• No results found

An LTE implementation based on a road traffic density model

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "An LTE implementation based on a road traffic density model"

Copied!
83
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

LiU-ITN-TEK-A--13/068-SE

An LTE implementation based on a

road traffic density model

Muhammad Attaullah

(2)

LiU-ITN-TEK-A--13/068-SE

An LTE implementation based on a

road traffic density model

Examensarbete utfört i Elektroteknik

vid Tekniska högskolan vid

Linköpings universitet

Muhammad Attaullah

Handledare Carl-Henrik Häll

Examinator Scott Fowler

(3)

Upphovsrätt

Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –

under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga

extra-ordinära omständigheter uppstår.

Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,

skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för

ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten

vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av

dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,

säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ

art.

Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i

den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan

beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan

form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära

eller konstnärliga anseende eller egenart.

För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se

förlagets hemsida

http://www.ep.liu.se/

Copyright

The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible

replacement - for a considerable time from the date of publication barring

exceptional circumstances.

The online availability of the document implies a permanent permission for

anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to

use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.

Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses

of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The

publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,

security and accessibility.

According to intellectual property law the author has the right to be

mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected

against infringement.

For additional information about the Linköping University Electronic Press

and its procedures for publication and for assurance of document integrity,

please refer to its WWW home page:

http://www.ep.liu.se/

(4)

    Linköping university, Department of Science and Technology 

Analyzing

of LTE Implementation

Based

on a Road Traffic Density Model

  Muhammad Asim Rashid  Muhammad Attaullah       2013‐11‐13                      Department of Science and Technology  Linköpings universitet, SE‐581 83 Linköping, Sweden  Norrköping 2013 

(5)

 

Abstract

 

The  increase  in  vehicular  traffic  has  created  new  challenges  in  determining  the  behavior  of  performance of data and safety measures in traffic. Hence, traffic signals on intersection used  as cost effective and time saving tools for traffic management in urban areas. But on the other  hand  the  signalized  intersections  in  congested  urban  areas  are  the  key  source  of  high  traffic  density and slow traffic. High traffic density causes the slow network traffic data rate between  vehicle to vehicle and vehicle to infrastructure. To match up with the emerging technologies,  LTE takes the lead with good packet delivery and versatile to changes in the network due to  vehicular movements and density. 

This thesis is about analyzing of LTE implementation based on a road traffic density model. This  thesis  work  is  aimed  to  use  probability  distribution  function  to  calculate  density  values  and  develop a real traffic scenario in LTE network using density values. 

In order to analyze the traffic behavior, Aimsun simulator software has been used to represent  the real situation of traffic density on a model intersection. For a realistic traffic density model  field  measurement  were  used  for  collection  of  input  data.  After  calibration  and  validation  process, a close to realty results extracted and used a logistic curve of probability distribution  function to find out the density situation on each part of intersection. Similar traffic scenarios  were implemented on MATLAB based LTE system level simulator.  

Results  were  concluded  with  the  whole  traffic  scenario  of  90  seconds  and  calculating  the  throughput at every traffic signal time and section.   It is quite evident from the results that LTE system adopts the change of traffic behavior with  dynamic nature and allocates more bandwidth where it is more needed.   

 

 

 

(6)

Acknowledgments

 

We  would  like  to  express  our  gratefulness  to  our  supervisor  and  examiner  at  Linkoping  University, Prof. Scott Fowler and Prof. Carl Henrik Häll for providing the opportunity to work  with them, with valuable suggestions and guidance throughout the work period.   Our warm thanks go to all teachers of ITS and WNE department that have provided us valuable  knowledge and assistance during the completion of this study work.   We want to thanks the division of communication and transport system, Linkoping University  for providing statistical data and structural maps of study area. 

A  special  thanks  to  all  of  our  friends  for  always  being  good  discussions  on  study  work,  and  providing their helpful assistance. 

We would like to express our deep love and regards to our families for their precious support  and encouragement from the beginning of our life.  

