[논문 리뷰] Methodologies of Link-Level Simulator and System-Level Simulator for C-V2X Communication

Donglin Wang, Raja Sattiraju외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 09.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 링크 레벨(LL) 시뮬레이터를 통해 물리 계층 성능를 평가하고 시스템 레벨(SL) 시뮬레이터를 통해 네트워크 규모 성능를 평가하는 이중 시뮬레이터 프레임워크를 제시한다. LL 시뮬레이터는 신호 대 잡음비(SNR)-블록 오류율(BLER) 매핑 곡선을 생성하며, 이는 링크에서 시스템(L2S)으로의 인터페이스 역할을 하여 SL 시뮬레이터를 구동시켜, 차량 간 거리(IVD), 차량 이동 속도, 전송 주파수의 변화에 따라 사이드링크 C-V2X의 성능을 평가한다. 주요 성능 지표로는 패킷 수신 비율(PRR)을 사용한다. 결과적으로, IVD가 클수록 차량 속도가 낮을수록 시스템 성능이 향상되며, 높은 전송 주파수는 부하 증가로 인해 PRR를 감소시킨다.

ABSTRACT

At the time of the development, standardization, and further improvement are vital to the modern cellular systems such as the next generation wireless communication (5G). Simulations are essential to test and optimize algorithms and procedures prior to their implementation process of the equipment manufactures. In order to evaluate system performance at different levels, accurate simulations of simple setups, as well as simulations of more complex systems via abstracted models are necessary. In this work, two new simulators for the sidelink Cooperative-Vehicle-to-Everything (C-V2X) communication have been implemented and carried out on both the physical layer (Link-Level (LL)) and network layer (System-Level (SL)). Detailed methodologies of the LL and SL simulators for C-V2X communication have been illustrated. In the LL simulator, we get the mapping curves of BLER and Signal-to-Noise-Ratio (SNR), which are used as a baseline for measuring the performance of the LL simulation. In addition, these mapping curves are used as the important Link-to-System (L2S) interfaces. The SL simulator is utilized for measuring the performance of cell networking and simulating large networks comprising of multiple eNBs and UEs. Finally, the simulation results of both simulators for CV2X communication are presented, which shows that different objectives can be met by using LL or SL simulations types.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크 개발 및 최적화를 지원하기 위해 표준화되고 모듈화된 C-V2X 통신 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 현장 테스트의 한계를 극복하기 위해 물리 계층 및 네트워크 수준 성능를 비용 효율적이고 확장 가능한 방식으로 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.
• 일관된 성능 평가를 위해 SNR-BLER 매핑을 활용한 재사용 가능한 링크에서 시스템(L2S) 인터페이스를 구축하기 위해.
• 차량 간 거리(IVD), 이동 속도, 전송 주파수와 같은 핵심 시스템 파라미터가 C-V2X 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• LL 시뮬레이터는 확장된 차량용 A(EVA) 채널 모델을 사용하여 차량 환경에서의 Rayleigh fading과 도플러 효과를 고려한 단일 링크 통신을 모델링한다.
• 시스템 수준 평가의 핵심 L2S 인터페이스가 되는 신호 대 잡음비(SNR)와 블록 오류율(BLER) 간의 매핑 테이블을 생성한다.
• SL 시뮬레이터는 LL에서 유도된 SNR-BLER 매핑을 활용하여, 다수의 eNB와 UEs를 포함한 네트워크 환경에서 다수의 UEs 간 패킷 수신 비율(PRR)을 계산한다.
• SL 시뮬레이터에 확률적 알고리즘이 구현되어 있으며, 각 수신기의 경우 BLER 값과 무작위 값을 비교하여 수신 성공 여부를 결정함으로써 통계적 PRR 추정이 가능하다.
• SL 시뮬레이터에서는 다양한 IVD, 이동 속도(최대 500 km/h), 전송 주파수(10 Hz 및 20 Hz) 조건에서 성능을 평가하며, PRR를 주요 성능 지표로 사용한다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 3GPP 릴리스-14 사이드링크(PC5) 모드 3를 사용한 고속도로 환경에서 네트워크 지원 DC-V2X를 기반으로 검증되었으며, 자원 할당은 기지국에서 관리된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 이동 조건에서 사이드링크 C-V2X 통신에서 차량 간 거리(IVD)가 패킷 수신 비율(PRR)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 C-V2X 네트워크 환경에서 도플러 효과로 인한 이동 속도가 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 C-V2X 사이드링크 통신 환경에서 전송 주파수가 시스템 부하와 PRR에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 LL 시뮬레이터의 SNR-BLER 매핑이 SL 시뮬레이터에서 효과적으로 재사용되어 시스템 수준 성능 평가의 일관성과 정확성을 확보할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 고속도, 다수의 UEs가 포함된 C-V2X 환경에서 시스템 부하(UE 수)와 성능(PRR) 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• IVD가 클수록 PRR가 크게 향상되며, 모든 UEs가 100 km/h로 이동할 경우 10 m에서 96.49%까지 증가하여 31.56%에서 96.49%로 상승한다.
• 고정된 IVD 100 m 조건에서 100 km/h일 경우 PRR는 94.50%에서 500 km/h일 경우 78.72%로 감소하며, 이는 도플러 스프레드 증가와 채널 변동성 증가로 인한 것이다.
• 전송 주파수를 20 Hz에서 10 Hz로 감소시키면 PRR가 향상되며, 10 m IVD일 경우 PRR는 15.67%에서 31.56%로 증가한다. 이는 주파수 감소로 인한 시스템 부하 감소 때문이다.
• SL 시뮬레이터는 LL 시뮬레이터의 SNR-BLER 매핑을 효과적으로 활용하여 다양한 이동성 및 배치 환경에서 정확하고 확장 가능한 시스템 수준 성능 평가를 가능하게 하였다.
• 고밀도의 차량과 고속 이동 환경에서는 시스템 성능이 저하되며, 이는 신뢰할 수 있는 C-V2X 통신을 위해 부하 제어 및 이동성 인식 자원 할당 전략이 필수적임을 시사한다.