5G heterogeneous networks for connected vehicles : a cooperative multi-layer approach

Leon Calvo, Jose Angel; Ascheid, Gerd; Mathar, Rudolf

doi:37692

5G heterogeneous networks for connected vehicles : a cooperative multi-layer approach

Leon Calvo, Jose Angel^RWTH*

2018 & 2019

VerantwortlichkeitsangabeJose Angel Leon Calvo

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2018

Umfangiv, 142 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten

ISBN3-8440-6367-6, 978-3-8440-6367-7

ReiheBerichte aus der Kommunikationstechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. Zweitveröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mathar, Rudolf (Thesis advisor)^RWTH* ; Ascheid, Gerd (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-00597
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/753421/files/753421.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Informationstechnik (613410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
5G Networks (frei) ; Connected Vehicles (frei) ; Heterogeneous Network Architecture (frei) ; Intelligent Transportation System (frei) ; Radio Channel Modeling (frei) ; Vehicular Communication (frei) ; Vehicular Network Deployment (frei) ; Vehicular Networks (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Diese Dissertation schafft ein neuartiges mehrschichtiges Gerüst für kooperativ verbundene Fahrzeuge. Der Inhalt dieser Arbeit wird durch zwei Hauptziele gespeist. Das Erste besteht darin, einen mehrschichtigen Rahmen zu entwickeln, welcher die Kommunikationsanforderungen der Fahrzeuge für sicherheitsrelevante Anwendungen unterstützt: hohe Zuverlässigkeit und extrem niedrige Latenz. Das Zweite besteht darin, ein kooperatives Kommunikationsschema bereitzustellen, welches den Straßenverkehrsfluss optimiert und die Sicherheit der Fahrzeuge erhöht. Vorgeschlagen wird eine neuartige heterogene Architektur, die ubiquitäre Konnektivität und Kommunikation mit hoher Zuverlässigkeit bietet. Ubiquitäre Konnektivität wird durch die Formulierung eines linearen Integer-Optimierungsproblems zur effizienten Bereitstellung der Makrozelleninfrastruktur hergestellt. Um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, wird das Konzept der Netzwerkverdichtung implementiert, indem mehrere kleine Zellen eingerichtet werden, in denen entweder fest installierte straßenseitige Einheiten eingesetzt werden oder mobile Relay-Knoten aktiviert werden. Diese kleinen Zellen werden basierend auf der erwarteten Fahrzeugdichte installiert, um den Einsatz zu optimieren und die damit verbundenen Kosten zu begrenzen. Im Rahmen der Charakterisierung der Kommunikationsverbindungen zwischen den Netzwerkschichten und Benutzern werden unterschiedliche Funkkanalmodelle definiert. Die Motivation hinter diesen Charakterisierungen ist,dass jede Schicht unterschiedliche Anforderungen erfüllt. Bei der Verbindung zwischen den Makrozellen und den Fahrzeugen wird ein semi-stochastisches Funkkanalmodell angewendet. Dieses spezielle Funkkanalmodell nutzt die Umgebungsinformationen aus, indem es einen Ray-Tracer-Algorithmus anwendet und daraufhin das Schwundverhalten mittels eines stochastischen Kanalmodells aufbaut. Die Kommunikationsverbindung zwischen Fahrzeugen erfordert einen anderen Ansatz. In dieser Hinsicht wird ein Dreiwellen-Kanalmodell verwendet, um die Kommunikationszuverlässigkeit in der Größenordnung der Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 ^ {- 5} zu charakterisieren. Darüber hinaus wirddas Konzept von Prädiktorantennen angewendet, um eine genaue Schätzung der Funkkanalimpulsantwort von den vorausfahrenden Fahrzeugen zu erhalten. Das kooperative Systemfür vernetzte Fahrzeuge umfasst die Bildung und Verwaltung von Zugverbänden nach deren Erstellung. Es ist bewiesen, dass der Zug unter bestimmten Kommunikationsbeschränkungen stabilist und hinsichtlich Sicherheit und Verkehrseffizienz eine optimale Formation darstellt. Um dieEntstehung von Platoons zu motivieren, wurde ein spieltheoretischer Rahmen entworfen, der einebessere Leistung in Bezug auf die Zeit bis zum Ziel bietet und hat die Ergebnisse mit früheren Arbeiten aus der Literatur verglichen. Der Kern unseres kooperativen Schemas basiert auf einem Abstoßungs- / Anziehungsansatz, bei dem eine Strafe verhängt wird, wenn sich ein Benutzer selbstsüchtig verhält, d.h. ein Benutzer, der nicht die optimale Entscheidung für das Gesamtnetzwerk trifft, und eine Belohnung gewährt wird, wenn ein Benutzer sich einem anderen Benutzer anschließt oder einen neuen Zug bildet. Zusätzlich wird durch Ausnutzen der erreichten Platoon-Bildung ein optimales Planungsschema auf der Basis einer semi-persistenten Planungdefiniert, um das Kommunikationsnetzwerk zu verbessern, wodurch die Zuverlässigkeit der Übertragungen verbessert wird. Um diese Arbeit abzuschließen, wurde ein sicheres Kommunikationsprotokoll entwickelt, das ein ringbasiertes Signaturschema verwendet, um Meldungen auf sichere und anonyme Weise zwischen den Zugfahrzeugen auszutauschen.

This dissertation establishes a novel multi-layer framework for cooperative connected vehicles. The content of this work is motivated by two main objectives. The first is to design a multi-layer framework supporting the vehicular communication requirements for safety-related applications, namely, high reliability and ultra-low latency. The second is to provide a cooperative communication scheme optimizing the road traffic flow and increasing the safety of the vehicles. A novel heterogeneous architecture which provides ubiquitous connectivity and high-reliability communication is proposed. Ubiquitous connectivity is established by formulating a linear integer optimization problem to efficiently deploy the macro-cell infrastructure. In order to obtain high reliability, the concept of network densification is implemented by means of setting up multiple small-cells either by deploying fixed road-side units or by enabling mobile relay nodes. These small-cells are installed based on the expected vehicle density in order to optimize the deployment and limit the associated costs.In the context of characterizing the communication links among the network layers and users, different radio channel models are defined. The motivation behind these characterizations is that each layer has distinctive requirements to fulfill. In the case of the link between the macro-cells and the vehicles, a semi-stochastic radio channel model is applied. This particular radio channel model exploits the environment information by applying a ray-tracer algorithm and building on top of it the fading behavior by means of a stochastic channel model. The communication link between vehicles requires a different approach. In this regard, a three-wave channel model is used to characterize the communication reliability in the order of 10^{-5} outage probability. Moreover, the concept of predictor antennas is applied to obtain an accurate estimation of the radio channel impulse response from the preceding vehicles. The cooperative scheme for connected vehicles includes the formation and management of platoons upon their creation. It is proved that under certain communication constraints the platoon is stable in addition to being the optimal formation in terms of safety and traffic efficiency. In order to motivate the creation of platoons, a game-theoretical framework is designed which provides a better performance in terms of time to destination, when compared with previous works found in the literature. The core of our cooperative scheme is based on a repulsion/attraction approach, where a penalty is given whenever a user behaves selfishly, i.e., a user who is not adopting the optimal decision for the overall network, and a reward is granted when a user joins or forms a new platoon. Additionally, by taking advantage of the achieved platoon formation, an optimal scheduling scheme based on a semi-persistent scheduling is defined in order to enhance the communication network, consequently improving the reliability of the transmissions. To conclude this work, a secure communication protocol is designed using a ring-based signature scheme to share messages among the platoon vehicles in a safe and anonymous manner.

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