LTE网络增强车辆的安全通信

文摘

直接vehicle-to-vehicle (V2V)和vehicle-to-infrastructure (V2I)通信已被普遍认为是载人或无人驾驶车辆的安全驾驶。V2I通信比V2V通信传播安全消息在关键地区像十字路口的安全信息必须提供给车辆周围低延迟和损失,由于发射机作为基础设施可以视线接收者车辆和控制无线介质访问在一个集中的方式不像V2V。长期演进(LTE)蜂窝网络是世界上快速部署与爆炸增加移动流量。许多汽车制造商选择LTE车载设备进行远程信息处理,LTE系统也可以利用出于安全目的而不是基于802.11便士/波路边单元(限制)。之前的文献研究主要是当前LTE系统分析方面的理论网络容量和端到端延迟V2I通信的可行性进行调查。在本文中,我们提出新的改进当前LTE系统指定的第三代合作伙伴计划(3 gpp) LTE标准而推迟解决重大挑战。从模拟,我们确认我们的三个关键解决方案能有效降低端到端延迟LTE系统来满足需求的安全消息传递。

1。介绍

已经过去,尝试引入车载通信的智能运输系统(ITS)使用5.9 GHz奉献频谱,基于专用短程通信(DSRC)和IEEE 802.11便士/无线接入车载环境(波)标准1,2]。例如,国际标准化组织(ISO)和欧洲电信标准协会(ETSI)合作智能运输系统(这个)标准阐述了几个用例有关交通管理和道路安全,不仅对vehicle-to-vehicle (V2V)车辆之间的直接沟通,也为vehicle-to-infrastructure (V2I)间接通信使用路边单元(限制)沿着路3]。美国运输部(USDOT)已经发出预先通知的提议制定规则(NPRM)强制使用这种技术的汽车在不久的将来。Manufacturer-implemented标准硬件V2V直接沟通内部汽车很快就到,但专门限制使用802.11便士/波标准难以预计,由于大型投资。

最近,长期演进(LTE)部署的步伐加快了世界各地越来越渴求数据的智能设备。广泛部署LTE网络,而不是专门的基础设施,可以提供交通管制和开展服务。第三代合作伙伴计划(3 gpp)系统架构(SA) WG 1定义服务要求LTE系统还完成了要求车辆在LTE网络通信(4]。此外,汽车工业现在嵌入LTE客户车辆实现“连接汽车”与一个常数不同的远程信息处理服务的互联网连接,可以用于安全目的。

两种类型的安全标准中定义的消息是:合作意识消息(CAM)和分散环境通知消息(连接)5,6]。凸轮是周期性地广播(1 - 10赫兹的范围),相邻的车辆建议他们发送者的方向、速度和地理位置。连接是引发的突发事件和特定的目的。车辆在V2V直接广播这些安全信息沟通与分散的拥塞控制(DCC)函数在指定的无线电频率,避免拥挤也需要调节。

RSU基础设施使用LTE塔具有防止传输碰撞集中传输控制和覆盖大型道路区域的视线;相反,V2V直接沟通会跟随大卡车的道路。然而,摄像头对LTE限制(即更多的挑战。,LTE base station/eNB) because an LTE eNB has limited capacity to serve periodic CAMs from all vehicles within a cell. A DENM that is less frequently invoked, for an emergency stop or an intersection collision warning, is considered as a major use case for the LTE networks [6]。然而,dual-radios 802.11便士/波凸轮和LTE连接是昂贵和低效的。

标准和文献阐明凸轮和连接应与预期的服务交付100 ms的端到端延迟的要求(5,6]。然而,传送凸轮或车辆连接从一个到另一个仍然是一个挑战目前的LTE网络,在有限的信道容量和网络体系结构。幸运的是,LTE系统有几个有用的特性,适用于道路安全和交通管制,比如组通信系统推动者(GCSE)和多媒体广播多播服务(eMBMS)进化而来。以前的研究对车辆安全通信使用LTE网络调查可伸缩性和延迟问题根据大量的车辆或调度机制eNBs [7- - - - - -9]。然而,详细分析基于3 gpp LTE标准为了调查的可行性LTE限制尚未进行。

在本文中,我们首先介绍了3 gpp LTE标准的有用特性车辆通信。然后,我们调查的可行性凸轮和连接交付的网络开销和端到端延迟,最后提出三个关键想法减少开销和延迟满足安全要求。本文的其余部分组织如下。节2之前,我们将介绍在LTE车载通信系统工作。在部分3和4,我们概述eMBMS GCSE作为车载通信代表LTE功能。我们提出一个增强的LTE网络模型对车辆安全应用程序部分5和讨论我们的想法的实现问题部分6。我们评估常规和提出方法的性能部分7。我们将讨论继续挑战和结论部分8和9。

