[論文レビュー] A Discrete-Time Markov Chain Based Comparison of the MAC Layer Performance of C-V2X Mode 4 and IEEE 802.11p

Geeth P. Wijesiri, Jussi Haapola+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)参考文献 26被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、車両間通信におけるC-V2Xモード4とIEEE 802.11pのMAC層性能を比較するため、離散時間マルコフ連鎖（DTMC）モデルを提案する。平均遅延、衝突確率、チャネル利用効率といった主要な指標を評価し、閉形式の定常状態確率を導出する。その結果、平均遅延においてはIEEE 802.11pがC-V2Xモード4を上回るが、高速道路シナリオではC-V2Xが衝突解決において優れた性能を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

Vehicle-to-vehicle (V2V) communication plays a pivotal role in intelligent transport systems (ITS) with cellular-vehicle to everything (C-V2X) and IEEE 802.11p being the two competing enabling technologies. This paper presents multi-dimensional discrete-time Markov chain (DTMC) based models to study the medium access control (MAC) layer performance of the IEEE 802.11p standard and C-V2X Mode 4. These models are coupled with an appropriate DTMC based queuing model, and traffic generators for periodic cooperative awareness messages (CAMs) and event-driven decentralized environmental notification messages (DENMs). Closed-form solutions for the steady-state probabilities of the models are obtained, which are then utilized to derive expressions for several key performance metrics. An application for a highway scenario is presented to provide numerical results and to draw insights on the performance. In particular, a performance comparison between IEEE 802.11p and C-V2X Mode 4 in terms of the average delay, the collision probability, and the channel utilization is presented. The results show that IEEE 802.11p is superior in terms of average delay, whereas C-V2X Mode 4 excels in collision resolution. The paper also includes design insights on possible future MAC layer performance enhancements of both standards.

研究の動機と目的

• C-V2Xモード4とIEEE 802.11pのMAC層性能を、離散時間マルコフ連鎖を用いてモデル化・比較すること。
• 周期的CAMおよびイベント駆動型DENMトラフィック下での両システムの閉形式定常状態確率を導出すること。
• 高速道路環境下での平均遅延、衝突確率、チャネル利用効率といった主要な性能指標を評価すること。
• 今後のC-V2Xモード4およびIEEE 802.11p MAC層の向上に向けた設計インサイトを提供すること。
• インfraストラクチャなしV2X通信における遅延と衝突解決のトレードオフを定量化すること。

提案手法

• IEEE 802.11pおよびC-V2Xモード4のMAC層動作を対象とした多次元DTMCモデルを構築する。
• CAMおよびDENMのトラフィックジェネレータとDTMCベースのキューイングモデルを統合し、現実的なV2Xシナリオをシミュレートする。
• マルコフ連鎖解析を用いて定常状態確率の閉形式表現を導出する。
• IEEE 802.11pではバックオフ状態遷移によりCSMA/CAをモデル化し、C-V2Xモード4ではスキャニングとリソース選択によりSPSをモデル化する。
• 定常状態確率を用いて性能指標を計算し、隣接ノードの送信確率およびCSR競合を介して衝突確率を算出する。
• サイクル時間および状態遷移確率を用いて平均遅延を算出し、初期および後続のパケット送信タイミングを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のV2Xトラフィック負荷下で、IEEE 802.11pとC-V2Xモード4の平均遅延はどのように比較されるか？
• RQ2 C-V2Xモード4における衝突確率は何か？また、スキャニングウィンドウサイズおよび隣接ノードの競合にどのように依存するか？
• RQ3 周期的およびイベント駆動型メッセージを伴う高速道路シナリオにおいて、IEEE 802.11pとC-V2Xモード4のチャネル利用効率はどのように異なるか？
• RQ4 Semi-persistent scheduling（Semi-パーサイテントスケジューリング）は、C-V2Xモード4におけるリソース選択および衝突回避にどのような影響を与えるか？
• RQ5 両標準におけるMAC状態遷移の定常状態確率は、全体のシステム性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• IEEE 802.11pは、低〜中程度のトラフィック下でCSMA/CAメカニズムの応答性が高いため、C-V2Xモード4よりも低い平均遅延を達成する。
• C-V2Xモード4は、半恒常的スケジューリングアルゴリズムのおかげで、より優れた衝突解決能力を示し、衝突確率が低い。
• C-V2Xモード4における衝突確率は、$1 - \left[1 - \tilde{p}(1 - P_{rk})/(CSR_{\text{tot}} - CSR_{\text{exc}})\right]^{N-1}$ として導出される。ここで $\tilde{p}$ は隣接ノードが臨界状態に達する確率を表す。
• C-V2Xモード4では、効率的なリソーススケジューリングのおかげでチャネル利用効率が高く、IEEE 802.11pは隠れ端末および露出端末問題に苦しむ。
• IEEE 802.11pにおける平均遅延は、$d_{\text{ave}}^{v2x} = \sum_{i=1}^{M} \frac{2i-1}{2P_{\text{txo}}} \pi_i / (1 - P_{\text{qe}})$ としてモデル化される。これは初期パケットの部分サイクル時間を考慮したものである。
• C-V2Xモード4における車両が使用するCSRの数は、$P_1 + 2P_2 + 3P_3$ で近似可能であり、$CSR_{\text{exc}} \approx N-1$ と近似できる。