 

Norrköping, August 2013 

Muhammad Asim Rashid Muhammad Attaullah

 

(7)

Abbreviations

 & Glossary of Terms 

 

AMC  Adaptive Modulation and Coding  AWGN  Additive White Gaussian Noise BLER  Block Error Rate 

BSC  Base Station Controller  eNodeB  Evolved NodeB 

FDD  Frequency Division Duplexing FDMA  Frequency Division Multiple Access  FFR  Fractional Frequency Reuse 

FHWA  Federal Highway Administration FTP  File Transfer Protocol   GBR  Guaranteed Bit Rate  GHz  Gigahertz  GSM  Global System for Mobile Communications HCM  Highway Capacity Manual  HTTP  Hyper Text Transfer Protocol  IP  Internet Protocol

ITS  Intelligent Transportation Systems  LOS  Line of Sight 

LTE  Long Term Evolution 

MCS  Modulation and Coding Scheme MIMO  Multiple Inputs Multi Outputs  MME  Mobility Management Entity  MPI  Message Passing interface NGBR  Non Guaranteed Bit Rate  O/D  Origin to Destination 

OFDM  Orthogonal Frequency Division Multiplexing  OFDMA  Orthogonal Frequency Division Multiple Access PDF  Probability Distribution Function 

PEL  Packet Error Loss  PCU  Passenger Car Unit

QAM  Quadrature Amplitude Modulation  QCI  QoS Class Indicator 

QoS  Quality of Service 

QPSK  Quadrature Phase Shift Keying RB  Resource Block 

RI  Resource Interface  RNC  Radio Network Controller SC‐FDMA  Single Carrier FDMA  S‐GW  Serving Gateway 

(8)

SINR  Signal to Interference plus Noise Ratio  SNR  Signal to Noise Ratio  TBs  Transport Blocks  TCP  Transmission Control Protocol  TDD  Time Division Duplexing  TSS  Transport Simulation System  TTI  Transmission Time Interval  UE  User Equipment 

UMTS  Universal Mobile Telecommunications System  V2I  Vehicle to Infrastructure

V2V  Vehicle to Vehicle 

VANET  Vehicular ad‐hoc Network  VoIP  Voice over IP 

WAVE  Wireless Access in Vehicular Environment 

   

 

(9)

Table of Contents

  List of Figures ... ix  List of Tables ... x  1.  Introduction ... 11  1.1.  Aim and Purpose ... 12  1.2.  Scope of work ... 12  1.3.  Report Outline ... 12  1.4.  Assumptions ... 13  2.  ITS Literature Study ... 14  2.1.  Road Traffic Density ... 14  2.2.  Capacity ... 16  2.3.  Headway ... 17  2.4.  Shock Waves ... 18  2.5.  Assessment of Calibration Procedure ... 20  2.6.  Related work ... 22  3.  LTE Literature Study ... 26  3.1.  LTE Overview ... 26  3.2.  OFDMA in LTE ... 27  3.3.  LTE offers higher data rates ... 28  3.3.1.   MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs) ... 28  3.3.2.  Band Aggregation ... 29  3.3.3.  OFDMA ... 29  3.3.4.  Simplified Architecture ... 29  3.4.  ITS System Model in LTE ... 29  3.4.1.  Traffic priority ... 30  3.4.2.  Users ... 30  3.4.3.  Quality of Service (QoS) Parameters ... 30  3.4.4.  Latency ... 30  3.4.5.  Modulation and Channel bandwidths ... 30  3.5.  Related work on LTE ... 31 

(10)

3.5.1.  Vehicle‐to‐Vehicle Communication ... 31  3.5.2.  Vehicular‐to‐ Infrastructure Communication ... 32  3.5.3.  Traffic Density Model ... 33  4.  Methodology ... 35  4.1.  Traffic Density Model ... 35  4.2.  LTE ... 35  5.  Evaluation of Traffic Density Model ... 36  5.1.  Data Collection ... 36  5.1.1.  Site Selection ... 36  5.1.2.  Site Study Visit... 38  5.1.3.  Traffic Signals ... 39  5.1.4.  Traffic Flow & Turning Proportion ... 40  5.1.5.  Travel Time ... 41  5.1.6.  Density (Real Time) ... 42  5.2.  Calibration and Validation ... 43  5.2.1.  Simulation Software (Aimsun) ... 44  5.2.2.  Intersection Geometry ... 44  5.2.3.  Simulation Runs ... 46  5.2.4.  Feasibility Test ... 48  6.  Evaluation of LTE model ... 51  6.1.  Simulator Overview ... 51  6.1.1.  Link Measurement Model ... 52  6.1.2.  Link Performance Model ... 52  6.2.  Model Implementation ... 52  6.2.1.  ITS User Traffic Data ... 53  6.2.2.  Generating Users ... 53  6.2.3.  System parameters and Setup Scenarios ... 54  7.  Analysis of Results ... 56  7.1. Analysis of Traffic Density Model ... 56  7.2.  Analysis of LTE Network ... 62  7.2.1.  System throughput analysis with respect to number of users ... 62  7.2.2  Throughput response of primary sections ... 64 

