[精簡論文筆記]Kinematic Information Aided User-Centric 5G Vehicular Networks

5G網絡具備：1.高數據速率；2.大用戶密度；3.超高可靠性；4.低延遲等特點，其中低延遲是在自動駕駛領域尤其關注的一點。本文提出一種超密集5G車載網絡的架構，它採用用戶中心式接入，並通過運動信息進行輔助接入。具體來講，使用LAACS（分佈式本地接入和應用中心）來將應用程序的執行和集中式接入控制共同執行。在這個過程中，在網絡資源的動態管理中利用來自應用層的車輛運動信息，以便持續的保持車輛和爲其服務的LAAC之間的高性能無線通信。

關於CSM（週期性協作感知消息）的UL（上行鏈路傳輸），本文整理了影響上述架構的關鍵元素有哪些，比如說：AP（接入節點）的關聯、無線資源分配、移動性支持等。在實際網絡部署中的約束和問題也有提及。

本文還提出了一種實用的接入策略的基準集合，它解決了CSM的可靠性和延遲要求，並在高速路和交叉路進行了仿真。

Ⅰ.介紹

車輛可通過通信共享彼此的感知信息，從而對駕駛環境進行感知，但在實現過程中存在諸多挑戰，如：更短的發信週期、更多的描述信息、高可靠、低延遲等。這方面與5G的URLLC技術的目標一致，因此可以在其基礎上繼續研究。MEC和UDN作爲5G的主要構成，對其架構有很大影響，其中MEC將雲端和核心網的功能拉到了更接近接入網的位置，而UDN讓AP變得更加密集。這帶來了兩個問題：1.接入點切換會更加頻繁；2，小區間干擾會更加嚴重。文獻[2]提出的新架構UUDN將AP協同起來提供服務，一個UE對應一組AP，AP組將根據用戶的位置變動進行成員更新，即實現了以用戶爲中心。這其中有許多細節有待考量，如：1.如何更新AP組；2.如何管理資源；3.AP多了之後CSI信令開銷也會變大。

因爲根據車輛的運動狀態可估計車輛位置，而位置決定了AP組的更新與否，因此本文將結合車輛位置實現AP組的更新；

支持5G的用戶中心式車載網絡架構

系統描述

LAAC：分佈式本地接入和控制中心

紅線是上行鏈路，傳輸車輛的信息。藍色圓圈內的AP構成AP組，負責傳輸通信數據。淡黃色橢圓是宏基站的覆蓋範圍，要覆蓋整個區域，其負責傳輸控制信令。

採用分佈式的協同感知策略，車間通過CAM/CAM傳遞信息。

在MEC上定義APC（應用中心）和ACC（接入控制中心），他們共同構成了本架構的管理模塊：LAAC（分佈式本地接入和應用中心）。整體管理的流程如下：1.車啓動時終端開啓。入網請求通過BS發送到核心網的控制中心並分配邏輯cell的id給車輛；2.將管理任務移交給車輛所在區域的LAAC。

LAAC中ACC更接近底層，在數據在傳輸中角色更重要，他主要功能有三：1.上行時傳遞車輛的設施層消息給APC；下行時將APC處理後的數據傳給車。2.ACC也接受APC處理後的車輛運動信息，用於AP組的劃分和更新、確定協同傳輸/接受策略。3.分配無線資源。

運動信息輔助用戶中心式接入

A.AP集團和協同接收

如何選擇哪些AP爲某輛車服務：可根據AP和車的距離選擇，但要注意由障礙物引起的陰影衰落和同一障礙物引起的衰落是相關的。

當不同車的AP組重疊時，將分配單獨的資源避免干擾。另外交叉路口車輛密度會比其他位置高，此時要考慮負載平衡

這裏也可以考慮使用MIMO完成複用和分集，從而提升速率和可靠性。

B.無線資源分配

因爲CSM的傳輸是週期的，所以可使用SPS策略降低延遲。因爲使用AP和車的距離分配RB，所以可能發生同一RB分給不同車的情況，此時可設置“一定距離內的兩車不分配給同一RB”的規則來避免。

對於延遲，可使用最大排隊時延約束，也可通過不同的RB分法在時頻域的延遲上取得均衡。對於重發，重發的優先級通常較高，因此可考慮保留專用的資源池，但這樣會降低總體的頻率使用效率。對於發生功率，ACC可根據AP的SINR要求調整車輛的發射功率。

