Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 147-167.

Enabled by the recent advances in Wi-Fi, Fourth-generation/Long term evaluation (4G/LTE), Fifth-generation (5G) and Beyond 5G wireless communications, vehicle-to-everything communications (V2X) is attracting the attention as a solution to improve road safety and traffic management, and enhance the overall driving experience. V2X includes four main classes of communications: vehicle-to-vehicle (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I), vehicle-to-pedestrian devices (V2P), and vehicle-to-network (V2N). These communication classes facilitate use cases such as vehicle platooning, automated and remote driving, and extended sensors. Each use case has its communication requirements in terms of latency, reliability, and bandwidth, and relates differently to the surrounding environments in terms of the density of users and the coverage of the wireless networks. Therefore, the need for next-generation mobile vehicular networks (Fifth-Generation Vehicle to everything 5G V2X) is signified. 5G V2X has a lot of challenges such as quality of services, routing (broadcasting), resource allocation and others.
5G new radio (NR) operates in two modes: standalone (SA) and non-standalone (NSA). In addition, 5G V2X network is based on two main technologies: dedicated short-range communications (DSRC) and LTE, also referred to as cellular communications. DSRC is single/multiple short-range to medium-range wireless communication channels specifically designed for an automotive purpose. DSRC includes the IEEE 802.11p protocol that operates at the medium access control (MAC) and physical (PHY) layers. Upon collision, the IEEE 802.11p MAC layer applies a carrier sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA) mechanism that randomly selects a backoff time to re-check the channel activity and then retransmit. However, the random selection of the backoff time may lead to further packet collisions that decrease the utilization of the communication channel, which suffers from a limited bandwidth in the first place.
In NSA mode, LTE and 5G NR will cooperate to provide high data rates that meet the service requirements of V2X. On the one hand, LTE has high attenuation on highways, insufficient quality of service (QoS), and low resource-allocation behavior in V2V communications. Therefore, the delivery and management of beacon messages in highway scenarios require adaptive beamforming to convoy airframe packets (such as LTE) or handover messages. Airframe messages (beacons) convey the signal-to-noise ratio, attenuation degree, vehicle speed, and other information. However, as the information changes at millisecond rates, the validity of the information received at the user equipment (UE) or base station (gNodeB) is uncertain. Consequently, the stringent transmission frequency, latency, and throughput requirements of infotainment applications need to constrain the transmitting packets of 5G NSA V2X in highway scenarios.
In this thesis, a proposed fuzzy model has been used to handle the imprecision of broadcasting decisions in DSRC by fuzzy enhancement for IEEE 802.11p, also referred to as F-802.11p. F-802.11p has been tested and the derived results showed that, the model (F-802.11p) outperformed the standard IEEE 802.11p in vehicles’ MAC total busy time by 74%, PHY busy time by 78%, receiving WSMs and total lost packets by 76% and 74% respectively. Also, F-80211p has a significant effect on roadside unit (RSU) in all metrics (MAC busy time by 84%, PHY busy time by 86%, generated/received WSMs by 3% and 82% respectively, sent packets by 82%, total lost packets by 100%, times into backoff by 82% and slots backoff by 79%). Generally, F-802.11p improves the channel busy time (MAC and PHY busy time) in urban area.Also, a proposed adaptive model was used to adaptively handle the broadcasting decisions in highway 5G NSA V2X using Voice over Internet Protocol (VoIP). The adaptive model has been tested and the collected results showed that, the adaptive model outperformed the standard architecture of 5G NSA V2X in the radio link control (RLC) delay by (66% device to device (D2D), 29% uplink (UL), 25% downlink (DL)), the RLC Packet loss by (21%UL), hybrid automatic repeat request (HARQ) error rate by (9%D2D, 30%UL, 100%DL), signal to noise interference ratio (SINR) by (5%DL), gNodeB transmission state time by 29%, VoIP delay by 4%, and frame loss 90%. Therefore, depending on adaptive model instead of traditional architecture will enhance the 5G NSA V2X performance in highway.

