[논문 리뷰] Joint Communication and Control for Wireless Autonomous Vehicular Platoon Systems

Tengchan Zeng, Omid Semiari외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 15.

Traffic control and management참고 문헌 46인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 무선 연결된 자율 주행 차량 편대를 위한 통합 커뮤니케이션 및 제어 프레임워크를 제안하며, 스토하스틱 기하학과 큐잉 이론을 통합하여 엔드 투 엔드 V2V 지연을 모델링하고 신뢰성 한계를 도출한다. 지연 제약 조건 하에서 제어 파ameters를 최적화하여 현실적인 무선 채널 조건에서도 편대 안정성을 확보한다.

ABSTRACT

Autonomous vehicular platoons will play an important role in improving on-road safety in tomorrow's smart cities. Vehicles in an autonomous platoon can exploit vehicle-to-vehicle (V2V) communications to collect information, such as velocity and acceleration, from surrounding vehicles so as to maintain the target velocity and inter-vehicle distance. However, due to the dynamic on-vehicle data processing rate and the uncertainty of the wireless channel, V2V communications within a platoon will experience a delay. Such delay can impair the vehicles' ability to stabilize the operation of the platoon. In this paper, a novel framework is proposed to optimize a platoon's operation while jointly consider the delay of the wireless network and the stability of the vehicle's control system. First, stability analysis for the control system is performed and the maximum wireless system delay requirements which can prevent the instability of the control system are derived. Then, delay analysis is conducted to determine the end-to-end delay, including queuing, processing, and transmission delay for the V2V link in the wireless network. Subsequently, using the derived delay, a lower bound and an approximated expression of the reliability for the wireless system, defined as the probability that the wireless system meets the control system's delay needs, are derived. Then, the control parameters are optimized to maximize the derived wireless system reliability. Simulation results corroborate the analytical derivations and study the impact of parameters, such as the platoon size, on the reliability performance of the vehicular platoon. More importantly, the simulation results disclose the benefits of integrating control system and wireless network design while providing guidelines for designing autonomous platoons so as to realize the required wireless network reliability and control system stability.

연구 동기 및 목표

• 기존 연구에서 커뮤니케이션 및 제어 시스템을 별개로 다루어 실제 자율 주행 편대에서 최적 성능을 내지 못하는 격차를 해소한다.
• 리아파노프 기반 안정성 기준을 사용하여 편대 제어 안정성을 유지하는 데 가능한 최대 무선 시스템 지연을 분석한다.
• 스토하스틱 기하학과 큐잉 이론을 사용하여 엔드 투 엔드 V2V 커뮤니케이션 지연(큐잉, 처리, 전송)을 모델링한다.
• 지연 요구 사항을 충족할 확률로서 무선 신뢰성의 하한 및 근사 표현을 유도한다.
• 유도된 신뢰성 지표를 최대화하도록 제어 시스템 파ameters를 최적화하여 채널 불확실성에 대한 강건성을 확보한다.

제안 방법

• 리아파노프 안정성 이론을 사용하여 CACC 제어 시스템의 안정성 분석을 수행하여 안정한 편대 운행을 위한 허용 가능한 최대 지연을 유도한다.
• V2V 무선 네트워크를 포아송 점 프로세스로 모델링하고 스토하스틱 기하학을 적용하여 간섭과 신호 대 간섭+노이즈 비율(SINR)을 분석한다.
• 큐잉 이론을 사용하여 V2V 링크의 엔드 투 엔드 지연 구성요소인 전송, 처리, 큐잉 지연을 특성화한다.
• 감마 근사 및 라플라스 변환 기법을 사용하여 나카가미 fading 채널의 SINR에 대한 보완 누적 분포 함수(CCDF)를 유도한다.
• 마르코프 부등식과 체르노프 경계를 적용하여 신뢰성의 하한을 유도하고, 더 날카로운 경계를 최적화에 사용한다.
• 지연 제약 조건 하에서 제어 시스템 파ameters를 조정하여 신뢰성을 최대화하는 최적화 문제를 수립하고 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자율 주행 편대에서 제어 시스템의 안정성을 잃지 않도록 허용할 수 있는 최대 무선 시스템 지연은 얼마인가?
• RQ2 간섭과 랜덤 액세스가 존재하는 현실적인 차량 환경에서 엔드 투 엔드 V2V 커뮤니케이션 지연은 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 V2V 네트워크가 제어 시스템의 지연 요구 사항을 충족할 확률은 얼마이며, 이를 신뢰성 있게 경계할 수 있는가?
• RQ4 패킷 크기와 편대 규모는 통합 커뮤니케이션-제어 시스템의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다이나믹 채널 조건 하에서 편대 안정성을 유지하면서 무선 신뢰성을 최대화하는 제어 시스템 파ameters는 무엇인가?

주요 결과

• 제어 시스템 안정성 기준에 기반하여 안정한 편대 운행을 위한 최대 허용 무선 지연이 분석적으로 유도되었으며, 네트워크 설계에 대한 딱딱한 상한선을 제공한다.
• V2V 링크의 엔드 투 엔드 지연은 전송, 처리, 큐잉 지연의 조합으로 모델링되었으며, 스토하스틱 기하학과 큐잉 이론을 사용하여 닫힌 형태의 표현식이 도출되었다.
• 신뢰성에 대한 두 개의 하한이 도출되었으며, 하나는 마르코프 부등식을, 다른 하나는 체르노프 경계를 사용하여 지연 제약 조건을 충족할 확률에 대한 강건한 추정치를 제공한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석적 유도 결과를 확인하였으며, 편대 규모 증가와 패킷 크기 증가에 따라 신뢰도가 떨어지는 경향을 보여주어 공동 최적화의 필요성을 강조한다.
• 제어 파ameters 최적화가 신뢰도를 크게 향상시키며, 최소 지연 예산(min(τ₁, τ₂))을 최대화하는 것이 높은 신뢰도를 달성하는 데 핵심적임을 시사한다.
• 이 프레임워크는 제어 및 커뮤니케이션 설계를 통합함으로써 더 안정적이고 신뢰할 수 있는 편대 운행을 가능하게 하며, 5G 기반 자율 차량 시스템에 실용적인 설계 지침을 제공한다.