C.移動性支持（AP如何更新）

ACC根據車輛的運動數據來預測車輛位置從而主動更新AP成員，另外當兩車相距太近時也要給其中一個車分配新的RB。

因爲車輛管理由LAAC完成，而LAAC是部署在MEC上的，當車從一個MEC的覆蓋範圍到另一個MEC的覆蓋範圍時，需要進行LAAC的控制任務轉交。

系統模型

A.場景模型和接入策略

考慮了兩個場景：1.城市高速公路；2.城市交叉路口

網絡模型：

1.車輛位置服從以爲齊次泊松過程；2.AP均勻分佈在道路兩側；3.AP和車輛均單天線。

傳輸模型：

1.信道模型：消息生成速率fb爲10Hz，載荷大小爲6k bytes。CSM生成時間在週期T範圍內隨機選擇，服從均勻分佈。帶寬B爲120MHz，中心頻率fc爲5.9GHz。將T*B分成100份，用{RB1,RB2,…,RB100}表示。接收機SINR閾值τ設置爲12Db，此時20MHz帶寬上的香濃信道容量爲81.5Mbps=W*log1+SINR=20*log⁡(1+16)。

2.AP的選擇：根據CSM的生成時刻選擇與車最近的K個AP，優先級降序如下：與車同向路側的最近AP、與車逆向路側的最近AP、與車同向路側的次近AP，以此類推。

3.RB的分配：計最大排隊延遲爲L/ms，RB重用距離爲D/m。CSM生成後，要求在L內爲其分配RB，同時相聚D內的兩車不能用同一RB。

4.車的有效SINR：設一個AP組由K個AP組成，車的有效SINR是K個AP提供的SINR的最大值。

5.AP的SINR：，分子是信號功率，分母是附近的車的干擾功率。

6.AP的接收功率： PRX=PTX-PL-X+δ，分別爲路徑損耗，陰影衰落，多徑衰落

 

 

三個系統級性能指標

• 擁塞率（CR），用表示，是指路段上所有車輛中擁塞車輛的比率，即在排隊延遲限制內未分配RB的那些車輛。
• 由表示的分組丟失率（PLR）被定義爲在分配了RB的所有車輛中丟失了CSM的車輛的比率，即，其有效接收的SINR未達到的車輛的比率。
• 停機概率，用表示，並計算爲。表示網絡中任何車輛產生的CSM在E2E延遲限制內都無法轉移到MEC服務器CSM的概率 。

可見降低CR和PLR對提高整體可靠性很重要

B.仿真結果

（1）仿真參數設置

參數	符號	數值
相鄰AP的間距（m）	​	30
車載天線高度（m）	​	1.5
AP天線高度（m）	​	10

（2）L(重傳時間)和D(重用距離)的影響  

# L用形狀區分， D用顏色區分（紅藍綠依次增大）

i.對擁塞率的影響

ii.結合APG大小K對丟包率的影響

​

iii.結合K對outage率的影響

​

（3）AP部署的影響

# AP高度爲h，AP的間隔距離爲d

i.結合K、D對丟包率的影響

ii.結合K、D對outage率的影響

（4）有效SINR的CDF 

 爲衡量可靠性，在圖10中繪製了多次仿真獲得的的累積分佈函數（CDF），其中L = 8 ms， = 50 m。

研究有效接收到的SINR是因爲通常對鏈路級傳輸可靠性更感興趣。

表3給出了一些重要的統計數據。對於大多數傳輸，實現的有效SINR足夠高。 當我們查看尾部分佈時，可以看出，在所有設置中，≤12 dB的概率都被限制在以下，而實際值非常接近平均PLR。 這是可以理解的，因爲如果在一個系統中實現的PLR很大，則平均PLR將會大大提高。 有趣的是，當（，，D，K）由(3, 10, 125, 2)給出時，是在這之中最大的值但方差也是最大的。這是因爲一個更大的K（在其他三個設置中K=3）可以有效地幫助減少多樣性增益帶來的方差。

注意：此處採用的性能指標可能並非最適合協作感知應用。當車輛密度增加時，將消息速率設置爲固定 -> 1.每單位面積和時間生成的CSM數量也變大；2.CSM中包含的信息變得更加冗餘。

此外，較大的車輛密度通常意味着平均速度較低，即環境的動態性較差。 因此，在不降低協作感知性能的情況下降低消息速率是可行的。在ETSI ITS-G5中，這可以通過分散式擁塞控制（DCC）功能解決。 同樣，定義性能指標以使其更適合應用程序也是至關重要的。