إن التطورات الحديثة في الشبكات اللاسلكية (WiFi) وشبكات الجيل الرابع /الهوائي بعيد المدي (4G/LTE) وشبكات الجيل الخامس وما بعدها ، تجذب الانتباه إلى اتصالات المركبة إلى كل شيء (V2X) كحل لتحسين السلامة على الطرق و إدارة حركة المرور ، وتعزيز خبرات القيادة الذاتية. تتضمن اتصالات السيارة إلى كل شيء أربع فئات رئيسية : اتصالات مركبة إلى مركبة (V2V) ، اتصالات مركبة إلى البنية التحتية (V2I) ، اتصالات مركبة إلى المشاة (V2P) ، واتصالات مركبة إلى شبكة (V2N) . هذه الفئات المختلفة من الاتصالات تسهل حالات الاستخدام مثل قيادة فصائل المركبات و القيادة الاَلية والبعيدة واجهزة الاستشعار الممتدة. تتطلب كل حالة استخدام متطلبات تعتمد على زمن الوصول و الموثوقية وعرض النطاق الترددي، ولتحقيق تلك المتطلبات فإنها تعتمد على كثافة المركبات و التغطية اللاسلكية للشبكات فى كل بيئة. لذا؛ فإن الحاجة إلى اتصالات المركبة إلى كل شيء من الجيل التالى (5G V2X) تتزايد. ولكن هذه الاتصالات تواجه الكثير من التحديات مثل جودة الخدمة والتوجيه وتخصيص الموارد وغيرها.
تعمل الموجة الجديدة الجيل الخامس (5G NR) من الاتصالات فى أحد الوضعين ، إما مستقل ويشار إليه (SA) أو غير مستقل ويشار إليه (NSA) . بالإضافة إلى هذه الاتصالات تعتمد على تقنيتين رئيسيتين هما الاتصالات قصيرة المدي ويشار إليها (DSRC) و الهوائي بعيد المدي ويشار إليها (LTE) والتى يشار إليها ايضا باسم الاتصالات الخلوية. الاتصالات قصيرة المدي (DSRC) تحتوي على قنوات اتصال لاسلكية أحاديه/متعددة قصيرة إلى متوسطة المدي صممت خصيصا لاتصالات المركبات. وتشتمل الاتصالات قصيرة المدي فى تصميمها على برتوكول IEEE 802.11p ، الذى يعمل فى كلا من طابق تحكم الوصول بالوسط (MAC layer) و الطابق المادي (PHY layer). عندما تقوم المركبة بارسال حزمة من البيانات إما يتم إرسالها أو تصطدم بإخرى فى الوسط. عند الاصطدام يقوم برتوكول IEEE 802.11p بتطبيق خوارزمة اَلية الوصول المتعدد / تجنب الاصطدام (CSMA/CA) وتحدد زمن الانتظار عشوائيا لإعادة استشعار الوسط. ومع هذا فإن الإختيار العشوائي لزمن الانتظار قد يؤدي إلى مزيد من تصادمات الحزم التى تزيد من حدة احتقان سعة قناة الاتصال والتى تعانى من عرض نطاق ترددي محدود فى المقام الأول.
الهوائي بعيد المدي سيتعاون مع الموجة الجديدة فى وضعية غير مستقل (NSA) فى شبكات الجيل الخامس. ولكن الهوائي بعيد المدي يمتاز بتوهين للإشارة على الطرق السريعة ، عدم القدرة على تلبية احتياجات جودة الخدمة ، وكذلك ضعف فى تخصيص موارد الاتصالات فى شبكة مركبة إلى مركبة. لذلك ، يتطلب تسليم وإدارة الرسائل التكرارية (Beacon messages) فى سيناريوهات الطرق السريعة القدرة على التكييف اثناء التشكيل والاستلام. وتحتوي الرسائل التكرارية – ايضا يشار إليها على انها Airframe – على معلومات مثل نشبة الإشارة إلى الضوضاء ، درجة التوهين للإشارة ، سرعة السيارة وغيرها. وحيث أن تلك المعلومات تتغير بمعدلات تصل إلى جزء من الثانية ، فإن صحة المعلومات المستقبلة بأجهزة المستخدم (UE) أو المحطة الأساسية (gNodeB) غير مؤكدة. وبالتالى ، فإن متطلبات خدمات الترفيه (Infotainment services) من زمن محدد للإستجابة و الإنتاجية وتردد الإرسال تحتاج إلى إلى تقييد حزم الإرسال فى وضعية غير مستقل (NSA) فى سيناريوهات الطرق السريعة.