(11)

7.2.3.  Throughput response of secondary sections ... 68  7.2.4.  Average user delay with respect to number of users ... 74  8.  Conclusion and Future Work: ... 76  8.1.  Conclusion ... 76  8.2.  Future work ... 76  References ... 77   

 

 

(12)

List of Figures

     

Figure 2.1   Flow density relationship based on the description from  14 

Figure 2.2  Different state of density on signalized intersection  15  Figure 2.3  Headway distance between two consecutive vehicle  17  Figure 2.4  Discharge headway in signalized intersection  18  Figure 2.5  Shockwaves at signalized intersection  19  Figure 3.1  LTE architecture  26  Figure 3.2  Resource block grid in frequency domain  27  Figure 3.3  Time domain frame structure  28  Figure 5.1  Location of intersection on a geographical map  37  Figure 5.2  Closed satellite view of study area  38  Figure 5.3  A detailed sketch of a study area  39  Figure 5.4  Signal timing with amber time and direction  40  Figure 5.5  Graphical observation of travel time calculation  41  Figure 5.6  Graphical framework of calibration and validation   43  Figure 5.7  Intersection geometry  44  Figure 5.8  Traffic signal phases  45 Figure 5.9  A bird eye view of traffic situation in each section  45  Figure 5.10  Flow, Average density during simulation period  47  Figure 6.1  Schematic block diagram of LTE system level simulation  51  Figure 6.2  Simulator Test bed  54  Figure 7.1  A logistic curve with different density behavior  56  Figure 7.2  Density situation on section 59  57  Figure 7.3  Density situation on section 41  59  Figure 7.4  Density situation on section 43  60  Figure 7.5  Density situation on section 10  61  Figure 7.6  An overview of traffic on model intersection  63  Figure 7.7  System Throughput Response  64  Figure 7.8  Throughput Vs Number of Users at Section 41  65  Figure 7.9  Throughput Vs Number of Users at Section 10  66  Figure 7.10  Throughput Vs Number of Users at Section 43  67  Figure 7.11  Throughput Vs Number of Users at Section 59  68  Figure 7.12  Throughput Vs Number of Users at Section 11  69  Figure 7.13  Throughput Vs Number of Users at Section 58  70  Figure 7.14  Throughput Vs Number of Users at Section 44  71  Figure 7.15  Throughput Vs Number of Users at Section 42  72  Figure 7.16  Throughput Vs Number of Users at Junction 73 Figure 7.17  Average user delay Vs Number of users    74 

 

   

(13)

List of Tables

     

Table 5.1  Real time traffic flow, queue length with average signal cycle  40 

Table 5.2  Travel time observation during peak hours  42  Table 5.3  Real time density estimation  43  Table 5.4  Minimum number of default replications   46  Table 5.5  First simulation density output with real measured density  46  Table 5.6  Simulation output of 10 replications   47  Table 5.7  Field measured travel time vs. Simulation travel time output  48  Table 5.8  t‐test result, section a‐c and section c‐a  49  Table 5.9  t‐test result, section b‐d and section d‐b  50  Table 6.1  Traffic detail worksheet at every section  53  Table 6.2  LTE simulation parameters  55 

(14)

1. Introduction

With the support of wireless communication, Intelligent Transportation Systems (ITSs) will play  an important role in improving the traffic conditions, where each vehicle will be connected to a  unique  node  in  vehicular  communication  network.  Intelligent  communication  systems  offer  real‐time communication among the plenty of cars crossing cities, highways and opening new  challenges to deal with security, management and communication on the road. In urban areas,  signalized intersections are commonly used to control and manage the traffic streams. Being a  part  of  road  infrastructure,  signalized  intersections  are  generating  more  traffic  congestion.  Traffic congestion reduces the efficiency of traffic system and increases the travel time, and C02 

emission.  Improving  the  traffic  density  situation  is  an  important  issue  where  many  countries  have great emphasis on it (Shengwu Tu, 201O). Next generation of smart cars will have to adopt  the vehicle‐to‐vehicle (V2V) and vehicle‐to‐infrastructure (V2I) communication, in order to deal  with traffic management and vehicle performance.  