2。相关的工作

一些研究已经进行的适用性LTE蜂窝技术车辆安全通信。Vinel [10)比较了IEEE 802.11便士/波和LTE系统的延迟和车辆安全应用程序的可伸缩性。数学模型的IEEE 802.11便士/载波监听多路访问(CSMA)和时分长期演进(td - lte)是比较他们的系统开发能力。根据分析结果,LTE系统是不足以支持报警信息,比如摄像头,因为它的能力有限。其他现有文献[8,9还提到,下行和上行通道摄像头的能力是有限的。详细,下行通道受到交通拥堵比广播模式在单播模式,和凸轮的到期期限(即。100 ms)成指数增加汽车的数量超过100。此外,该凸轮交付成功率取决于上行容量。td - lte,下行比率的1:9,显示只有60%交付成功,因为有限的上行的能力。因此,应增强可伸缩性在下行,例如,通过广播或多播代替上行单播和访问控制。

Kihl et al。11提出eMBMS(即。,multicast in downlink) based vehicular communication in the LTE network. The authors assumed a DENM scenario rather than the CAM for V2I communication, since DENM is infrequently generated. Simulation results show that among several scheduling methods, delay-based weight scheduling can satisfy a target delay, 100 ms of safety applications with at least 50 vehicles. Unfortunately, no results are available regarding situations with more than 50 vehicles, which could be a practical assumption considering the normal macrocell range. Furthermore, a detailed analysis of the latency is missing.

甜菜et al。12)显示一个数值延误分析的通用移动通信系统(UMTS)和基于3 gpp LTE系统标准规范。他们认为,LTE系统可以满足最后期限比UMTS安全消息,至少在上行传输的随机存取延迟如果LTE系统每秒处理1500摄像头使用eMBMS下行传输。虽然该研究打开凸轮交割的LTE的可能性,它不显示LTE网络的车载通信的详细过程。(13,14]提出了基于eMBMS自适应凸轮率控制,可以调用阻塞安全通道,扰乱紧急消息的传播。在[15),作者推导出上行凸轮传播能力在十字路口不同数量的车辆,在车辆广播凸轮通过指定的无线资源使用GPS信息块。然而,没有描述详细的实现。(16)描述的详细架构LTE eMBMS凸轮和DEMN传播和展示了eMBMS可以提高网络效率和延迟的车辆数量足够高的时候。

一项调查文献[7]介绍了LTE中的现存问题为车载通信系统和网络的部署。下行传输,作者指出,eMBMS造成额外的延迟由于其会话建立过程,尽管它使用无线电资源比单播少。在车载网络部署的问题,道路安全后端服务器可以减少车辆和eNBs的工作负载。例如,服务器只传播以来凸轮或连接geolocationally相关车辆安全通信范围内的车辆不可能重合的LTE细胞区域。此外,eNB或服务器可以忽略重复消息由相同的事件或聚合连续为同一车辆减少为目标的消息传输,一直在探索在ETSI这个GeoNetworking [17]。另一个调查18]介绍了许多关于异构车载网络的研究(HetVNET)蜂窝网络集成专用短程通信(简称DSRC)。这项调查提供了理解HetVNETs最近的无线网络技术,仍处于开始阶段。

机器类型通信(MTC), 3 gpp探讨了矿渣MTC的几个技术支持共存交通与遗留问题的随机访问过载(19]。(20.,21]介绍基于QoS的访问除非方法为不同类型的电子设备在3 gpp LTE-A网络。瑞秋在这里预先分配或禁止动态不同矿渣MTC类与不同的补偿过程。在[22),提出调度方案的LTE上行通道矿渣MTC考虑QoS如吞吐量和允许每个设备的延迟。(23)提出load-aware协会重叠细胞为电子设备领域。在[24),设备(D2D)通信的3 gpp Rel-12采用专用广播/多播车辆安全通信与基于eMBMS D2D资源分配。在[25),作者回顾D2D通信车辆安全通信的各种方法。他们分类方法由操作员协助,发现候选人、QoS等定性和比较它们的性能。最近,(26)提高V2V沟通使用LTE D2D可伸缩性和健壮性和全双工技术改善LTE频谱可重用性和信标传输速率的邻居车辆相比以前的半双工D2D意识。

3所示。发展多媒体广播多播服务

发展多媒体广播多播服务(eMBMS) (27,28)是为移动多媒体广播/多播内容开发的客户,也就是说,用户设备(UE)在LTE系统中,这是一个有效的方法来拯救无线电资源提供广播内容相比,使用多个单播。eMBMS需要几个网络的设备,如广播/多播服务中心(BM-SC),喜忧参半网关、多单元的协调实体”(MCE),和eNBs,如图1(一)。BM-SC广播/多播服务中心管理多媒体数据以及相关信息如广播/多播区,时间和内容,并将它们发送给喜忧参半网关和多国评价。多国评价为eNBs提供控制信息来安排他们的无线电资源eMBMS区域内的广播/多播数据传输。广播/多播广播频道资源同步在多个细胞(细胞1 - 4)参与并发广播/多播传输使用单一频率,以形成一个大的服务区域,如图1(一)。

