[论文解读] Content Distribution based on Joint V2I and V2V Scheduling in mmWave Vehicular Networks

Lan Su, Yong Niu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

本文提出了一种毫米波车载网络中的联合V2I与V2V调度方案，旨在最小化内容分发的时间槽并最大化系统吞吐量。通过利用RSU-based V2I传输和全双工技术实现并发V2V通信，该方案相较非协作和FCFS方案，将时间槽减少高达41.5%，吞吐量提升超过60%，尤其在大文件传输和高车辆密度场景下表现显著。

ABSTRACT

With the explosive growth of vehicle applications, vehicular networks based on millimeter wave (mmWave) bands have attracted interests from both academia and industry. mmWave communications are able to utilize the huge available bandwidth to provide multiple Gbps transmission rates among vehicles. In this paper, we address the content distribution scheduling problem in mmWave vehicular networks. It has been challenging for all vehicles in the same network to complete content downloading due to the limited communication resources of roadside units (RSUs) and the high mobility of vehicles. We propose a joint vehicle-to-infrastructure (V2I) and vehicle-tovehicle (V2V) scheduling scheme to minimize the total number of content distribution time slots from a global optimization perspective. In the V2I phase, the RSU serially transmits integrity content to vehicles, which are selected according to the vehicular network topology and transmission scheduling scheme. In the V2V phase, full-duplex communications and concurrent transmissions are exploited to achieve content sharing between vehicles and improve transmission efficiency. Performance evaluations demonstrate that our proposed scheme reduces the number of time slots and significantly improves system throughput when compared with other schemes, especially under large-size file transfers and a large number of vehicles.

研究动机与目标

• 解决毫米波车载网络中RSU过载以及车辆移动性导致的连接不稳定问题。
• 克服独立V2I（覆盖范围有限、负载高）和V2V（不可靠、延迟高）通信在大文件传输中的局限性。
• 通过全局优化V2I与V2V调度，最小化内容分发的总时间槽数。
• 通过利用全双工V2V通信和并发传输，提升系统吞吐量和能量效率。
• 确保在高移动性和大文件尺寸下所有车辆均能完成内容下载。

提出的方法

• RSU根据网络拓扑和车辆距离选择目标车辆进行V2I传输，以优化后续的V2V转发效率。
• V2I阶段由RSU将完整内容串行传输给选定车辆，这些车辆具有较高的传播潜力。
• V2V阶段支持全双工通信，使车辆能够同时发送和接收数据，提升频谱效率。
• 对车辆间的并发传输进行调度，以最大化空间复用并减少端到端延迟。
• 采用联合调度算法，优化V2I与V2V阶段的时间槽分配，以最小化总分发时间。
• 在全双工V2V链路中应用信号干扰消除（SIC）技术，以抑制自干扰并提高可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过联合V2I与V2V调度减少毫米波车载网络中内容分发所需的时间槽数？
• RQ2 全双工V2V通信和并发传输对系统吞吐量和延迟有何影响？
• RQ3 与非协作和基于FCFS的V2V协作方案相比，所提方案在时间效率和可靠性方面有何优势？
• RQ4 在不同信道条件下，自干扰消除在全双工V2V链路中的性能提升程度如何？
• RQ5 在车辆密度增加和文件尺寸变大的情况下，该方案的可扩展性如何？

主要发现

• 在传输3 GB文件时，与随机协作方案相比，所提方案将时间槽数减少了41.5%；与FCFS方案相比，减少了40.6%。
• 在3 GB内容大小下，与非协作方案相比，系统吞吐量提升了60.9%；与FCFS方案相比，提升了59.2%。
• 在大文件传输和高车辆密度场景下，性能增益最为显著，展现出良好的可扩展性。
• 由于RSU传输次数增加，能耗高于随机协作方案，但该代价被效率和可靠性的提升所抵消。
• 当自干扰消除参数β达到10⁻¹³时，系统吞吐量趋于稳定，表明在此之后增益逐渐减小。
• 非协作方案因RSU容量限制无法向所有车辆交付内容，而所提方案可确保完整交付。