Communication technology has seen significant amount of success in past 2 decades. Wireless  communication is the future, whether its telecommunications, multimedia or other networks.  Due to simpler installations, mobility and low cost, wireless networks has advantage over wired  networks  that  comes  with  high  cost  of  laying,  maintenance,  and  zero  mobility.  At  the  same  time,  Wireless  networks  come  with  its  own  drawbacks  such  as  path  loss,  interference  and  fading; whereas these factors are quite minimal in wired networks.  

As wireless networks cover wide range of areas with the help of base stations arranged in a  compact way that there is no gaps in between the clusters. This chain of base stations forms a  unique  network  that  can  work  cooperative  driver  assistance  functions  and  can  be  utilized  in  traffic safety. Among the technologies, vehicular communication systems have been deployed  for assistance and management of road traffic; where vehicles and communication nodes can  interact.  This  cooperative  study  would  lead  a  paradigm  shift  into  the  world  of  Intelligent  Transport System.  

Cellular  networks  offers  high‐speed  and  good  amount  of  data  to  communicate  and  can  be  divided  into  small  cells,  and  it  can  cover  up  the  whole  traffic  signal  junctions.  In  cellular  networks,  LTE  has  been  favored  by  the  most  telecom  operators,  which  offers  increased  bandwidths at lower latencies than other cellular systems. LTE offers considerably good range  and  coverage  to  deploy  in  high  density  traffic.  LTE  provides  robust  mechanism  for  mobility  management  in  heavy  load  cells  by  high  penetration  rate  and  high  speed  terminal  support.  Vehicular  communication  requires  high‐bandwidth  and  sensitive  QoS;  LTE fits  the  demand in  supporting  vehicular  applications  with  information  and  entertainment.  Organized  with  eNodeBs,  LTE  forms  wide  area  coverage  with  high  speed  nodes,  which  resolves  the  network 

(15)

fragmentation and connectivity.  IEEE 802.11p supports ITS applications on ad‐hoc mode with  low cost and easy deployment, but vulnerable to delays, QoS issues, short distance connectivity  in V2I. LTE takes the advantage over 802.11 by coverage area, high data rate and high speed  terminal support (Araniti G et al, May 2013). Designing signalized road traffic in LTE network  would be an interesting analysis. 

1.1. Aim and Purpose

The Aim of this thesis  work is to develop a real traffic scenario using probability  distribution  function estimated values in LTE network and analysis of the throughput and delay with respect  to time and number of users. The traffic scenario is completely based on real time calculations.  The purpose of this thesis is to design an analytical framework for analyzing the effects of road  traffic  density  model  on  LTE  network  in  relation  to  network  data.  This  study  involves  road  segments linked to signalized junction as basic building block of urban traffic system. Further  we use the dynamics of the reliability metrics and characterize the region on the road segment.  It also investigates the performance evaluation of LTE in high road traffic.  Following are the objectives to reach our aim:   Design a traffic density model on the basis of real conditions.   Use traffic simulator for validation of model.   Implementation of traffic density results in LTE simulator.    Analyzing the results.  1.2. Scope of work LTE part simulation is work done on MATLAB based LTE system‐level simulator developed by  the  institute  of  Communications  and  Radio  Frequency  Engineering,  Vienna  University  of  Technology.  Downlink  channel  performance  and  different  scheduling  techniques  can  be  simulated  and  the  simulator  helps  in  studying  the  behavior  of  LTE  network  by  changing  the  traffic scenarios.   

1.3. Report Outline

The thesis is divided into the following chapters: 

Chapter 1:  This chapter includes the introduction, aim and purpose, scope of work and the  assumptions considered for thesis work. 

Chapter 2:  Theoretical  background  of  traffic  density  on  an  intersection,  different  ways  to  measure traffic density, and the related work on estimation of density. 

(16)

Chapter 3:  Theoretical  background  of  LTE  and  its  preference  over  the  other  existing  networks and the related work on other networks. 

Chapter 4:  Methodology and implementation of the traffic density model and LTE scenarios.  Chapter 5:  Evaluation of traffic density model covers procedure of selection of study area,  real  traffic  data  collection,  selection  of  simulation  software  and  multiple  simulations runs to get the valid model. 