我们可以看到详细的eMBMS程序图1 (b),问题首先接收系统信息块(SIB) 13获得多播通知和多播控制信道(MCCH)配置相应的多媒体广播单频网(MBSFN)区域29日]。接下来,问题才能得到MBSFN区域配置通过MCCH一旦问题收到一个通知,表示由M-RNTI(多播广播网络临时标识符)通过物理下行控制信道(PDCCH)。的MBSFN区域配置包括信息标识的子帧的问题应该监控获取eMBMS数据和物理信道特征(例如,调制和编码方案(MCS),逻辑通道标识符(ID))。有了这个信息,问题从eMBMS通道和接收广播数据解码它们。

基本上,因为所有广播数据通过eMBMS通道,问题必须知道调度信息的多播流量通道(MTCH)的兴趣。这样的调度信息可以从妇幼保健获得调度信息(MSI)与一个逻辑通道MTCH的ID。然后,问题不断接收MTCH逻辑信道的问题感兴趣。逻辑ID映射与临时移动组身份(TMGI)作为会话ID在应用程序层。因此,问题管理两个逻辑通道ID和TMGI一起后的问题选择一个广播/多播会话TMGI在应用程序层。

上述复杂eMBMS程序是专为多媒体广播/组播的目的不是为了实时双向通信,而且它会使长端到端延迟。总可以超过100毫秒延迟,由至少80 ms SIB 13日40 ms MSI收购,和更多的子帧,直到收到的实际数据,根据MTCH调度。这是远远超过车辆的通信安全要求,也就是说,不到100毫秒。在连接模式中,一个问题可以接收数据在100 ms,假设的问题已经知道MBSFN区域配置MSI。然而,它可能是挑战获得配置信息在实时当问题,他们需要一个新的配置改变eMBMS区域。为了避免这种服务中断,车辆前的配置可以进入一个新领域。如果单一eMBMS区域涵盖所有道路宽领域,也就是说,几公里,不相关的安全信息(连接只需要传播在300米(5,6]。)将在整个eMBMS播放区域,这明显无线电资源的浪费,还会造成可伸缩性问题。

4所示。组通信系统推动者(GCSE)

一群通信系统的推动者(GCSE)标准化等组通信的一个关键任务按键通话(MC-PTT)使用单播或多播在LTE网络(30.]。普通中等教育证书考试可以应用于车辆的组通信。图2描绘了GCSE架构,由一个gc应用服务器(AS), BM-SC,喜忧参半网关,除了一种进化的核心(EPC)网络(即包。,eNBs PDN-GW (P-GW))。GCS管理小组成员和继电器数据从一个别人使用多个单播或多播。例如,假设问题1 - 6属于同一个组和问题1试图将数据发送给其他人,问题2接收数据单播和其他接收多播如图2。

多播,GCS请求暂时移动集团身份(TMGI) BM-SC管理多播流到多个eNBs通过MBMS-GW然后发送TMGI小组成员使用应用程序协议。GCS和单播连接成员问题之前改变了单播连接到多播连接。GCS,确定一个最佳的时间从多个单播切换到单多播,反之亦然。多播可以消耗更多的无线电资源的eMBMS比多个单播根据数量的成员自多播问题需要指定无线电资源定期无论交通的存在。一旦建立了多播组,gc可以激活或禁用的服务质量(QoS)的多播不记名,会议开始时间,喜忧参半区域信息,等等。

根据(31日),一个高优先级的QoS类指标(QCI),即使对于MC-PTT,非常放松要求:GBR声音女士(75 - 100),non-GBR信号(60 ms)和数据(200毫秒)单向延迟从网关到问题。因此,往返时间基于这些需求不能满足车辆安全的最大延迟定义的标准化组织和政府(5,6),因为人类之间的互动是通常比机器之间的通信更加宽容。

5。LTE增强车辆的通信

在前面的部分中,我们阐述了LTE车辆安全通信系统的有用特征。基本上,这些特性允许车辆问题交换凸轮或连接不修改当前的LTE系统。然而,端到端延迟的要求安全交付是保证消息在当前的系统。

延迟三个主要因素在当前LTE通信车载组通信定义如下:(我)随机存取(UE-eNB):从上行数据访问和数据传输延迟闲置或者连接问题(2)组管理(UE-GCS):延迟加入或离开组与长RTT eNB GCS尽可能自GCS坐落在EPC之外(3)下行配置(UE-BM-SC):延迟从eMBMS配置信息采集

