[논문 리뷰] Feasibility of 5G mm-wave communication for connected autonomous vehicles

Sakib Mahmud Khan, Mashrur Chowdhury외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 13.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 ns-3 네트워크 시뮬레이션을 사용하여 5G mm-wave 통신이 연결형 자율 주행 차량(CAVs)에 적합한지 평가한다. 결과적으로 5G mm-wave는 안전 응용 분야에서 종단 간 지연가 200 ms 이하로 지원하며, 평균 패킷 지연이 13 ms인 실시간 HD 영상 스트리밍을 가능하게 하여 혼잡한 도심 환경에서 DSRC보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 도심 환경에서 5G mm-wave가 연결형 자율 주행 차량(CAVs)에 적합한지 평가하기.
• 지연, 패킷 손실, 데이터 전송 속도 측면에서 5G mm-wave와 전용 단거리 통신(DSRC)을 비교하기.
• 앞쪽 충돌 경고와 실시간 영상 스트리밍과 같은 핵심 CAV 응용 분야의 성능 평가하기.
• 혼잡한 지역에서 CAVs를 위한 5G mm-wave 도입을 평가할 수 있는 시뮬레이션 프레임워크 개발하기.

제안 방법

• 혼잡한 도심 지역에서 CAV 통신 시나리오를 모델링하기 위해 ns-3를 사용한 네트워크 시뮬레이션.
• 정의된 MAC 및 물리 계층 파rameter를 갖춘 5G mm-wave 및 DSRC 프로토콜의 구현.
• 안전 응용(예: 앞쪽 충돌 경고)과 이동성 응용(예: HD 영상 스트리밍)의 시뮬레이션.
• 송신기 및 수신기 양측에서 종단 간 지연, 패킷 손실률, 데이터 전송 속도 측정.
• 도심 환경에서 mm-wave 전파를 위한 현실적인 차량 이동 모델 및 채널 모델 사용.
• 다양한 차량 밀도와 네트워크 부하 조건에서의 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G mm-wave는 앞쪽 충돌 경고와 같은 안전 핵심 응용 분야에서 200 ms 이내의 지연 요구 조건을 충족할 수 있는가?
• RQ2 혼잡한 도심 환경에서 5G mm-wave는 지연과 패킷 손실 측면에서 DSRC보다 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 5G mm-wave는 차량 내 인포테인먼트 시스템을 위한 실시간 고해상도 영상 스트리밍을 지원할 수 있는가?
• RQ4 고속 이동 환경에서 mm-wave 통신을 통한 CAV 송신기 및 수신기에서 확보 가능한 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ5 5G mm-wave는 도심이나 상업 지역과 같은 혼잡한 지역에서 다수의 CAV를 동시에 지원하기에 얼마나 확장 가능한가?

주요 결과

• 5G mm-wave는 앞쪽 충돌 경고에 대해 종단 간 지연가 200 ms 이내로 확보되어 안전 응용 분야의 최소 요구 조건을 충족시켰다.
• HD 영상 스트리밍의 평균 패킷 지연은 13 밀리초였으며, 이는 실시간 차량 내 인포테인먼트를 가능하게 했다.
• 혼잡한 도심 환경에서 5G mm-wave는 DSRC에 비해 유의미하게 낮은 지연과 높은 데이터 전송 속도를 보였다.
• 고대역폭 응용 분야에 적합한 고수신 데이터 전송 속도를 유지하면서도 다수의 CAV를 동시에 지원할 수 있었다.
• 개발된 시뮬레이션 프레임워크를 통해 공공 기관은 혼잡한 도심 지역에서 CAVs를 위한 5G mm-wave 도입을 평가할 수 있다.