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MAC Layer Strategies for Cellular Sidelink Performance Enhancements
셀룰러 사이드링크 성능 향상을 위한 상위계층 기법

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Authors
윤호영
Advisor
박세웅
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
LTENRdevice-to-device communicationsvehicle-to-vehicle communicationsfeedback mechanismcongestion controlin-device coexistencereinforcement learning
Description
학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2020. 8. 박세웅.
Abstract
In typical cellular communications, User Equipments (UEs) have always had to go through a Base Station (BS) to communicate with each other, e.g., a UE transmits a packet to a BS via uplink and then the BS transmits the packet to another UE via downlink. Although the communication method can serve UEs efficiently, the communication method can cause latency problems and overload problems in BS. Thus, sidelink has been proposed to overcome these problems in 3GPP release 12. Through sidelink, UEs can communicate directly with each other.

There are two representative communications using sidelink, i.e., Device-to-Device (D2D) communication and Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication. In this dissertation, we consider three strategies to enhance the performances of D2D and V2V communications:
(i) efficient feedback mechanism for D2D communications,
(ii) context-aware congestion control scheme for V2V communication,
and (iii) In-Device Coexistence (IDC)-aware LTE and NR sidelink resource allocation scheme.

Firstly, in the related standard, there is no feedback mechanism for D2D communication because D2D communications only support broadcast-type communications. A feedback mechanism is presented for D2D communications.
Through our proposed mechanism, UEs can use the feedback mechanism without the help of BS and UEs do not need additional signals to allocate feedback resources. We also propose a rate adaptation algorithm, which consider in-band emission problem, on top of the proposed feedback mechanism.
We find that our rate adaptation achieves higher and stable throughput compared with the legacy scheme that complies to the standard.

Secondly, we propose a context-aware congestion control scheme for LTE-V2V communication. Through LTE-V2V communication, UEs transmit Cooperative Awareness Message (CAM), which is a periodic message, and Decentralized Environmental Notification Message (DENM), which is a event-driven message and allows one-hop relay. The above two messages have different characteristics and generation rule. Thus, it is difficult and inefficient to apply the same congestion control scheme to two messages. We propose a congestion control schemes for each message. Through the proposed congestion control schemes, UEs decide whether to transmit according to their situation. Through simulation results, we show that our proposed schemes outperform comparison schemes as well as the legacy scheme.

Finally, we propose a NR sidelink resource allocation scheme based on multi-agent reinforcement learning, which awares a IDC problem between LTE and NR in Intelligent Transport System (ITS) band.
First, we model a realistic IDC interference based on spectrum emission mask specified at the standard. Then, we formulate the resource allocation as a multi-agent reinforcement learning with fingerprint method. Each UE achieves its local observation and rewards, and learns its policy to increase its rewards through updating Q-network. Through simulation results, we observe that the proposed resource allocation scheme further improves Packet Delivery Ratio (PDR) performances compared to the legacy scheme.
전형적인 셀룰러 통신에서는, 단말들은 서로 통신하기 위해 항상 기지국을 거쳐야 한다. 예를 들면, 단말이 uplink를 통해 기지국에게 패킷을 전송한 다음 기지국은 downlink를 통해 해당 패킷을 전송해준다. 이러한 통신방식은 단말들에게 효율적으로 서비스를 제공할 수 있지만, 상황에 따라서는 지연문제와 기지국의 과부하 문제를 야기할 수 있다. 따라서 3GPP release12에서 이러한 문제점들을 극복하기 위해 sidelink가 제안되었다. 덕분에 단말들은 sidelink를 통해서 서로 직접 통신을 할 수 있게 되었다.

Sidelink를 사용하는 두 가지 대표적인 통신은 D2D(Device-to-Device) 통신과 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 통신이다. 본 논문에서는 D2D 와 V2V 통신 성능을 향상시키기 위한 세가지 전략을 고려한다. (i) D2D 통신을 위한 효율적인 피드백 메커니즘, (ii) V2V 통신을 위한 상황인식기반 혼잡제어 기법, 그리고 (iii) IDC(In-Device Coexistence) 인지 기반 sidelink 자원 할당 방식.

첫째, 관련 표준에는 D2D 통신이 브로드캐스트 유형의 통신만을 지원하기 때문에 D2D 통신에 대한 피드백 메커니즘이 없다. 우리는 이러한 한계점을 극복하고자 D2D 통신을 위한 피드백 메커니즘을 제안한다. 제안된 메커니즘을 통해, 단말은 기지국의 도움없이 피드백 메커니즘을 사용할 수 있으며 피드백 자원을 할당하기 위한 추가 신호를 필요로 하지 않는다. 우리는 또한 제안된 피드백 메커니즘위에서 동작할 수 있는 data rate 조절 기법을 제안하였다. 우리는 시뮬레이션 결과를 통하여, 제안한 data rate 조절 기법이 기존 방식보다 더 높고 안정적인 수율을 제공하는 것을 확인하였다.

둘째, LTE-V2V 통신을 위한 상황 인지 기반 혼잡 제어 기법을 제안한다. LTE-V2V 통신에서 단말들은 주기적인 메시지인 CAM(Cooperative Awareness Message) 및 비주기적 메시지이며 one-hop릴레이를 허용하는 DENM(Decentralized Environmental Notification Message)를 전송한다. 위의 두 메시지는 특성과 생성 규칙이 다르기 때문에 동일한 혼잡 제어 기법을 적용하는 것은 비효율적이다. 따라서 우리는 각 메시지에 적용할 수 있는 혼잡 제어 기법들을 제안한다. 제안된 기법들을 통해서 단말들은 그들의 상황에 따라서 전송 여부를 결정하게 된다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 기법이 기존 표준 방식 뿐만 아니라 최신의 비교 기법들보다 우수한 성능을 얻는 것을 확인하였다.

마지막으로 ITS(Intelligent Transport System)대역에서 LTE와 NR사이의 IDC문제를 고려하는 NR sidelink 자원할당 기법을 제안한다. 먼저, 표준에 지정된 스펙트럼 방출 마스크를 기반으로 현실적인 IDC 간섭을 모델링한다. 그런 다음 다중 에이전트 강화학습으로 자원할당 기법을 제안한다. 각 단말들은 자신들의 주변 환경을 관측하고 관측된 환경을 기반으로 행동하여 보상을 얻고 Q-network을 자신의 보상을 증가시키도록 정책을 업데이트 및 학습한다. 우리는 시뮬레이션 결과를 통하여 제안된 자원할당 박식이 기존기법 대비하여 PDR(Packet Delivery Ratio) 성능을 향상시키는 것을 확인하였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/169250

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000162929
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Electrical and Computer Engineering (전기·정보공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._전기·정보공학부)
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