在本节中,我们提出新的LTE系统的改进,使delay-critical沟通道路安全,导致解决以上三个延迟问题。每个延迟术语概括为如下解决方案和细节在以后的章节中介绍了每个解决方案:(我)持续上行信道基于地理位置:降低访问延迟和资源浪费(2)移动云边缘(MEC):减少RTT问题和GCS之间(3)基于单元的多播与地理位置:减少配置延迟接收多播流

5.1。Geolocation-Based持续上行通道

初始上行传播,问题应该首先执行一个随机访问为了保持正交性在上行传输的许多问题。一个eNB同步上行信号的到达时间的问题将传输时间根据问题的位置。

详细的随机存取过程如图所示3,问题首先发送一个随机选择的序言eNB通过一个随机接入信道(瑞秋),并等待一个随机访问响应(RAR)。RAR包含序言指数上行时间调整,和上行资源分配信息的问题。问题发送一个连接请求使用分配的资源问题的身份(ID)如果收到序言指数是一样的序言。问题ID用于争用解决,如果超过两个问题设置巧合发送相同的序言。eNB返回ID的问题有新的细胞无线电网络临时标识符(C-RNTI)作为无线电连接在连接设置消息ID。接下来,问题发送C-RNTI和缓冲区状态报告(BSR)消息在connection-complete消息和接收到的上行授权C-RNTI实际数据。

随机存取程序总共需要67 ms平均计算表1和图3。然而,最初的访问延迟增加指数作为尝试失败。如果eNB使用倒扣指示控制许多问题设置的访问尝试,它可以超过几秒钟,因为最大补偿时间是960 ms,和200年标准允许随机存取重试。只有两个重试和几个女士退避能够击败我们的延迟目标,即使没有考虑额外的混合自动重发请求(HARQ)延迟重发。

在[7),作者认为车辆的客户总是可以连接到减少最初的访问延迟。连接的问题,而不是需要一个调度请求上行格兰特(SR)过程,如图4。SR,周期性物理上行控制信道(PUCCH)被指定为每个问题;否则,问题必须执行随机接入过程。SR周期取决于网络负载;往往是长时期如果eNB有许多连接问题安排有限PUCCH SR。

老过程的细节,问题发送通过PUCCH SR, eNB分配一个上行BSR格兰特。问题报告当前的缓冲区状态使用BSR和接收数据的上行授权。这两个请求/响应程序BSR和数据采取8每个女士。平均而言,共有21到26女士花传输安全消息,假设SR周期是10毫秒左右。所花费的时间如果BSR或数据传输会失败(例如,8额外女士为每个传输)。例如,如果两个重发发生,共有42个女士是必要的。

连接问题允许安全消息的延迟交付的最后期限。然而,连接所有的问题与周期性SR PUCCH资源效率的可伸缩性和资源浪费;延误将会增加根据连接问题设置的数量。假设大约5%的分配PUCCH 5 MHz上行资源,17个问题设置可以有SR每个传输时间间隔(创科实业);每个电台块(RB)通常是由17个多路复用问题设置的PUCCH格式1老这样,共有170个连接问题设置支持10 ms SR时期。然而,eNB可能需要延长SR期限或增加PUCCH资源,自3 gpp LTE标准要求最少300问题设置没有不连续接收(DRX),根据(32),而传统的手持设备可能共存等问题。例如,600连接问题(例如,300辆和300年遗留问题)导致增加老段约50 ms,仍然有效,但可以是一个具有挑战性的价值如果传输故障。此外,每个问题的周期性SR PUCCH资源被浪费,如果没有数据发送。PUCCH考虑有限资源,另一种方法,同时应考虑降低延迟和开销。也总是连接车辆导致重大开销eNB由于频繁的交接手续。

我们提出一个geolocation-based共同持久渠道闲置或连接车辆LTE网络图中描述5。eNB分配上行资源定期共同持续的渠道,许多车辆安全消息直接发送到eNB竞争。这种常见的上行(CUL)通道允许跳过SR和BSR程序和上行资源浪费减少与他人分享上行资源。

在公共频道,不幸的是没有完全避免碰撞的机制,如wi - fi listen-before-talk。为了减少碰撞和资源浪费,因此持续的常见渠道可以分配根据地理位置,也就是说,一条道路段1 - 4,我们可以看到在图5。eNB可以根据车辆动态调度上行信道资源密度每航段。在图中,车辆的数量不同段的道路。因此,eNB可以分配更常见的渠道段1而不是别人。在实践中,eNB常见渠道模式可以配置使用周期和偏移值基于道路密度。

