Design and performance evaluation of protocols for V2X communications

Abstract

This PhD thesis presents the design, development, and performance evaluation of advanced resource allocation mechanisms for critical autonomous driving services across various scenarios with different performance requirements. V2X services are typically characterized by diverse network performance requirements in terms of latency, reliability, and throughput. Key international organizations have detailed several related use cases (UCs) and their corresponding requirements. This thesis presents a comprehensive analysis of the latest and most advanced autonomous driving UCs, along with a harmonized view of their requirements. It also examines the extent to which 4G and 5G networks can support these UCs concerning delay and spectrum needs. Critical services have stringent network performance requirements due to their role in safety features. Current fifth-generation (5G) base station schedulers do not differentiate between critical and non-critical automated driving applications. Consequently, as traffic loads increase, there is a significant decrease in performance for these critical services. This thesis introduces SOVANET, a beyond 5G scheduler that considers the Radio Access Network (RAN) load, as well as the requirements of critical automated driving applications, optimizing resource allocation to them compared to non-critical services. The proposed scheduler has been thoroughly evaluated through extensive simulations and compared with the typical Proportional Fair scheduler. The results demonstrate clear benefits in SOVANET's performance for critical services. Previous work has been further expanded by introducing a new scheduler called SOVANET +. This scheduler also accounts for the RAN load, the requirements of critical automated driving applications, and channel quality to optimize resource allocation for critical services. The key feature of SOVANET+ is its ability to overprovision radio resources for vehicles with poor channel quality, down to a certain threshold. Below this threshold, the signal quality is so poor that overprovisioning wastes resources for all devices in a cell without yielding any real improvement for the critical service. SOVANET + is evaluated through extensive simulations in both urban and highway environments and compared against the typical Proportional Fair scheduler and the previous version of SOVANET. The results indicate that SOVANET+ performs effectively for critical services, providing significant improvements. To support this research, the ns- 3 simulator was extensively utilized as the tool for developing the resource allocation mechanisms mentioned.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση επιδόσεων προηγμένων μηχανισμών κατανομής πόρων για κρίσιμες υπηρεσίες αυτόνομης οδήγησης σε διάφορα σενάρια και με διαφορετικές απαιτήσεις επιδόσεων. Οι υπηρεσίες V2X χαρακτηρίζονται συνήθως από διαφορετικές απαιτήσεις επιδόσεων δικτύου όσον αφορά την καθυστέρηση, την αξιοπιστία και τo φάσμα. Βασικοί διεθνείς οργανισμοί έχουν ήδη περιγράψει λεπτομερώς διάφορες σχετικές περιπτώσεις υπηρεσιών και τις απαιτήσεις τους. Η παρούσα διατριβή παρέχει μια ολοκληρωμένη ανάλυση των πιο πρόσφατων και προηγμένων περιπτώσεων χρήσης αυτόνομης οδήγησης, μαζί με μια εναρμονισμένη άποψη των απαιτήσεών τους. Εξετάζει επίσης τον βαθμό υποστήριξης που μπορούν να προσφέρουν τα δίκτυα 4G και 5G σε αυτές τις υπηρεσίες όσον αφορά την καθυστέρηση και τις ανάγκες σε φάσμα. Οι κρίσιμες υπηρεσίες έχουν αυστηρές απαιτήσεις απόδοσης δικτύου, καθώς αφορούν χαρακτηριστικά ασφαλείας. Οι σημερινοί προγραμματιστές κατανομής πόρων σταθμών βάσης πέμπτης γενιάς (5G) δεν έχουν σχεδιαστεί για να κάνουν διάκριση μεταξύ κρίσιμων και μη κρίσιμων εφαρμογών αυτοματοποιημένης οδήγησης. Ως αποτέλεσμα, όταν αυξάνεται ο φόρτος μετάδοσης δεδομένων, παρατηρείται σημαντική μείωση της απόδοσης για αυτές τις κρίσιμες υπηρεσίες. Η παρούσα διατριβή εισάγει το SOVANET, έναν προγραμματιστή κατανομής πόρων για σταθμούς βάσης πέραν του 5G που λαμβάνει υπόψη το φόρτο του δικτύου ραδιοπρόσβασης (RAN), καθώς και τις απαιτήσεις των κρίσιμων, αυτοματοποιημένων εφαρμογών οδήγησης, και βελτιστοποιεί την κατανομή των πόρων σε αυτές σε σύγκριση με τις μη κρίσιμες υπηρεσίες. Ο προτεινόμενος προγραμματιστής κατανομής πόρων αξιολογήθηκε διεξοδικά μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων και συγκρίθηκε με τον τυπικό Proportional Fair. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η απόδοση του SOVANET για κρίσιμες υπηρεσίες προσφέρει σαφή πλεονεκτήματα.Η προηγούμενη εργασία επεκτάθηκε περαιτέρω με την εισαγωγή ενός νέου προγραμματιστή κατανομής πόρων δικτύου που ονομάζεται SOVANET+. Η νέα έκδοση επίσης λαμβάνει υπόψη το φορτίο RAN, τις απαιτήσεις των κρίσιμων εφαρμογών αυτοματοποιημένης οδήγησης και την ποιότητα του καναλιού για τη βελτιστοποίηση της κατανομής των πόρων στις κρίσιμες υπηρεσίες. Το βασικό χαρακτηριστικό του SOVANET+ είναι ότι κατανέμει περισσότερους πόρους για τα οχήματα που δεν έχουν την καλύτερη ποιότητα καναλιού μέχρι ένα ορισμένο όριο. Κάτω από ένα τέτοιο κατώφλι, η ποιότητα σήματος είναι τόσο κακή που η υπερπροσφορά σπαταλά πόρους για όλες τις συσκευές σε μια κυψέλη χωρίς να επιτυγχάνεται πραγματική βελτίωση για τις κρίσιμες υπηρεσίες. Ο SOVANET+ επίσης αξιολογήθηκε μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων σε αστικό περιβάλλον και σε περιβάλλον αυτοκινητόδρομου και συγκρίνεται με τον τυπικό Proportional Fair και την προηγούμενη έκδοση SOVANET. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο SOVANET+ αποδίδει καλά για τις κρίσιμες υπηρεσίες, παρέχοντας σημαντικές βελτιώσεις.Για την υποστήριξη αυτής της έρευνας χρησιμοποιήθηκε εκτενώς ο προσομοιωτής δικτύου ns-3 ως εργαλείο για την ανάπτυξη των μηχανισμών κατανομής πόρων που αναφέρθηκαν.