فى هذا البحث، تم استخدام نموذج فازى لإستغلال عدم الدقة فى قرارات الإرسال (broadcasting) فى الإتصالات قصيرة المدي (DSRC) من خلال التحسين الفازي لبرتوكول IEEE 802.11p ، ويشار إلى هذا النموذج باسم F-802.11 p. وأظهرت نتائج الاختبارات تفوق النموذج المستخدم F-802.11p على البترتوكول القياسي IEEE 802.11p فى التالى :
- وقت انشغال طبقة MAC الخاص بالمركبات بنسبة 74٪
- وقت انشغال طبقة PHY بنسبة 78٪
- عدد رسائل الموجة القصيرة المستلمة (received Wave Short Messages) بنسبة 76٪
- إجمالي الحزم المفقودة بنسبة 74٪
- كذلك النموذج المستخدم ذات تأثير كبير على وحدات الطرق الجانبية (Road side unit) في جميع المقاييس (وقت انشغال MAC بنسبة 84٪ ، ووقت انشغال PHY بنسبة 86٪ ، عدد حزم المنتجة/المستقبلة لـ WSM بنسبة 3٪ و 82٪ على التوالي ، والحزم المرسلة بنسبة 82٪ ، وإجمالي الحزم المفقودة بواسطة 100٪ ، مرات التراجع بنسبة 82٪ والتراجع بنسبة 79٪).
بشكل عام ، يعمل F-802.11p على تحسين وقت انشغال القناة (وقت انشغال MAC و PHY) في المناطق الحضرية.
أيضًا ، تم استخدام نموذج تكيفي مقترح للتعامل بشكل متكيف مع قرارات الإرسال (broadcasting) في الطريق السريع فى وضعية غير مستقل لشبكات الجيل الخامس فى وجود نوع الحزم من الصوت عبر الإنترنت (VoIP). تم اختبار النموذج التكيفي وأظهرت النتائج التي تم جمعها أن النموذج التكيفي تفوق في الأداء على وضعية الغير مستقل لشبكات الجيل الخامس القياسية فيما يلى:
- التأخير فى تحكم الارتباط اللاسلكي (Radio link control delay) (RLC) بنسبة (66٪ جهاز إلى جهاز (D2D) ، 29٪ اتجاه الإرسال (UL) ، 25٪ اتجاه الاستقبال (DL)).
- الحزم المفقودة فى تحكم الارتباط اللاسلكي (RLC packet loss) بنسبة (21٪ UL).
- معدل خطأ طلب التكرار التلقائي الهجين (HARQ) بنسبة (9٪ D2D ، 30٪ UL ، 100٪ DL).
- نسبة تداخل الإشارة إلى الضوضاء (SINR) ) بنسبة (5٪ DL) .
- إحصائيات وقت الارسال لـ gNodeB بنسبة 29٪ .
- تأخير حزم الصوت فى VoIP بنسبة 4٪ .
- الحزم المفقودة فى VoIP بنسبة 90٪.
لذلك ، اعتمادًا على النموذج التكيفي عوضاً عن الشكل القياسي ، سيعزز أداء شبكات الجيل الخامس فى نمط غير مستقل مركبة إلى كل شيء(5G NSA V2X) فى الطرق السريعة.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.