Chapter 6:  Evaluation of LTE model, a detail overview of LTE simulator, and traffic density  model implementation in LTE. 

Chapter 7:  Analysis  of  traffic  density  model  results  and  the  impact  of  density  on  LTE  network.  

Chapter 8:  Conclusion and future work. 

References:  This part covers the sources of helping materials. 

1.4. Assumptions

On road traffic density model part, we have the following assumptions: 

 We  are  considering  Vehicle‐to‐Vehicle  (V2V)  and  Vehicle‐to‐Infrastructure  (V2I)  communication  only,  not  cellular  communication  using  by  people  living  around  the  model area, pedestrians, public transport passengers etc.   During simulation of traffic model we used real data for current scenario but studies of  more dense traffic situations; we need to make some assumptions to check the possible  effects of LTE on road traffic density.    On LTE part, we have the following assumptions:   Due to complexity in LTE simulator, we consider the road traffic in one cell. Therefore,  using 1 eNodeB and 1 sector with no handovers.     Considering the whole road traffic in one sector.    Number of users is fixed at the start of simulator, so we cannot use dynamic users.    No  fading  scenarios.  Just  considering  the  road  traffic,  we  have  ignored  the  buildings, 

hills, tunnels or other objects which results in different kinds of fading. 

(17)

2. ITS Literature Study

Main focus of this research work is to develop a high density traffic model as a base model to  implementing the LTE technology and determining the behavior and performance of LTE data  traffic.  The  research  work  is  divided  into  two  sections,  traffic  density  model  and  implementation of LTE technology on model. Literature study related to traffic density is known  as the traffic theory.   2.1. Road Traffic Density Traffic density (K) is the average number of vehicles (N) per space unit over stretch of roadway  (L).     Vehicles per kilometer is known unit of density. Analysis of two important kinds of densities,  jamming  density  and  critical  density  “optimal  or  maximum  free  flow  density”  are  helpful  to  perform operational analysis of intersections. Density achieved under high congestion is known  as maximum density under congestion, this is also known as jamming density. The critical or  optimal  density  (Kc)  is  achieved  under  free  flow.  Mostly  critical  density  builds  on  highways 

during maximum but free flow. An overview of density flow relationship is shown in Figure 2.1  below:  

 

(18)

Another form of density is increasing density that is achieved under the circumstances of state  change of traffic flow. Free flow traffic that reaches into a jam density state is the main cause of  making  increasing  density.  An  overview  of  different  states  of  density  into  a  signalized  intersection is shown in Figure 2.2 below: 

 

Figure 2.2: Different states of density on a signalized intersection 

Intersections are the main spots where density builds because other than traffic signals there  are  many  other  conflict  points  affected  on  density  such  as  turning  movements,  number  of  lanes, geographical area of an intersection, width of lanes, pedestrian and cyclist flow, capacity  and so forth. The Capacity of a link is an important factor to generate density, because when a  lane reaches to jam density, it is considered that the lane is full so no more vehicles can enter  the lane until the first vehicle in the lane leaves it. So the high capacity of a link takes more time  to build jamming density state as compared to less capacity link (Aimsun 6.1, 2010).  Road traffic density has been estimated using a number of techniques. Traditionally estimation  of density is based on observed data from a road segment. Most common techniques used for  density  estimations  are  roadside  loop  detectors,  wireless  vehicle  sensors,  speed  guns  and  surveillance cameras but for using these techniques it is necessary the detection devices to be  pre‐installed. Density for a specific road segment can be calculated after observations using the  traditional equation: 

 

For  efficient  results  there  are  many  simulators  available  to  verify  the  observed  data  with  different scenarios and conditions. Aimsun is one of the transport modeling software that can 

(19)

dynamically  simulate  adaptive  traffic  control  systems.  It  is  using  two  different  methods  to  calculate the density, i.e. lane density and section density. The meaning of lane density is to  calculate the density of every lane separately on desired road segment. The lane density of a  system is calculated as follows:    Where:  L = total length of all lanes of all sections of the network (meters).  NVeh(t) = Number of vehicles in the system at time t.  I = interval of statistics (seconds).  T = instants when the number of vehicles in the system changes.  To calculate the density of a section following equation is used (Aimsun 6.1, 2010):    Where:  Ll = length of lane l (meters).  NVeh l,t = number of vehicles in the lane l at time t.  I = interval of statistics (seconds).  T = instants when the number of vehicles in lane l changes.  2.2. Capacity