上面的方法有两个关键问题;首先,随机存取过程闲置问题仍然是必要的。其次,CUL渠道也可以浪费。因此,进行额外的geolocation-based随机存取空闲状态问题和避碰CUL频道。图6显示了我们的方案的详细过程。问题选择一个序言并发送它通过一个随机接入信道(瑞秋)(指出,R1-R4图5),eNB定期分配每段道路。只有问题接收的RAR eNB可以通过持续发送数据包的安全准备消息通道的道路段(指出,C1-C4图5)。RAR PDU包括多个RARs问题有限的传输块大小(TB)。目前,只有几个问题设置,例如,少于5问题设置,解决在同一RAR PDU。然而,车辆通信可以同时产生更多的RA程序。对于我们的方法,eNB必须为CUL前的RAR PDU分配足够的资源渠道。例如,假设最大结核病大小5 MHz (PRBs) 25日与MCS 1096位= 2和2 PDCCH符号,然后大约19 RARs可以在每个子帧(每个RAR 7字节包括标题)。因此,eNB可以发送超过50个rar使用3子帧之前CUL频道子帧。然而,问题可能得不到RAR由于RAR开销在RA爆炸。在这种情况下,当前的LTE系统推迟RA尝试一段时间使用补偿或块RA使用系统信息从某个范畴的问题。同样,我们的方法也推迟执行RA直到几个连续的瑞秋由于对延迟敏感车载通信的机会。

最后,我们的方法将在10 - 15女士从最初进入发送安全消息,根据时间表,持久的通道,也能适用于闲置问题。此外,eNB可以重新分配上行资源留给其他持久性上行通道上行通道如果没有序言出现在相应的瑞秋,这可以防止上行资源浪费。例如,如果没有序言中发现R2在图中,常见的通道可以重用C2上行传输的其他问题设置。

我们的方法需要精确的地理位置信息为细道路段分配无线资源,这是假设基本上得到一个精确的GPS接收器,但许多先进的定位技术,如众包V2V和航迹推算可以另外考虑。进一步提高定位技术可以提高资源调度的灵活性。

5.2。组通信应用程序服务器在移动计算边缘

当车辆发送连接消息的GCS EPC网络的消息必须通过EPC网络和外部网络如互联网达到GCS。此外,消息应该回到LTE网络分发给车辆使用多播成员。我们可以缩短长安全消息路由通过定位GCS接近问题,如图5。我们可以删除整个回程推迟,超过20 - 30 ms,如果我们把GCS eNB内部。移动边缘计算(MEC)最近,ETSI标准工作组,定义了可编程api为计算平台位于eNB或附近的细胞。MEC是适用于车载通信,因为它发生在一个特定的交通区域连接(例如,300)通常小于LTE细胞区域(例如,500 m - 1公里)。然而,从胞棱区域安全消息可能需要传送到相邻eNBs如果每个eNB都有一个单独的gc。层次GCS架构可以考虑这种情况下。

在当前的LTE网络,所有持有者一直在网关被终止。因此,组通信的网关控制路线不记名的GCS,基于策略的策略服务器一旦车辆组通信的应用程序创建一个组,使用SIP协议,HTTP,等等。

然而,在该架构,eNBs应该处理交通转向和QoS保证车辆安全通信。为此,LTE规范必须改变终止问题持有者在eNB相反MEC-based网关的应用程序/ gc等服务。另外,软件定义网络(SDN)技术可以应用在遗留LTE网络(33),MEC为交通提供北行的api直接转向建立端到端路径不记名的遗产LTE节点使用开关控制协议像OpenFlow34- - - - - -36]。因此,无线电持有者MEC路由到应用程序服务器的基于ip的路由,而不是GTP-based隧道。最近,许多研究大约5 g探索交通转向技术使用SDN支持交接和边缘云计算在一个平面无线接入和核心网络的体系结构。

5.3。基于单元的多播与地理数据

eMBMS有效改善下行可伸缩性,但不适合delay-critical机器对机器(M2M)组通信,如车辆安全通信。在人类群体沟通,派被称作“树迷”设置延迟关键任务的目的需要不到300毫秒。车载通信比人类组通信的动态加入或离开组。因此,多播会话收购组通信车辆应该执行速度比在当前的方法。因此,eMBMS配置和TMGI收购延迟应该降低。

简单的映射TMGI道路段,如图5,可以删除当前冗长集团建立过程分配TMGI eMBMS系统中的某一组。车辆可以推导出组TMGI相应的道路段(即基于地理位置信息。、GPS和地图数据)。所以我们的方法不需要组加入和离开程序由流动引起的。映射信息是由一个eNB使用无线资源控制(RRC)速度比SIB的消息,当车辆进入LTE细胞区域最初或交接。虽然该集团建立延迟可以忽略,但仍然是一个延迟获取eMBMS配置信息。使用车载通信eMBMS根据安全数据量可能代价高昂。之间切换使用eMBMS基于多个单播和多播数据也将信号在EPC网络开销。

