[논문 리뷰] Impact of Weather Conditions on 5G Communication Channel under Connected Vehicles Framework

Esmail Abuhdima, Ahmed El Qaouaq외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 연결 차량 환경에서 5G 밀리미터파(28 GHz) 및 DSRC(5.9 GHz) 통신 링크에 먼지 및 모래 폭풍이 미치는 영향을 조사한다. Mie 산란 모델을 사용하여 입자 크기, 농도 및 주파수 변화에 따른 경로 손실을 정량화하고, 높은 먼지 농도에서 28 GHz에서의 감쇠 증가를 보여주는 새로운 링크 마진 모델을 제안한다. 이는 악천후 조건에서 5G V2X 시스템의 신뢰성에 심각한 도전 과제를 제기한다.

ABSTRACT

Recent research focused on improving the vehicle-to-vehicle communication (V2V) based on the 5G technology. The V2V application is important because it will reduce the risk of accidents up to 70%-80%, improve traffic management, reduce congestion, and improve fuel consumption. Autonomous vehicles applications require a high bandwidth transmission channel where the 5G communication channel would be a reliable solution to support this disruptive technology. The dedicated short-range communications (DSRC), which is characterized with a frequency bandwidth of 5.9 gigahertz (GHz) (4G spectrum), was used as vehicular connectivity with a bandwidth of up to 200 megabytes per second (mb/s) and limited capacity. The 5G band can support connected multiple autonomous vehicles with high data rates and large bandwidth. In this study, the 5G communication channel is considered as vehicular connectivity with high bandwidth in the millimeter waves spectrum range. The quality of 5G wireless communication channels between connected vehicles possibly be affected by weather conditions such as rain, snow, fog, dust, and sand. In this paper, we estimate the effect of dust and sand on the propagation of millimeter waves. The Mie model is used to investigate the effect of dust and sand storms on the propagating mm-waves. The effect of dust and sand on the communication path loss of DSRC and 5G frequency band is investigated in the case of urban freeway and rural highway settings. Results show that the attenuation of dust and sand is changed when the particle size of sand, frequency of propagating wave, and concentration of dust are changed. Finally, the new model of link margin is created to estimate the effect of dust and sand on DSCR (5.9 GHz) and 5G (28 GHz) communication path loss.

연구 동기 및 목표

• 연결 차량 시나리오에서 먼지 및 모래 폭풍이 5G 밀리미터파(28 GHz) 및 DSRC(5.9 GHz) 통신 채널에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 입자 크기, 농도 및 주파수의 영향을 도시 고속도로 및 농촌 고속도로 환경에서의 신호 경로 손실에 평가하기 위해.
• V2X 통신 신뢰성에 대기 중 입자에 의해 미치는 영향을 정량화하는 새로운 링크 마진 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 다양한 크기와 농도의 먼지 및 모래 입자와 밀리미터파의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 Mie 산란 모델이 적용된다.
• 다양한 기상 조건 하에서 5.9 GHz(DFRC) 및 28 GHz(5G) 대역의 경로 손실이 계산된다.
• 실제 도시 고속도로 및 농촌 고속도로 환경을 반영하기 위해 두 가지 실제 설정에서 시뮬레이션이 수행된다.
• 링크 신뢰성 평가를 위해 경로 손실 데이터를 시스템 전력 예산 파rameter와 통합하여 링크 마진 모델이 유도된다.
• 입자 크기, 농도 및 주파수의 영향을 분석하여 신호 감쇠에 미치는 상대적 영향을 파악하기 위해 민감도 분석이 수행된다.
• 동일한 기상 조건에서 DSRC 및 5G 대역 간 비교 분 析를 통해 결과가 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지 및 모래 입자의 크기는 5G mmWave(28 GHz) 및 DSRC(5.9 GHz) 대역에서 경로 손실에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 입자 농도는 도시 및 농촌 차량 통신 환경에서 신호 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전파 주파수가 대기 중 입자로 인한 신호 퇴화 심각도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 먼지 및 모래 폭풍 조건에서 5G 대역(28 GHz)은 DSRC(5.9 GHz)에 비해 얼마나 더 높은 경로 손실을 경험하는가?
• RQ5 새로운 링크 마진 모델은 악천후 조건에서 V2X 통신의 신뢰성을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 높은 먼지 및 모래 농도 조건에서 28 GHz에서의 경로 손실이 5.9 GHz보다 크게 증가하며, 극한 조건에서 감쇠가 최대 20 dB까지 증가한다.
• 작은 입자 크기는 Mie 영역에서 공명 효과로 인해 28 GHz에서 더 높은 산란 손실을 유도한다.
• 높은 입자 농도는 특히 5G 대역에서 경로 손실을 지수적으로 증가시켜 링크 신뢰성을 떨어뜨린다.
• 링크 마진 모델은 기상으로 인한 감쇠로 인한 안전 마진 감소를 성공적으로 정량화하였으며, 5G V2X 시스템의 심각한 신뢰성 리스크를 보여준다.
• 도시 고속도로에서는 인프라로 인한 입자 밀도 증가 및 다중 경로 효과로 인해 농촌 고속도로보다 더 높은 경로 손실을 경험한다.
• 이 연구는 5G mmWave V2X 시스템이 먼지 및 모래 폭풍에 매우 취약함을 확인하였으며, 이는 적응형 전력 및 비트맵 관리 전략이 필요하다는 것을 시사한다.