高信頼C-V2X車車間通信技術

電気通信大学 大学院情報理工学研究科
准教授 湯 素華
2023年5月11日

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背景：車車間通信[1]• IEEE、802.11p -> IEEE 802.11bd、CSMA技術、毎回送信するとき、チャネルをアクセスするために、競い合う• 3GPP C-V2X、送信する前にリソースを予約

無線車両通信インフラありブロードキャスト
FM ラジオ,
VICS…

インフラなし

セルラー

短距離

GSM

UMTS

LTE

LTE-A

2G

3G

4G

5G

C-V2X

ミリ波,
Infrared,VLC

802.15.1
Bluetooth中距離

802.15.4
ZigBeeC-V2X
Sidelink

802.11p
DSRC /WAVE

VANET/IVC[1] Dar, K. et al., "Wireless Communication Technologies for ITS Applications," IEEE Communications Magazine, vol. 48 (5),pp. 156-162, May 20102

従来技術：C-V2Xサイドリンク（3GPP Release 14[1]）• サイドリンクでは、パケット送信のためにリソースを利用• Mode 3： パケット送信用リソースを基地局が管理• Mode 4： 各車両がSPS方式による自律分散制御でリソース選択

Mode 3Mode 4

Uplink (UL)
Downlink (UL)
Sidelink (SL)

基地局(eNodeB)

リソースの割り当て
DL

SL

SL
UL
SL

自律分散的にリソース選択
SL

3GPP Release 16[2] (Mode 1, Mode 2に相当)[1] 3GPP TR 21.914 (V14.0.0), “The 3GPP Summary of Rel-14 Work Items,” May 2018.
[2] 3GPP TR 21.916 (V0.5.0), “The 3GPP Summary of Rel-16 Work Items,” July 2020.

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従来技術：サイドリンクにおけるSPS方式• サイドリンクで自律的なリソース割り当てを行うスケジューラ• 無線リソースを自律分散制御で割り当てるスケジューラ– 周期的送信向け
SPS：半永続的スケジューリング
OFDMA：直交周波数分割多元接続

PSSCH（データ）
周波数

PSCCH（制御）UE1

Subframe (1ms)…

UE1Subchannel

…

…

…

…

…

…

…

基地局カバレッジ内外に依らず直接通信可能なサイドリンク Mode 4に着目
…

1RB
時間
4従来技術：サイドリンクにおけるSPS方式[1]
無線リソースを自律分散制御で割り当てるスケジューラ
𝐸𝐸4,𝑡𝑡 =サブチャネル 𝑓𝑓

101
� RSSI4,𝑡𝑡−𝑖𝑖�100
10𝑖𝑖=1

センシングウィンドウ
選択ウィンドウ

再選択候補リソース
1) 平均RSSIが閾値以下
2) 他車両の予約がない

𝐸𝐸4,𝑡𝑡⋯𝑡𝑡 − 1000

RC = 9𝑡𝑡 − 900⋯① チャネルセンシング

RC = 8⋯⋯𝑡𝑡 − 100

RC = 0𝐸𝐸3,𝑡𝑡

⋯

𝐸𝐸2,𝑡𝑡

確率1 − 𝑃𝑃

𝐸𝐸1,𝑡𝑡再選択確率𝑃𝑃𝑡𝑡

前回選択リソース

再選択リソース

𝑡𝑡 + 𝑇𝑇1② 再選択候補の特定

𝑡𝑡 + 𝑇𝑇2

サブフレーム 𝑡𝑡③ リソース再選択[1] A. Nabil, K. Kaur, C. Dietrich and V. Marojevic, "Performance Analysis of Sensing-Based Semi-Persistent Scheduling in C-V2X Networks,"
2018 IEEE 88th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Chicago, IL, USA, 2018, pp. 1-5, doi: 10.1109/VTCFall.2018.8690600.