The  capacity  of  road  is  defined  as  the  maximum  hourly  rate  at  which  vehicles  can  travel  a  section of a roadway under normal traffic conditions. The capacity of an intersection is define  as  the  maximum  hourly  rate  at  which  vehicles  can  be  expected  to  pass  through  a  uniform  section during a given time period under popular traffic signals control conditions (HCM 2000,  p2‐2) 

Capacity analysis of signalized intersection is affected by different parameters include turning  proportions, number of lanes, width of lanes, geographic area type of intersection and so forth.  Capacity  analysis  is  helpful  to  specify  cycle  time  size  of  intersection,  number  of  lanes  and 

(20)

phasing of each approach. Capacity of an intersection lane or lane group can be computed as  (HCM 2000):  ∗   Where:  Ci = capacity of lane or lane group i, (veh/h)     Si = saturation flow rate for lane or lane group i, (veh/h)    gi = effective green time for lane or lane group I, (sec)    C = signal cycle length, (sec)  2.3. Headway The measured distance between two consecutive vehicles is called the headway (Figure 2.3).  Time and space headways are the two main categories of headway. The space between two  successive  vehicles  as  they  pass  a  point  on  the  roadway,  measured  from  the  same  common  features of both vehicles e.g. the front axle or the front bumper is known as space headway  (HCM, 2000).    Figure 2.3: Headway distance between two consecutive vehicles    The difference between time when the front of a vehicle arrives at a point on the highway and  the time the front of the next vehicle arrives at the same point is known as time headway.  ̅ ∗   Where:     = average time headway in seconds    ̅   = average travel time per unit distance     = average space headway  The difference in position between the front of a vehicle and the front of upcoming vehicle is  known as space headway.   ∗  

(21)

 

Where:    = average space headway   = space mean speed     = average time headway 

In a signalized intersection the interval of time, of a vehicle stop and leaving from a queue is the  fundamental  component.  Because  during  red  phase  of  signal  cycle  a  jam  density  situation  is  built behind the stop line, starts defusing during green phase. As the queue moves, headway  measurements are taken as follows:   The time between the beginning of the green signal and the time the front wheels of  first vehicle cross the stop line is the first discharge headway.   The time between the first vehicle’s front wheels during green signal and the time that  second vehicle’s front wheels cross the stop line.   Headway’s of the rest of the vehicles can be measured similarly.  During the green signal the relation between numbers of vehicles pass through the intersection  and headway (sec) is shown in Figure (HCM, 2000).    Figure 2.4: Discharge headway in signalize intersection based on (Luis Francisco, 2006)  2.4. Shock Waves A shockwave is started whenever a stream of traffic flowing under certain stream conditions  “speed  =  Ua,  density  =  Ka,  and  flow  =  Qa”  meets  another  stream  under  different  conditions 

“speed = Ub, density = Kb and flow Qb” (Chakroborty Partha, 2005). Sudden change in capacity 

(22)

The  sudden  reduction  could  be  due  to  signal  turning  red  to  green  or  green  to  red,  serious  incident  on  highway  and  a  small  road  with  maximum  capacity  creating  a  situation  on  road  segment  where  the  capacity  changes  to  less  capacity  with  a  corresponding  change  in  critical  density  from  lower  to  high.    An  overview  of  forward,  backward  moving  shockwaves  corresponding with jamming density is shown in Figure below:    Figure 2.5: Shock waves at signalized intersection based on (Nicholas J. Garber, 4th edition)  When flow and density on a road segment are relatively large, the speed of the vehicles will  have to be reduced while passing the bottleneck. Bottleneck is known as sudden reduction of  capacity on a road segment. When capacity is reduced below the demand flow rate resulting in  the formation of a queue upstream of the bottleneck the backward forming shockwaves are  produced. As shown in Figure 2.5 these shockwaves normally occurs at signalized intersections  when  signal  is  red.  During  the  forming  of  shockwaves,  two  different  flows  along  with  two  different densities connected to each other. The velocity of the shockwaves can be calculated  using this equation (Nicholas J. Garber, 4th edition): 

 

This gives the velocity of the shockwave created by sudden change of density from ka to kb on a 

traffic  stream.  When  signal  is  red,  flow  suddenly  decreases  to  zero  that’s  make  the  density  behind the signal is jamming density which is calculated using this equation: 

(23)

