Simulation und Modellierung von 5G Vehicle-to-Infrastructure (V2I) / Vehicle-to-Network (V2N) Anwendungsfällen unter Berücksichtigung des 5G QoS Modells

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-01-02
Issue Year
2022
Authors
Deinlein, Thomas
Editor
Abstract

In this work, the OMNeT++ simulation framework 5G-Sim-V2I/N was developed for performance evaluation of Quality of Service (QoS) requirements for V2I and V2N use cases based on data exchange via 5G Uu air interface. The complete protocol stack of the 5G user plane was modeled to measure QoS requirements for simulated vehicles as well as Internet servers at the application level. Three use cases were evaluated using the simulation model regarding QoS requirements specified by 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and 5G Automotive Association (5GAA). First, Cooperative Perception per V2I was investigated. It is shown that with a bandwidth of 10 MHz the QoS requirements can be met, but this depends on the number of vehicles simultaneously connected to a base station. Subsequently, two V2N use cases were then investigated. In a multi-application scenario, vehicles run up to four applications with different QoS requirements in parallel. The third use case represents a remote driving scenario in which few remote vehicles are simulated with human-controlled vehicles and also compete for radio resources. Both use cases showed that scheduling with Proportional Fair Queueing (PFQ), which distributes radio resources fairly, is not sufficient for compliance with QoS requirements. The Medium Access Control (MAC)-level scheduling procedure, which has to ensure a performant distribution of radio resources, especially in base stations, was therefore extended by the 5G QoS model and used for various scheduling procedures. A scheduling priority was calculated for each application that required resources. The scheduling methods were compared with PFQ. In both use cases, it is shown that a combination of default priority values and individual parameters, such as channel quality, best ensure compliance with the different QoS requirements. Finally, this thesis gives an outlook on the following mobile communication generation 6G and its impact on Vehicle-to-Everything (V2X). Likewise, possible extensions of the simulation model are summarized.

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das OMNeT++-Simulationsframework 5G-Sim-V2I/N zur Performancebewertung von QoS-Anforderungen für V2I und V2N Anwendungsfällen entwickelt, welche auf einem Datenaustausch per 5G-Uu-Luftschnittstelle basieren. Dabei wurde der komplette Protokollstack der 5G User Plane modelliert, um QoS-Anforderungen bei simulierten Fahrzeugen sowie Internet-Servern auf Applikationsebene messen zu können. Drei Anwendungsfälle wurden mit dem Simulationsmodell hinsichtlich der QoS-Anforderungen, die von der 3GPP und der 5GAA vorgegeben werden, bewertet. Zuerst wurde Cooperative Perception per V2I untersucht. Es zeigt sich, dass mit einer Bandbreite von 10 MHz die QoS-Anforderungen eingehalten werden können, was allerdings von der Anzahl gleichzeitig mit einer Basisstation verbundener Fahrzeuge abhängt. Anschließend wurden zwei V2N Anwendungsfälle untersucht. In einem Multiapplikationsszenario führen Fahrzeuge bis zu vier Applikationen mit unterschiedlichen QoS-Anforderungen parallel aus. Der dritte Anwendungsfall repräsentiert ein Remote Driving Szenario, bei dem wenige Remote Vehicle mit von Menschen gesteuerten Fahrzeugen simuliert werden und ebenfalls um Funkressourcen konkurrieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Scheduling per PFQ, welches Funkressourcen fair verteilt, nicht für eine Einhaltung von QoS-Anforderungen ausreicht. Das Schedulingverfahren auf MAC-Ebene, das insbesondere in Basisstationen für eine performante Verteilung der Funkressourcen sorgen muss, wurde deshalb um das 5G QoS Modell erweitert und für verschiedene Schedulingvarianten verwendet. Hierbei erfolgte für jede Anwendung, die Ressourcen benötigt, eine Berechnung einer Schedulingpriorität. Die Schedulingverfahren wurden mit PFQ verglichen. In beiden Anwendungsfällen zeigt sich, dass eine Kombination von Standardprioritätswerten sowie individueller Parameter wie der Kanalqualität am besten die Voraussetzungen für eine Erfüllung der unterschiedlichen QoS-Anforderungen gewährleisten. Die Arbeit gibt abschließend einen Ausblick auf die nachfolgende Mobilfunkgeneration 6G und deren Auswirkungen auf V2X. Ebenso werden mögliche Erweiterungen des Simulationsmodells aufgeführt.

DOI
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