[论文解读] Latency and Resource Utilization Analysis for V2X Communication over LTE MBSFN Transmission

Illia Safiulin, Štefan Schwarz+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 7被引用 13

一句话总结

本文分析了基于LTE MBSFN的V2X通信中的时延和资源利用率，对比了用于车辆安全应用的多播（MBMS/MBSFN）与单播传输。结果表明，通过速率自适应和带宽扩展，多播传输可将平均时延降低19%，并将普通用户吞吐量提高15%；在20MHz带宽下，由于子帧高效复用，单播吞吐量提升至7倍。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the performance of LTE Multicast-Broadcast Single-Frequency Networks (MBSFN). LTE-MBSFN is viewed as one of the most promising candidates for vehicular communications which can enhance reliability of vehicular application traffic. This is achieved due to the possibility to efficiently support message exchange in-between vehicles by multicasting information to several vehicles in parallel (point-to-multipoint transmission) employing an Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). We investigate two metrics to gauge the performance of MBMS/MBSFN transmissions in comparison with standard unicast transmissions for vehicular communications: latency of packet delivery and overhead caused by vehicular traffic, i.e., network utilization. Additionally, we present technique of prediction of system behaviour and explore the influence of transmission bandwidth and transmission rate on mentioned metrics.

研究动机与目标

• 评估LTE MBSFN在时延和网络资源利用率方面的车辆通信性能。
• 对比用于车辆到车辆（V2V）和车辆到基础设施（V2I）安全应用的多播（MBMS/MBSFN）与单播传输。
• 研究传输带宽和速率自适应对系统性能指标的影响。
• 基于CQI、带宽和用户分布，建立系统行为的预测模型。

提出的方法

• 使用OFDM和SISO模型下行链路传输，采用频率平坦子载波，推导多播和单播模式下的SINR表达式。
• 将时延定义为从分组生成到成功接收的时间，使用CDF比较不同传输方案的交付时延。
• 采用基于CQI的速率自适应技术，设置下限（CQI=3），以提高公平性并减少资源使用。
• 通过仿真比较5MHz和20MHz带宽下的性能，测量平均时延、吞吐量和网络利用率。
• 提出一种基于网络利用率和带宽扩展的预测框架，用于估算单播用户吞吐量。
• 采用交通模型，车辆每T ms生成一次CAM，模拟实时安全消息传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 在V2X应用中，MBSFN多播传输与单播相比，分组交付时延如何？
• RQ2 在基于MBSFN的V2X网络中，传输带宽（5MHz与20MHz）对时延和资源利用率的影响是什么？
• RQ3 采用CQI下限的速率自适应对多播和普通单播用户的时延与吞吐量有何影响？
• RQ4 在多大程度上可基于带宽和CQI自适应预测网络利用率？
• RQ5 在MBSFN系统中，多播效率与单播用户吞吐量之间存在何种权衡？

主要发现

• 与单播相比，多播传输将平均时延降低19%；在5MHz带宽下，采用基于CQI的速率自适应时，平均时延从14.7 TTI降至11.9 TTI。
• 在20MHz带宽下，平均时延进一步降低至8 TTI，相比5MHz带宽下使用CQI3的多播传输，性能提升46%。
• 通过速率自适应，多播传输的资源利用率从52%降至43%，释放出的子帧可用于单播通信。
• 普通单播用户的吞吐量从0.72 Mbit/s（5MHz，CQI3）提升至0.83 Mbit/s（5MHz，自适应CQI），提升15%。
• 在20MHz带宽下，单播用户吞吐量增至5.1 Mbit/s，相比5MHz带宽提升7.08倍，主要得益于子帧高效复用和较低的MBMS开销。
• 理论与仿真结果的吞吐量扩展关系高度一致，验证了在不同带宽和用户负载下对系统行为的预测模型。