[论文解读] Feasibility of 5G mm-wave communication for connected autonomous vehicles

Sakib Mahmud Khan, Mashrur Chowdhury+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)被引用 5

一句话总结

本研究使用ns-3网络仿真评估了5G毫米波通信在联网自动驾驶汽车（CAVs）中的可行性。结果表明，5G毫米波在密集城市环境中可支持CAV安全应用，端到端延迟低于200毫秒，并能实现平均包延迟为13毫秒的实时高清视频流传输，性能优于DSRC。

ABSTRACT

The internet-of-things (IoT) environment holds different intelligent components networked together and will enable seamless data communication between the connected components. Connected autonomous vehicles or CAVs are major components of the IoT, and the smooth, reliable, and safe operation of CAVs demands a reliable wireless communication system, which can ensure high connectivity, high throughput and low communication latency. The 5G millimeter-wave or mm-wave communication network offers such benefits, which can be the enabler of CAVs, especially for dense congested areas. In this research, we have evaluated the 5G mm-wave and Dedicated Short Range Communication (DSRC) for different CAV applications in a Network Simulator-3 (ns-3). For the CAV applications, we have evaluated the end-to-end latency, packet loss, and data rate (for both the CAV receiver and transmitter) of the 5G mm-wave. We have found that 5G mm-wave can support CAV safety applications by ensuring lower latency compared to the required minimum latency of 200 milliseconds for the forward collision warning application. For mobility applications, we have found that 5G mm-wave can support multiple CAVs with a high data receive rate, which is enough for real-time high definition video streaming for in-vehicle infotainment, with mean packet delay of 13 milliseconds. The findings from this study establish that 5G mm-wave can be the enabler of future CAVs in congested areas. Using the evaluation framework developed in this paper, public agencies can evaluate 5G mm-wave to support CAVs in congested areas, such as heavy pedestrian areas like downtown, commercial zones, under their jurisdiction.

研究动机与目标

• 评估5G毫米波在高密度城市环境中用于联网自动驾驶汽车（CAVs）的可行性。
• 从延迟、分组丢失率和数据速率方面，对比5G毫米波与专用短程通信（DSRC）的性能。
• 评估关键CAV应用（如前向碰撞预警和实时视频流传输）的性能表现。
• 为公共机构开发一个仿真框架，用于评估5G毫米波在拥堵区域部署CAVs的可行性。

提出的方法

• 使用ns-3进行网络仿真，以模拟密集城市区域中的CAV通信场景。
• 实现5G毫米波和DSRC协议，并定义其MAC层和PHY层参数。
• 仿真安全应用（如前向碰撞预警）和移动性应用（如高清视频流传输）。
• 在发送端和接收端测量端到端延迟、分组丢失率和数据速率。
• 采用真实的车辆移动模型和城市环境中毫米波传播的信道模型。
• 在不同车辆密度和网络负载条件下评估性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 5G毫米波能否满足前向碰撞预警等安全关键型CAV应用的200毫秒延迟要求？
• RQ2 在密集城市场景中，5G毫米波与DSRC相比，在端到端延迟和分组丢失率方面表现如何？
• RQ3 5G毫米波能否支持用于车载信息娱乐系统的实时高清视频流传输？
• RQ4 在高移动性环境下，CAV发射机和接收机通过毫米波通信可实现的可用数据速率是多少？
• RQ5 5G毫米波在支持市中心或商业区等拥堵区域中多辆CAV同时通信时的可扩展性如何？

主要发现

• 5G毫米波在前向碰撞预警应用中实现了低于200毫秒的端到端延迟，满足安全应用的最低要求。
• 高清视频流传输的平均包延迟为13毫秒，支持实时车载信息娱乐功能。
• 在密集城市场景中，5G毫米波相比DSRC表现出显著更低的延迟和更高的数据速率。
• 系统能够同时支持多辆CAV，接收数据速率高，适用于高带宽应用。
• 所开发的仿真框架使公共机构能够评估5G毫米波在拥堵城市区域部署CAVs的可行性。