Vers une Communication Directe et Fiable en Sidelink 5G-NR

Towards Dependable 5G-NR Sidelink Direct Communication

• Auteur / Autrice : Jin Yan
• Direction : Jérôme Härri
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM
• Jury : Président / Présidente : Adlen Ksentini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Härri, Yasser Fallah, Meng Wang, Alexey Vinel, Claudia Campolo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexey Vinel, Claudia Campolo

Mots clés

Mots clés libres

5g

Sidelink

Slicing

Urllc

Résumé

Les réseaux 5G sont attendus comme un changement de paradigme pour transformer l'infrastructure de communication. Au cœur de la 5G-NR, l'objectif est de fournir des services réseau robustes et fiables adaptés à des demandes opérationnelles diversifiées. Un aspect crucial de cette avancée est le développement de la communication directe de dispositif à dispositif (D2D), appelée Sidelink dans les normes 5G-NR par le 3GPP. Cette technologie est essentielle, améliorant considérablement le soutien pour des services complexes tels que l'IoT et les systèmes de conduite autonome, pour l'échange d'informations fiable et en temps réel parmi des dispositifs intelligents distribués, de manière ad hoc, sous-tendant ainsi la prochaine phase de développement du réseau. Malgré le potentiel du Sidelink, la recherche sur des services URLLC fiables, en particulier pour des applications sensibles aux délais et à haute fiabilité, reste rare. Cette thèse aborde une lacune significative dans la communication D2D directe en reconfigurant le Sidelink 5G-NR, en particulier pour les communications Vehicle-to-Everything (V2X). Nous modifions initialement les paramètres standards pour répondre aux demandes opérationnelles diverses au sein des communications V2X. Grâce aux ajustements de paramètres clés—numérologie, schéma de modulation et de codage (MCS), et planification de la couche MAC— notre configuration satisfait aux exigences strictes URLLC, démontrant le potentiel dans une communication Sidelink V2X à la bande de 5,9 GHz. Malgré ce système nouvellement conçu soutenant les services URLLC dans le domaine V2X, les normes et les exigences industrielles dictent que de nombreux services continuent de fonctionner sur des paramètres standard, avec des services supplémentaires nécessitant potentiellement différents types de réglages. Pour accommoder ces multiples services dans les ressources limitées disponibles à la bande V2X de 5,9 GHz, nous proposons une nouvelle architecture basée sur le découpage en tranches réseau. Cette architecture est conçue pour supporter simultanément plusieurs services, utilisant une variété de réglages de paramètres dynamiques directement sur le lien Sidelink PC5. En segmentant les ressources réseau en tranches protégées, chacune adaptée aux besoins de service spécifiques, notre système maintient l'intégrité du service et évite les interférences. Le standard des Services de Proximité (ProSe) joue un rôle pivot dans cette configuration, permettant une gestion systématique de groupe pour différents scénarios de service. Cette approche facilite la gestion des réglages de paramètres standard et modifiés à travers différentes tranches de service, favorisant la flexibilité et l'efficacité. De plus, nous appliquons ces concepts à des applications réelles telles que le platooning véhiculaire pour évaluer les avantages tangibles des services URLLC. Les résultats des simulations indiquent des améliorations significatives dans les métriques de mobilité telles que la stabilité et les temps de réponse lorsque une tranche de service URLLC est allouée à des véhicules en platoon. Cette étude propose non seulement une nouvelle architecture pour le découpage en tranches basé sur le Sidelink, mais avance également notre compréhension de l'intégration des services URLLC dans la communication Sidelink 5G-NR directe. Elle pose les bases pour des recherches futures visant à optimiser et mettre en œuvre pratiquement des stratégies avancées de découpage en tranches réseau et de services URLLC dans des environnements de communication diversifiés.

5G networks are anticipated to mark a paradigm shift to transform communication infrastructure, at the heart of 5G-NR, the aim to deliver robust and dependable network services tailored to diverse operational demands. A crucial aspect of this advancement is the development of direct Device-to-Device (D2D) communication, termed Sidelink, PC5 link in the 5G-NR standards by 3GPP. This technology is essential, significantly enhancing the support for complex services such as IoT and autonomous driving systems. for the real-time, reliable exchange of information among distributed intelligent devices, in an ad-hoc manner, this underpins the next phase of network development. Despite the potential of Sidelink, research into dependable URLLC ervices, especially for delay-sensitive and high-reliability applications, remains scarce. This thesis addresses a significant gap in direct D2D communication by reconfiguring the 5G-NR Sidelink, particularly for Vehicle-to-Everything (V2X) communications. We initially alter standard parameter settings to accommodate diverse operational demands within V2X communications. Through adjustments to key parameters—numerology, Modulation and Coding Scheme (MCS), and MAC layer scheduling—our configuration meets stringent URLLC requirements, demonstrating the potential in a V2X Sidelink communication at the 5.9 GHz band. Despite this newly designed system supporting URLLC services in the V2X domain, standards and industrial requirements dictate that numerous services continue to operate over standard parameter settings, with additional services potentially necessitating different types of settings. To accommodate these multiple services within the limited resources available at the V2X 5.9 GHz band, we propose a novel architecture based on network slicing. This architecture is designed to support multiple services simultaneously, employing a variety of dynamic parameter settings directly over the Sidelink PC5 link. By segmenting network resources into protected slices, each tailored to specific service needs, our system maintains service integrity and prevents interference. The Proximity Services (ProSe) standard plays a pivotal role in this configuration, enabling systematic group management for different service scenarios. This approach facilitates the management of both standard and altered parameter settings across different service slices, promoting flexibility and efficiency. Furthermore, we apply these concepts to real-world applications such as vehicular platooning to assess the tangible benefits of URLLC services. Simulation results indicate significant improvements in mobility metrics such as stability and response times when a URLLC service slice is allocated to platoon vehicles. This study not only proposes a novel architecture for sidelink-based network slicing but also advances our understanding of integrating URLLC services into direct 5G-NR Sidelink communication. It lays the groundwork for future research aimed at optimizing and practically implementing advanced network slicing and URLLC strategies in diverse communication environments.