확률을 기록한다.
• C-V2X Mode 4의 충돌 확률는 $1 - \left[1 - \tilde{p}(1 - P_{rk})/(CSR_{\text{tot}} - CSR_{\text{exc}})\right]^{N-1}$ 으로 유도되며, 여기서 $\tilde{p}$ 는 이웃이 치명적 상태에 도달할 확률이다.
• 효율적인 자원 스케줄링 덕분에 채널 이용도는 C-V2X Mode 4에서 더 높으며, IEEE 802.11p는 은폐된 단말기 및 노출된 단말기 문제로 인해 손해를 입는다.
• IEEE 802.11p의 평균 지연는 $d_{\text{ave}}^{v2x} = \sum_{i=1}^{M} \frac{2i-1}{2P_{\text{txo}}} \pi_i / (1 - P_{\text{qe}})$ 로 모델링되며, 초기 패킷에 대한 부분 사이클 시간을 고려한다.
• C-V2X Mode 4에서 차량이 사용하는 CSR 수는 $P_1 + 2P_2 + 3P_3$ 로 근사되며, 이웃 배제로 인해 $CSR_{\text{exc}} \approx N-1$ 이다.