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电子工程代写|数字信号处理代写Digital Signal Processing代考|Medium Access Control (MAC) Protocol Design
Medium Access Control (MAC) layer design has been extensively studied in the context of DSRC and 4G-LTE, while only a limited amount of literature has investigated solutions for other types of radios that are expected to be available in next-generation automotive systems. Conventional MAC solutions are suitable for situations in which the velocity/position of the vehicles can be accurately predicted. However, this may not be the case for V2X communication systems operating at high frequencies, mainly due to the intrinsic variability of the channel. Moreover, most recent solutions lack consideration of some important KPIs like reliability and delay. In particular, mmWave radio links require new schemes to enable vehicles and infrastructures to quickly determine the best directions to establish directional links. This functionality can be hardly supported by traditional communication protocols, which are often significantly affected by the high speed of the nodes and by the presence of frequent blockages on the propagation path.
The above discussion makes apparent the need for innovative MAC protocol design, specifically tailored to future vehicular networks, as represented in Fig. 2 . This objective can be achieved by enabling multi-connectivity, thus coupling a highfrequency data plane with a lower frequency control plane, to support the required rates, while increasing the robustness of the communication [9].
The authors in [5] present a beam prediction technique based on periodical speed and position information exchanged among network nodes through DSRC messages. Using the acquired information, the system is then able to estimate the vehicle’s trajectory and derive the optimal beam orientation accordingly.
Beam design optimization is also being considered as a solution to maximize the data rate [32]. Results are consistent with the intuition that narrower beams should be used for users near the cell edge, where coverage is weaker.
In [8], a location-aided beamforming strategy is proposed to achieve ultrafast connectivity between nodes. In particular, adaptive channel estimation based on location information allows the estimation time to be substantially reduced.
Efficient beam alignment schemes can also be designed by extracting information from radar signals [24]. Simulations confirm that radars can be a useful source of side information and can help configure the mmWave V2I links.
In conclusion, although mmWave communication is a viable approach to provide high-bandwidth connectivity to future intelligent vehicles, innovative MAC-layer solutions should be engineered to overcome the limitations that prevent the direct employment of traditional communication protocols on high-frequency links.
电子工程代写|数字信号处理代写Digital Signal Processing代考|Network and Routing Protocol Design
While the literature on network protocols ${ }^3$ for legacy vehicular scenarios is quite rich, little work exists regarding the communication performance of the network layer (especially routing) in a next-generation V2X context. More specifically, traditional routing solutions can be classified into two categories, as reported in Fig. 3: (i) topology-based routing protocols, and (ii) position-based routing protocols.
Topology-Based Routing Protocols. These schemes use link information within the network to send the data packets from the source to the destination. In particular, proactive routing protocols continuously maintain up-to-date routes for all the valid destinations, thus guaranteeing low-latency packet forwarding but suffering from scalability issues. Reactive routing protocols, instead, establish the path to follow for packet delivery only when a message needs to be actually exchanged, thus saving precious bandwidth resources but increasing the latency to find a reliable route.
Position-Based Routing Protocols. These schemes do not require routing tables, but only use the position information of neighboring nodes to determine the next forwarding hop to the destination. Since those protocols are based only on local knowledge, they are considered more scalable and robust against topological changes. However, they exclusively rely on position information that may be inaccurate or unavailable (e.g., in tunnels or where the satellite signal is absent) [23], and may suffer large overheads or additional delays caused by collision and contention of the underlying MAC protocols.
In this context, the propagation characteristics and the directional nature of mmWave links bring both challenges and opportunities for routing protocol design. For instance, due to the presence of communication blockages, the shortest path connecting two network nodes (in terms of geographical or topological distance) is not necessarily the best, and may actually yield lower throughput and higher packet loss than a longer path. It is thus important to make a judicious selection of relaying nodes, for example trying to keep the number of hops to a minimum when using multi-hop communications to overcome an impaired direct path.
Recently, some works tried to design network layer protocols specifically tailored to multi-hop systems with directional antennas. In [4], the authors proposed an $O p t i-$ mal Geographic Routing Protocol (OGRP) that selects the appropriate multi-hop relays considering the specific features of mmWave propagation. Other solutions implement some sort of multipath routing that allows a vehicular node to establish multiple connections through different access technologies, besides using device-todevice (D2D) transmissions.
In [25], a multi-hop concurrent transmission scheme is proposed and, by properly breaking one single-hop low-rate link into multiple shorter high-rate links and allowing non-interfering nodes to transmit concurrently, the network resources can be efficiently used to improve the network throughput.