多播使用物理下行共享信道(PDSCH)(即。,cell-based multicast) can be a more flexible and efficient alternative for vehicular group communication than the eMBMS because vehicular group communication area is not wide unlike conventional eMBMS service area; a single LTE eNB can cover the communication area. 3GPP studied recently this single-cell point-to-multipoint transmission [37]。eNB分配动态多播下行资源只有在必要的时候,而不是固定的下行eMBMS资源。通过正常PDSCH eNB发送多播数据与一群RNTI (G-RNTI),一个新的RNTI组通信。一旦问题得到PDCCH,他们首先descramble PDCCH区域与C-RNTI盲目搜索,以找到下行信道指配(即。、时间/频率资源)和MCS PDSCH的单播。之后,他们重复的过程G-RNTI找一个多播信道分配。之后,问题解码PDSCH与信道指配信息获得单播和多播数据包。因此,该细胞多播可以节省下行资源和删除组必备程序接收数据,如eMBMS配置和妇幼保健调度信息。

G-RNTI可以分配给每个道路段随着TMGI如图5。安全消息广播区域可能不是完全一样的道路。例如,高速公路道路段连续相比在曼哈顿网格。两段的广播区域可以部分在这种情况下。此外,车辆道路边缘的部分,甚至在曼哈顿,从第二段必须听安全消息。eNB可以使用所有多播安全消息邻近G-RNTIs贪婪的方式,但它会导致的开销。因此,GCS管理细胞区域内的道路拓扑结构和分配每个道路段组id。然后,GCS决定了广播区域组id,如图所示7。实际上,G-RNTI只知道eNB因为它是由eNB无线电连接层信息和改变的。因此,eNB给G-RNTI和TMGI映射信息问题使用RRC消息,如图7。每当GCS从车辆接收凸轮或连接,它决定在广播区域并发送相应的安全消息eNB TMGIs。使用G-RNTIs eNB的安全多播消息与TMGIs匹配。问题必须知道TMGIs / G-RNTIs用于接收安全消息根据其位置和道路拓扑信息由gc。拟议的过程需要一个初始延迟获取道路拓扑映射信息,只有3 - 6女士在连接模式问题可以接收eMBMS在空闲模式的配置信息。为了避免频繁的连接问题接收这些信息,可以配置组通信领域更广泛的与多个eNBs, TMGI / G-RNTI映射信息应当在GCS处理。

6。实现

实施基于道路的瑞秋和序言作业,车辆必须从网络获取道路拓扑信息。图8定期播放显示系统块信息从一个细胞,其中包括LTE系统信息与eNB沟通问题。我们建议添加道路拓扑信息,由GPS和公路段SIB的识别。因此,车辆识别道路段id一旦他们收到eNB SIB的消息。

另一个信息单元,如图9资源分配CUL和瑞秋根据道路段id。通过这两个兄弟姐妹,每辆车知道哪个频道用于发送安全消息。

在安全方面,用户持票人在遗留系统之间共享的私有密钥加密问题和网络,这是存储在用户订阅服务器和加密或几个完整性密钥推导等不同目的和协议层无线链路和网络层的私钥(38]。车辆通信需要保证可靠性的安全与网络安全信息传播。我们的方法主要考虑无线电连接安全问题方面的身份验证和消息完整性,而不是一个核心网络,因为问题不记名eNB内传递。连接车辆可以更新一个电台访问期间交接的关键。闲置的车辆必须使用一个网络密钥推导的关键在流动性管理实体(MME),导致网络流量eNB和居里夫人和关键收购之间的延迟。为了避免这个问题,长DRX已经讨论了矿渣MTC可以应用于保持清醒问题[39]。同时,eNB可以保持闲置问题,以减少试验的上下文查询安全的关键。安全仍有更多的挑战尤其是在空闲模式的汽车。我们将在以后的工作中重新审视这个问题。

7所示。评价

在本节中,我们研究LTE辅助连接和凸轮车载通信仿真和数值分析和讨论他们的可行性。

首先,我们评估连接应用程序之一,交叉碰撞风险预警(少数)在一个单一的LTE细胞在现实的交通。连接发生很少根据交通状况相比凸轮。估计数量的车辆为国际妇女研究中心附近的十字路口,我们首先进行初步实验使用交通模拟器,模拟城市流动(相扑)[40]。纽约曼哈顿,我们捕捉到现实的道路环境,使用OpenStreetMap (41)如图10 ()。图10 (b)显示了曼哈顿的一只老虎地图由单一宏观eNB覆盖面积与半径500米。有近180公路段与不同数量的车道和100十字路口。我们计算候选车辆国际妇女研究中心的数量和不同的多个随机旅行在多个车辆(即流动。、汽车从动件模型)从一个移动到另一个道路段的地图。

