[논문 리뷰] Design and Performance Evaluation of Joint Sensing and Communication Integrated System for 5G MmWave Enabled CAVs

Qixun Zhang, Xinna Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 24.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 38인용 수 133

한 줄 요약

이 논문은 5G mmWave 기반 연결 자율 주행차(CAVs)를 위한 통합 감지 및 통신 시스템(JSCIS)을 제안하며, 5G 뉴 라디오 기반의 시간분할 프레임 구조를 사용해 레이더 감지와 고속도 데이터 통신 간의 시간을 동적으로 할당한다. 시스템을 연령 정보(AoI)를 고려한 M/M/1 큐잉 시스템으로 모델링하고, 자원 할당 문제를 비협력 게임으로 공식화함으로써 제안된 CTRA 알고리즘은 레이더 상호정보량을 26% 향상시키며, 28 GHz에서 ±0.25 m의 정밀도로 안정적인 2.8 Gbps 통신을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동적 차량 환경에서 저지연, 고속도 원시 감지 데이터 공유 문제를 해결하기 위해.
• 하드웨어 및 신호 처리 오버헤드를 줄이기 위해 레이더 감지 기능과 5G mmWave 통신 기능을 하나의 시스템에 통합하기 위해.
• 정보의 최신성(AoI)을 최소화하고 레이더 상호정보량을 최대화하기 위해 감지와 통신 간의 시간 자원 할당을 최적화하기 위해.
• 28 GHz에서 실시간으로 통합 시스템을 검증할 수 있는 실현 가능하고 안정적인 하드웨어 테스트베드를 설계하기 위해.

제안 방법

• 5G NR 기반의 시간분할 이중화(TDD) 프레임 구조를 설계하여, 구성 가능한 슬롯 할당(SA1 및 SA2)을 통해 서브프레임을 레이더 감지와 통신에 할당한다.
• 감지에서 통신으로의 데이터 전송 링크를 M/M/1 큐잉 시스템으로 모델링하여 연령 정보(AoI)를 분석하고 최적의 시간 할당 비율을 유도한다.
• 레이더 상호정보량을 유틸리티 함수로 사용하여 다중 CAV 간 자원 할당 문제를 비협력 게임으로 공식화한다.
• 게임 이론적 프레임워크 내에서 순전략 네시의 존재성과 실현 가능성(Feasibility)을 증명한다.
• 최적의 실현 가능한 순전략 네시를 달성하기 위해 중심화된 시간 자원 할당(CTRA) 알고리즘을 제안한다.
• 28 GHz에서 시스템 성능를 검증하기 위해 두 대의 NI 5G mmWave 플랫폼, 64-element 배열 안테나, 허브 안테나를 사용한 하드웨어 테스트베드를 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정보의 낡음 정도를 연령 정보(AoI)로 측정했을 때, 단일 CAV의 감지와 통신 간 최적의 시간 할당 비율은 얼마인가?
• RQ2 다중 CAV 간 자원 할당을 어떻게 최적화하여 감지 및 통신 성능를 균형 있게 유지할 수 있는가?
• RQ3 통합 감지 및 통신 시스템의 비협력 게임 공식화에서 순전략 네시가 존재하는가?
• RQ4 28 GHz에서 JSCIS의 실제 하드웨어 구현에서 도달 가능한 레이더 거리 측정 정밀도와 통신 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ5 제안된 CTRA 알고리즘은 레이더 상호정보량과 시스템 수렴성 측면에서 다른 자원 할당 전략과 비교해 어떻게 성능이 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• CTRA 알고리즘은 기준 전략 대비 총 레이더 상호정보량을 26% 향상시켜 뛰어난 최적화 성능을 입증한다.
• 하드웨어 테스트베드는 28 GHz mmWave 대역에서 안정적인 2.8 Gbps 전송 속도를 확보하여 고속도 통신 능력을 확인한다.
• 통합 시스템의 거리 측정 정밀도는 ±0.25 m 이내이며, 2m 거리에서 측정 오차는 단지 ±0.044 m에 불과하다.
• 10ms의 레이더 업데이트 주기를 유지하면서 3초 평균화를 통해 실시간 데이터 최신성 확보를 보장한다.
• CTRA 알고리즘은 최적의 시간 할당 전략으로 수렴하며, 최고의 실현 가능한 순전략 네시를 달성한다.
• 모의 실험과 실제 하드웨어 테스트를 통한 검증을 통해 제안된 JSCIS 프레임워크는 실현 가능하고 효과적임을 입증한다.