电子工程代写|数字信号处理代写Digital Signal Processing代考|Medium Access Control (MAC) Protocol Design
媒体访问控制 (MAC) 层设计已在 DSRC 和 4G-LTE 的背景下进行了广泛研究，而只有有限数量的文献调查了预计在下一代汽车系统中可用的其他类型无线电的解决方案。传统的MAC解决方案适用于可以准确预测车辆速度/位置的情况。然而，对于以高频运行的 V2X 通信系统，情况可能并非如此，这主要是由于信道的固有可变性。此外，大多数最新的解决方案缺乏对可靠性和延迟等一些重要 KPI 的考虑。特别是，毫米波无线电链路需要新的方案，使车辆和基础设施能够快速确定建立定向链路的最佳方向。
上面的讨论清楚地表明需要创新的 MAC 协议设计，特别是为未来的车辆网络量身定制，如图 2 所示。这个目标可以通过启用多重连接来实现，从而将高频数据平面与较低频率的控制平面耦合，以支持所需的速率，同时提高通信的稳健性 [9]。
[5] 中的作者提出了一种基于通过 DSRC 消息在网络节点之间交换的周期性速度和位置信息的波束预测技术。使用获取的信息，系统随后能够估计车辆的轨迹并相应地得出最佳光束方向。
波束设计优化也被视为最大化数据速率的解决方案 [32]。结果与直觉一致，即对于覆盖较弱的小区边缘附近的用户，应该使用较窄的波束。
在 [8] 中，提出了一种位置辅助波束成形策略来实现节点之间的超快连接。特别地，基于位置信息的自适应信道估计允许估计时间显着减少。
还可以通过从雷达信号中提取信息来设计高效的波束对准方案 [24]。仿真证实，雷达可以成为有用的辅助信息来源，并有助于配置毫米波 V2I 链路。
总之，尽管毫米波通信是为未来智能汽车提供高带宽连接的可行方法，但应设计创新的 MAC 层解决方案，以克服阻碍在高频链路上直接使用传统通信协议的局限性。
电子工程代写|数字信号处理代写Digital Signal Processing代考|Network and Routing Protocol Design
而关于网络协议的文献3对于遗留车辆场景的研究非常丰富，关于下一代 V2X 环境中网络层（尤其是路由）的通信性能的工作很少。更具体地说，传统的路由解决方案可以分为两类，如图 3 所示：(i) 基于拓扑的路由协议，和 (ii) 基于位置的路由协议。
基于拓扑的路由协议。这些方案使用网络内的链路信息将数据包从源发送到目的地。特别是，主动路由协议持续维护所有有效目的地的最新路由，从而保证低延迟数据包转发，但存在可扩展性问题。相反，反应式路由协议仅在需要实际交换消息时才建立数据包传递所遵循的路径，从而节省了宝贵的带宽资源，但增加了寻找可靠路由的延迟。
基于位置的路由协议。这些方案不需要路由表，仅使用相邻节点的位置信息来确定到目的地的下一跳转发。由于这些协议仅基于本地知识，因此它们被认为更具可扩展性和对拓扑变化的鲁棒性。然而，它们完全依赖于可能不准确或不可用的位置信息（例如，在隧道中或没有卫星信号的地方）[23]，并且可能会遭受大量开销或由底层 MAC 协议的冲突和争用引起的额外延迟。
在此背景下，毫米波链路的传播特性和方向性为路由协议设计带来了挑战和机遇。例如，由于通信阻塞的存在，连接两个网络节点的最短路径（就地理或拓扑距离而言）不一定是最好的，并且实际上可能比更长的路径产生更低的吞吐量和更高的数据包丢失。因此，明智地选择中继节点非常重要，例如，在使用多跳通信来克服受损的直接路径时，尽量将跳数保持在最低限度。
最近，一些工作试图设计专门为具有定向天线的多跳系统量身定制的网络层协议。在 [4] 中，作者提出了一个欧p吨一世−考虑到毫米波传播的具体特征，选择合适的多跳中继的地理路由协议 (OGRP)。除了使用设备到设备 (D2D) 传输之外，其他解决方案还实现了某种多路径路由，允许车辆节点通过不同的接入技术建立多个连接。
在[25]中，提出了一种多跳并发传输方案，通过将一个单跳低速率链路适当地分解成多个较短的高速链路并允许非干扰节点并发传输，可以有效地利用网络资源用于提高网络吞吐量。
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