图(11日)显示了车辆的平均数目在5米从一个十字路口(报警区)不同交通生成时间。根据交通生成的时间,汽车的数量在欧元区略有不同但具有可比性。例如,总24辆500年代而15所示检测到车辆在100年代。

相比之下,到达率(用r)的车辆流动影响车辆密度明显比一代持续时间和数量的车辆进入流(用变量e),15辆,但超过50辆如图11 (b)在车辆到达每1或0.3 s和平均5车辆产生流动,同时进行。此外,车辆密度高度取决于大小的报警区,如图11 (c);区大小增加了密度更积极地尤其是在10米高到达率(80辆至140辆在30米)。

因此,车辆密度与到达率的车辆流动和车辆速度。考虑车辆的平均速度在曼哈顿(约9米/秒(32公里/小时),到达率可能是什么用e= 5或e= 10,如图12。假设报警区域设置为20米(第二个距离最高时速60公里/小时),可能需要大约120连接曼哈顿的平均车辆流(cf 140连接30米)。

在上面的例子中,eNB应提供每秒钟120瑞秋交集的机会报警,这不会引起重大的开销在LTE系统因为只有几个瑞秋的机会是需要在一个无线帧。换句话说,少数消息可以交付可能没有碰撞,如果宏观eNB只分配一个或两个指定瑞秋或上行苏格兰皇家银行每广播帧每段道路。虽然瑞秋是必要的十字路口完全避免碰撞,可以支持连接通常由于其低开销。

国际妇女研究中心等与一个事件驱动的消息,凸轮或定期连接传播通常是更具挑战性由于周期性的广播频率和数量的车辆发送消息。摄像头的数值分析,我们建立一个简单的模型处理访问在瑞秋或CUL渠道不同到达率的安全信息。如果车辆没有消息到达率的周期性安全消息排队,摄像头,消息到达,那里的指数分布,它可以有一个新的消息发送时间概率,,它实际上是一个数据包到达的概率在单位时间的时间窗口(例如,平均每个LTE的摄像头数量子帧)。

一些车辆安全消息队列中最后一次重传,如果他们失败。倒扣窗口,随机存取可以配置为避免碰撞的并发传输因为安全信息可以由多个车辆同时生成。在这种情况下,所有车辆积压将发送消息传输的概率。

在常见的上行数据通道,车辆的碰撞概率可以 在哪里的条件概率下,这表明传输节点的概率排队的数据包。

尽管同时序言传,eNB正交随机前言可以解码了。可用前言eNB状态是不同的;可能会有更少的前言仍为初始访问如果eNB储备很多前言指定的上行传输。如果前言可供的初始随机存取车辆,在SIB2信息广播消息,一个概率选择重复前言,,是

因此,成功的概率在瑞秋的访问派生的失败案例中选择相同的序言由多个问题设置,愿意把序言在下个瑞秋子帧。

找出我们的可行性方法,几种不同的方法来减少延迟从上行数据传输进行了比较。下面预期延迟每种方法都是不同的。延迟值每一步的上行传输如表所示1。实际数据传输延迟通过上行数据通道被忽略假设请求授予由eNB完全接受。此外,被认为是调查延迟CUL数据信道对传输的影响。(1)遗留上行访问延迟, 如果问题无法获得上行格兰特由于碰撞,它必须花更多的时间通过重复这些过程。为简单起见,CR失败并不是在这个分析处理。(2)数据传输在CUL数据通道在这种方法中,问题没有发送数据初始RA过程,因为他们是应该eNBs连接。因此,只有碰撞概率传输故障。 这个方案可以减少延迟的跳过程序数据传输,的一部分也可以省略,因为CUL渠道由eNB定期安排。相反,添加自取决于eNB CUL调度。(3)随机存取CUL,这种方法也是基于CUL像前一个,但它需要初始提前RA过程以减少传输碰撞CUL和适用于闲置问题。 (4)Geolocational道路基础为CUL随机存取(GeoRA),这是我们建议的方法,扩展了先前CUL RA道路使用地理定位信息。预计延迟是一样前面RA CUL方法在每个公路段。然而,比之前的长一倍数量的道路段因为车辆问题根据路段分布在多个瑞秋。换句话说,瑞秋时期我们的计划时间比前面的方法。

使用(1)- (5每种方法)和预期的延迟,我们模拟上行传输安全信息在一个简单的一个细胞与不同数量的LTE网络问题和瑞秋资源。图13显示了一个模拟路拓扑,包括30路段200米500米范围内城市LTE细胞覆盖范围和总300辆,均匀分布在道路段和发送安全消息。在此我们假设16为车载通信专用前言分配。