5従来技術：SPSの問題点• 課題①：スケジューリングによる遅延時間の増大• 課題②：同一リソース選択による持続的なパケット衝突• 課題③：異なる送信周期への対応③車両によって送信周期が変わる

センシングウィンドウ

周波数

センシング
1000ms

選択ウィンドウ

次回送信用のリソース予約× × ×

パケット送信サブチャネル②持続的なパケット衝突
時間①スケジューリング遅延6

従来技術：2段階自律無線リソース選択法[1][1] T. Maruko, S. Yasukawa, R. Kudo, S. Nagata, and M. Iwamura, “PacketCollision Reduction Scheme for LTE V2X Sidelink Communications,”
Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), August 2018.

サブチャネル 𝑓𝑓

センシングウィンドウ

選択ウィンドウ③仮予約の衝突があれば別に再選択⋯

RC = 9⋯RC = 8⋯⋯RC = 0⋯

前回選択リソース（仮）予約リソース

𝑡𝑡 − 140

𝑡𝑡 − 120

𝑡𝑡 − 100𝑡𝑡① 事前にリソースを仮予約（RC = 0）

𝑡𝑡 + 𝑇𝑇1

𝑡𝑡 + 𝑇𝑇2

サブフレーム 𝑇𝑇② 仮予約の衝突がなければ本予約〇 再選択時の衝突を削減し、受信率の向上が見込める× フォーマット変更が必要なため、SPSとの互換性が保てない
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従来技術：異なる周期に対応した衝突確率の削減手法（Preclude）[2]サブチャネルサブチャネルサブチャネル

最小公倍数内で使用予定のリソース

選択ウィンドウ内で使用予定のリソース予約されたリソース※自車両の送信周期を10ms
他車両の周期を2msとする

近接車両
自車両
01234 リソース番号

Strategy 1 (default SPS)

01

2

34 リソース番号

Strategy 2

 将来使用予定のリソースを事前に候補から除外する〇 SPSとの互換性があり、オーバーヘッドがない
× リソース毎の干渉量が考慮されていない

01

234 リソース番号

Strategy 3[2] T. H. Lee and C. F. Lin, “Reducing
Collision Probability in Sensing-BasedSPS Algorithm for V2X Sidelink
Communications,” IEEE REGION 10CONFERENCE (TENCON), November
2020, pp. 303-308.

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SPS方式における送信衝突
同時送信による衝突
Tx

Rx

Tx

隠れ端末による衝突
Tx

通信範囲外

①

Rx

Tx

Tx

①②

通信不可能

障害物
通信範囲内

Rx

通信範囲内

②

Tx

通信範囲内

地理的制約（見通し内）

物理的制約（見通し外）

9キャプチャ効果 (Capture Effect[1])物理層でのシグナル検知時のSINR（復号可能性）に関する特性
距離毎の信号対干渉雑音比(SINR)

受信車両
(Rx)

𝑃𝑃1

Rxから遠い

𝑃𝑃2

𝑃𝑃3

Rxに近い

Rxとの距離距離が近い程復号の可能性が高い

信号対干渉雑音比(SINR)

同一リソースでパケットを送信

𝑃𝑃3

𝑃𝑃2

𝑃𝑃1

距離

パケット衝突が発生しても近距離程復号の可能性が高い[1] Jae Hyun Kim and Jong Kyu Lee, "Capture effects of wireless CSMA/CA protocols in Rayleigh and shadow fadingchannels," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 48, no. 4, pp. 1277-1286, July 1999, doi: 10.1109/25.775376.
10干渉領域・干渉車両
干渉領域
近接車両
自車両

干渉車両

• 700MHzの車車間通信で、位置情報が共有されるとする• 共通の位置情報を基に5.9GHzのV2X通信のリソース割り当てを行う

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新技術：IPMI方式[1]1. 追加情報によるオーバーヘッドの解決、
2. 近距離での性能改善
同一リソースを選択したときに発生する干渉車両（パケット衝突）を推測

リソース𝑟𝑟を選ぶ際

干渉車両

リソース𝑟𝑟の代表

自車両
近接車両A
リソース𝑟𝑟を使用

パケット内の位置情報から現在位置を推測

近接車両B
リソース𝑟𝑟を使用

近接車両毎にパケット衝突が発生する干渉車両数を推測[1] Y. Segawa, S. Tang, T. Ueno, T. Ogishi, and S. Obana, “Improving Performance of C-V2X Sidelink by Interference
Prediction and Multi-Interval Extension,” IEEE Access, vol. 10, pp. 42518-42528, 2022.

