Analysis of real vehicle traces and its use in optimizations of 5g cellular network resources

Abstract

Gerçek Araç İzlerinin Analizi ve 5G Hücresel Ağ kaynaklarının Optimizasyonunda Kullanımı 5G standartları içindeki V2X iletişimi, araçların birbirine bağlanmasını ve hücresel hizmetlere her an her yerden erişmesini sağlayan önemli bir özelliktir. Değişken sayıda araç, uygulama/ ağ hizmetleri, yol ağı altyapısı ve sistem performansını artırmak veya iyileştirmek için önerilen yeni çözüm yaklaşımları/ yöntemleri dahil olmak üzere test edilen sistemin büyük ölçekli gösterimi için gerçekçi bir simülasyon ortamı oluşturmak esastır. Tezin ilk bölümünde bu amaçla geliştirilen simülasyon ortamı anlatılmakta ve ayrıca V2X iletişimi ve hücresel ağ tarafından sağlanan hizmetler değerlendirilmektedir. Sonuçlar, sistem performansı ve performansı iyileştirmeye yönelik sonraki çalışmalar hakkında bilgi sağlar. Güvenlik riskleri ve operasyonel verimlilik sorunlarıyla başa çıkmak için, Bağlantılı ve Otonom Araçlarda yüksek veri hızlarının sağlanması ve gecikme gereksinimlerinin karşılanması son derece önemlidir. Bu tür ortamlardaki sorun iki yönlüdür: 1) Artan talepler nedeniyle ağ üzerindeki yoğun yük; 2) Belirli bölgelerdeki araç trafiği yoğunluğundaki farklılıklar nedeniyle kaynak dengesizliği. Bu iki olgunun sonuçları, araçlar arasında adil kaynak tahsisinin yanı sıra hizmet kesintilerine de yol açabilir. Tezin ikinci bölümünde, yüksek iş yükünün kenar düğümler arasında dağıtılmasını ve ağ kaynaklarının etkili ve adil bir şekilde tahsis edilmesini sağlayan bir kaynak tahsisi yöntemi öneriyoruz. Önerilen yöntemin performansı gerçekçi senaryolar altında değerlendirilmiş ve literatürdeki en son tekniklerle karşılaştırılmıştır. Tüm yöntemlerin belirli bölgelerdeki aşırı yüklenme koşullarında davranışları ve performansları analiz edilmiştir. Hücresel Araçlar Arası Her Şey (C-V2X) iletişimi bağlamında, röle düğümlerinin seçimi, verimli ve güvenilir veri aktarımının sağlanmasında kritik bir rol oynar, bu da sürücü güvenliğini artırır ve genel sürüş deneyimine katkıda bulunur. C-V2X iletişimi, 3GPP Sürüm 17 tarafından desteklenen 5G protokollerini kullanır. C-V2X ağ topolojisinin dinamikliği ve 5G baz istasyonu'nun sınırlı kapasitesi göz önüne alındığında, gerekli veriler, veri boşaltma ile seçilen röle düğümü aracılığıyla etkili bir şekilde iletilebilir. Tezin üçüncü bölümünde, düşük iş yüküne sahip 5G baz istasyonu kapasitesinden yararlanmak amacıyla röle düğümü seçimi için yeni bir veri boşaltma çözümü öneriyoruz. Bu seçme işlemi, aracın hem mesafesi hem de kanal kapasitesi dikkate alınarak 5G baz istasyonu tarafından gerçekleştirilir. Önerilen yöntem, performans sonuçlarını değerlendirmek için gerçekçi bir ağ senaryosunda son teknoloji algoritmalara uygulanmıştır.

V2X communications is one key feature in the 5G standards that enables the vehicles to get connected and access the cellular services anywhere anytime. It is essential to build a realistic simulation environment for large scale demonstration of the system under test including varying number of vehicles, application/ network services, road network infrastructure and new solution approaches/ methods proposed to enhance or make improvements on the system performance. In the first part of the thesis I describe the simulation environment developed for this purpose and also evaluate the V2X communication and the services provided by the cellular network. The results provide insights on the system performance and the follow-up studies to improve the performance. To cope with safety risks and operational efficiency problems, it is of paramount importance to ensure high data rates and meet the latency requirements in Connected and Autonomous Vehicles. The problem in such environments is two-fold: 1) Heavy load on the network due to increasing demands; 2) Resource imbalance, due to variations in the vehicular traffic density in certain regions. The consequences of these two phenomena may lead to service disruptions, as well as the fairness of resource allocation across vehicles. In the second part of the thesis, we propose a resource allocation method that distributes high workload among edge nodes and allocates network resources efficiently and fairly. The performance of the proposed method is evaluated under realistic scenarios, and compared to the state-of-the-art approaches in the literature. The behavior and performance of all methods in overload conditions in certain regions were analyzed. In the context of Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) communication, selection of relay nodes plays a critical role in ensuring efficient and reliable data transfer, which improves driver safety and contributes to the overall driving experience. C-V2X communication utilizes 5G protocols supported by 3GPP Release 17. Considering the dynamic nature of a C-V2X network topology and limited capacity of a gNodeB, the required data can be efficiently transmitted through the selected relay node with offloading. In the third part of the thesis, we propose a novel data offloading solution for relay node selection with the aim of utilizing the capacity of gNodeB's with low workloads. The selection is determined by the gNodeB, taking into account both the distance and the channel capacity of the vehicle. The proposed method is applied to state-of-the-art algorithms in a realistic network scenario to evaluate performance results.