图14 (e)显示预期延迟发送消息到一个安全eNB与不同数量的车辆。这里我们假设瑞秋和持久的常见的上行信道分配,分别每10毫秒,也就是说,一副框架广播帧。根据安全消息的到达率,平均延迟成倍增加的方法,数据(16日)- - - - - -16 (d)。在图中,意味着每秒10凸轮被发送,是1凸轮每秒。凸轮的交付,,所有的方法不满足最后期限,为近300问题设置100 ms。但较低的安全消息到达率(即。,less than 0.001) like DENMs can be dealt with by most of approaches except GeoRA. In the GeoRA, a period of a dedicated RACH assigned to each road can be 10 ms × 30 since the RACH period is multiplied by number of road segments. Figure14 (e)显示了四种方法的比较。CUL通道数据传输会取得比别人更好,因为从别人碰撞小于延迟费用。

图15说明延迟的性能CUL CUL时期(即不同。、10、5和1 ms)。CUL频率分配影响平均延迟,如图(15日);平均延迟增加随着CUL期间增加。凸轮,但是,每个子帧的CUL应该超过300问题设置。(即5 MHz带宽。,25physical resource blocks (PRB)), overhead can be near 25% since 6 PRB is enough for the safety messages with lowest modulation, BPSK (2 kbit message size according to [42,43])。此外,近20倍CUL浪费可能发生一个安全消息传输,以防300问题的设置如图15 (b)。随机存取可以减少这种浪费的上行资源通过选择一个发射机和重新安排一个未使用的CUL资源其他问题设置。可以减少延迟的随机访问越来越多的瑞秋如下。

图16描述了平均延迟不同瑞秋的安全传输的机会。在LTE标准,瑞秋可以被指定一次广播帧(瑞秋= 10 ms),一半的广播帧(瑞秋= 5 ms),偶数或奇数子帧(瑞秋= 2 ms),等等。大多数情况下除了CUL显示延迟与更多的瑞秋机会减少;CUL方法不使用瑞秋。然而,截止日期无法满足安全要求的目的除了GeoRA与瑞秋在每个子帧。在图16 (e)指出,延迟与瑞秋= 2 CUL和CUL RA表现比GeoRA直到150年左右问题设置由于GeoRA需要延长瑞秋期可能很大一部分总延迟降低碰撞的情况。结果,GeoRA可以调整瑞秋的机会提高性能通过分配更多的瑞秋在密集的路段或简单的分组路段动态地根据车辆的总数。

图17描绘了平均延迟与不同群体规模的道路段每5 ms瑞秋。组的大小是一个数字被分配为每一个瑞秋的路段。因此,公路段组大小= 5达到最小延迟,70 ms相比其他组大小小于300问题设置。大型公路段集团可能遭受碰撞的瑞秋有较长的延迟,即使他们有更频繁的瑞秋的机会。由于细胞多播和GCS延迟不超过10 ms,车辆安全通信可以支持LTE网络。然而,更多的问题增加延迟等大型集团的图中可以看到17 (b)。例如,路= 5显示延迟超过路与瑞秋相同频率= 5 = 10,150年和200年女士800年问题设置,分别。说,瑞秋的频率比传输之间的碰撞更关键问题和大量的问题设置设置。同时,延迟之间的差距不同的瑞秋,2和5在同一组的大小,支持这一观点。

8。讨论

我们的方法仍有许多挑战,讨论在未来的工作。上行传输失败会导致额外的延迟,可能需要更多的瑞秋。否则,额外的机制可以考虑优先的随机存取车辆的重传。例如,可以指定专用的瑞秋或前言重发。

另一个问题是,瑞秋应该正常的人类共享的智能手机和平板电脑等设备和车辆在同一时间。是负担eNB车辆使用瑞秋在每一个其他的子帧。此外,它会导致减少RA普通用户的性能。因此,eNB必须控制一群大小道路段根据数量的问题设置,而不是增加使用瑞秋。

9。结论

它是一个有吸引力的全球部署LTE网络申请书;然而,LTE系统尚未完全调查的可行性为安全目的。尽管几个LTE系统特性目前用于关键任务组通信,但是对于车辆安全通信是不够的根据我们的分析。我们确定了其基于lte网络组通信延迟三个主要因素,并提出了相应的解决方案:基于地理定位道路随机访问持久性上行通道,GCS在移动云边缘,和基于地理位置的道路的细胞多播。

从我们的模拟和分析,我们得出结论,总可以少于80毫秒延迟合理开销的瑞秋和持续上行通道;上行访问耗时70毫秒,细胞多播大约需要5 ms、gc可能需要额外的5 ms处理延迟。因此,使用我们的增强功能可以支持LTE网络车辆安全通信。未来的工作将包括调查有效的上行信道调度动态更新道路拓扑和多个细胞广播快速移动的车辆。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了韩国国家研究基金会(NRF)由科技部,ICT和未来规划(2016 r1c1b1016084)。

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