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新技術：IPMI方式
3．異なる送信周期の考慮
将来使用予定のリソースを考慮して干渉車両と距離情報を推測
選択ウィンドウ（20ms）

送信周期は20ms
自車両の候補リソース

衝突無し
リソース番号（時間）010

203040

A: 50ms, 距離=32m

5060

70

80

90

100
近接車両Aの使用リソース

B: 100ms, 距離=108m
近接車両Bの使用リソース

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新技術：IPMI方式
3．異なる送信周期の考慮
将来使用予定のリソースを考慮して干渉車両と距離情報を推測
選択ウィンドウ（20ms）
1回目

送信周期は20ms
2回目

3回目

4回目

5回目

自車両の候補リソース

衝突無し
衝突衝突
010

203040

A: 50ms, 距離=32m

5060

70

リソース番号（時間）

80

90

100
近接車両Aの使用リソース

B: 100ms, 距離=108m
近接車両Bの使用リソース

1. 将来衝突するリソースの情報に更新（近距離車両を優先）
2. 干渉車両数が最小かつ距離が最大のリソースを選択
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新技術・従来技術の比較• 従来技術（SPS）の問題点であった、送信衝突問題を緩和することに成功した。
• 位置情報を利用してスケジューリングを行うため、追加情報によるオーバーヘッドが発生しない。
• 異なる送信周期を持つ車両の混在を考慮し、高い信頼性を維持する。
• SPSとの後方互換性があるため、部分的に運用する場合でも十分な可用性がある 。

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シミュレーション環境・条件 (3GPP Urbanモデル)

項目値

シナリオサイズ1299×750m

車線数

片側2車線 (合計4車線)

車両台数60km/h: 147台, 15km/h: 591台

車両速度

15 or 60km/h (固定)

通信範囲

150m

適用割合

100% (デフォルト)16

比較方式における主要機能の比較

評価項目
 パケット受信率 (PRR) =復号に成功したパケット数
車両が物理層で検知したパケットシグナル数

17新技術・従来技術の比較
信頼性の評価 (Urbanモデル)

可用性の評価 (Urbanモデル)
IPMI

60km/h

15km/h受信率(PRR)

遠距離だけでなく近距離でも大きく信頼性を改善

SPS

受信率 (60km/h)

適用割合に関係なくSPSよりもIPMIの方が高い受信率を維持18想定される用途• 車車間直接通信• 本技術の特徴を生かして、衝突率を低減するメリットが大きいと考えられる。
• 上記以外に、部分車両のみ本技術を導入する初期運用段階でも効果が期待される。
• 他にVoIPや、ロボット間の無線通信などにも、本技術が使える。
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実用化に向けた課題• 700MHzの車車間通信により、全ての車両が同じ位置情報を共有できるとしたが、パケットロスへの対応が必要• 送信衝突とスケジューリング遅延の二つの課題があったが、今回主に送信衝突を対象とした、遅延への対応が必要• 一定の受信率を維持するために、車両数が増え、チャネル混雑になる場合、送信周期の制御も必要

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企業への期待• リソース選択時、受信率と遅延のトレードオフが必要であり、受信率を一定値以上に維持しながら、遅延の削減が可能と考えている。
• 車車間通信テストベッドを持つ、企業との共同研究を希望。
• また、V2X車載通信機を開発中の企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：車載装置、通信方法および車載装置プログ
ラム• 出願番号 ：特願2022-029178• 出願人：電気通信大学• 発明者：瀬川 洋介、湯 素華、小花 貞夫

22産学連携の経歴• 2015年-2021年 KDDI総研と共同研究実施

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お問い合わせ先
国立大学法人電気通信大学
産学官連携センター
産学官連携ワンストップサービス
TEL 042-443-5871
FAX 042-443-5725
E-mail onestop@sangaku.uec.ac.jp
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