[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出使用离散时间马尔可夫链（DTMC）模型，对比车辆间通信中C-V2X模式4与IEEE 802.11p的MAC层性能。推导了稳态概率的闭式表达式，并评估了平均延迟、碰撞概率和信道利用率等关键指标，结果表明在平均延迟方面IEEE 802.11p优于C-V2X模式4，而C-V2X在高速公路场景下的碰撞解决能力更优。

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.

研究动机与目标

• 通过离散时间马尔可夫链对C-V2X模式4与IEEE 802.11p的MAC层性能进行建模与对比。
• 推导在周期性CAM和事件触发DENM流量下，两种系统稳态概率的闭式表达式。
• 在高速公路车辆环境中，评估平均延迟、碰撞概率和信道利用率等关键性能指标。
• 为C-V2X模式4与IEEE 802.11p MAC层的未来改进提供设计洞见。
• 量化无基础设施V2X通信中延迟与碰撞解决能力之间的权衡。

提出的方法

• 为IEEE 802.11p与C-V2X模式4的MAC层操作开发多维DTMC模型。
• 将基于DTMC的排队模型与CAM和DENM的流量生成器结合，以模拟真实的V2X场景。
• 通过马尔可夫链分析推导稳态概率的闭式表达式。
• 通过退避状态转移建模IEEE 802.11p中的CSMA/CA机制，通过感知与资源选择建模C-V2X模式4中的SPS机制。
• 利用稳态概率计算性能指标，包括通过邻近节点传输概率和CSR竞争计算的碰撞概率。
• 利用周期时间与状态转移概率计算平均延迟，考虑初始与后续分组的发送时机。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同的V2X流量负载下，IEEE 802.11p与C-V2X模式4的平均延迟如何比较？
• RQ2 C-V2X模式4中的碰撞概率是多少？其与感知窗口大小和邻近节点竞争的关系如何？
• RQ3 在具有周期性与事件触发消息的高速公路场景中，IEEE 802.11p与C-V2X模式4的信道利用率有何差异？
• RQ4 半持久调度对C-V2X模式4中资源选择与碰撞避免有何影响？
• RQ5 MAC状态转移的稳态概率如何影响两种标准的整体系统性能？

主要发现

• 由于IEEE 802.11p的CSMA/CA机制在低至中等流量下响应更迅速，因此其平均延迟低于C-V2X模式4。
• C-V2X模式4表现出更优的碰撞解决能力，其碰撞概率更低，归因于其半持久调度算法。
• C-V2X模式4中的碰撞概率推导为 $1 - \left[1 - \tilde{p}(1 - P_{rk})/(CSR_{\text{tot}} - CSR_{\text{exc}})\right]^{N-1}$，其中 $\tilde{p}$ 为邻近节点进入临界状态的概率。
• 由于高效的资源调度，C-V2X模式4的信道利用率更高，而IEEE 802.11p则受隐性终端与暴露终端问题影响。
• IEEE 802.11p的平均延迟建模为 $d_{\text{ave}}^{v2x} = \sum_{i=1}^{M} \frac{2i-1}{2P_{\text{txo}}} \pi_i / (1 - P_{\text{qe}})$，该模型考虑了初始分组的部分周期时间。
• C-V2X模式4中车辆使用的CSRs数量近似为 $P_1 + 2P_2 + 3P_3$，其中由于邻近节点排除，$CSR_{\text{exc}} \approx N-1$。