  Where:  r = Red phase of signal cycle (t)  qa = Flow (Veh/h)  L = Length of queue (meter).  2.5. Assessment of Calibration Procedure

The  process  of  modifying  and  adjusting  of  default  simulation  model  parameters  by  using  ground measured data to reflect local traffic condition is known as model calibration (Park et al,  2005). From the past few decades microscopic traffic simulation models have been widely used  in the evaluation of transportation engineering. Attractive animation, easier to work, risk free,  less costly and faster than field testing and implementation is the main reasons for popularity  of simulation models. Simulation models include various types of parameters that can be used  to describe traffic flow, density, and traffic control systems. Many of input parameters used in  simulation such as number of vehicles, geometry and traffic signal settings are easy to measure  but some parameters such as queue discharge rate, headway distance and density calculation  are difficult to obtain in the field (Schneebeger et al, 2003).   The calibration has some required procedures; following procedures are used in this thesis:    Input data requirements: The quality of the model is highly dependent on the availability and  accuracy of input data. In order to build a good model the user must beware of required data  use in the calibration procedure such as travel time, flow, capacity turning proportion and so  forth (Aimsun 6.1, 2010).   

Network  layout:  A  network  model  is  composed  of  a  set  of  section  connected  to  each  other 

through  nodes.  Sections  are  usually  referred  to  one  way  links  and  the  nodes  referred  to  as  intersections. Following input data is required to build a network model; a digitized map of the  area, number of lanes for every section and the turning movements and speed limits for every  section (Aimsun 6.1, 2010).  

 

 Traffic demand data: Traffic flows and O/D matrix are the two different ways to define traffic  demand  data.  Depending  on  the  type  of  model  selected  the  following  input  data  must  be  provided. For traffic flow: Vehicle type and their attributes, flows at the input sections for each  vehicle type and turnings proportions. For O/D matrix: traffic sources and skins, number of trips  going from every origin to desired destination (Aimsun 6.1, 2010). 

(24)

Traffic  control:  Traffic  signals  are  the  most  common  way  to  use  control  of  traffic  on  intersections. Locations of signals, sequence of phases, and the signal groups are the main input  requirements to define traffic controls.    Error checking: Initial step of calibration process is the error checking and it is used to ensure  that the simulation model input data has been entered properly. Error checking process can be  used to improve the efficiency and effectiveness of the model (Dowling, 2002). Review input  and demand data are the main kind of error checking procedure.   

Calibration  parameters:  Minimum  headway  distance,  lane  change  distance  and  waiting  time 

are some major parameters that have impact on calibration. Parameters are only selected on  the bases of model description with an acceptable range of values. Moreover avoid the use of  unrealistic parameters that can effect on final results.    First evaluation: Comparison between default simulation model and the field data is the first  evaluation of a successfully created simulation model. It can be used for succeeding analysis if a  close match is found between the default model and the field data. If match is not so close then  proceed to further calibration steps.    

Multiple  simulation  runs:  The  most  common  problem  in  using  micro  simulation  tools  is  the 

output results from one replication are not useful. This is the reason to run multiple simulations  until get the close result to real situation. Micro simulation results will differ from run to run  and can be affected by random seed number used in each run so it is important to estimate the  variation and level of confidence interval in the results as to estimate accurate average value of  that  result  (Center  for  microcomputers  in  Transportation,  1997).  To  calculate  the  minimum  number of multiple runs federal highway administration proposed a methodology. According to  that methodology following information is needed (FHWA, 2004):     Estimation of sample standard deviation   Selection of desired confidence level   Computation of desired confidence interval   Desired range  Feasibility test: A statistical method “t‐test” can be used to compare the simulated model and  the field data values. A t‐test compares two samples of test data that can help to determine  whether  the  mean  values  are  the  same.  Statistical  hypothesis  testing  is  used  to  determine  whether the calibrated results are equal to the field data or not. Hypothesis testing procedure  is defined as following (FHWA, 2004): 

(25)

  Where:   nx = sample size of alternative x     ny = sample size of alternative y    Sx = alternative x standard deviation results    Sy = alternative y standard deviation results     Sp = pooled standard deviation    T‐test statistics value can be calculating as following:    Where:  x = the mean of alternative x    y = the mean of alternative y    Critical t value according to degree of freedom and the given alpha can be calculated as:  | |  

And if T > tnx + ny –2 (α/2) , then reject the null hypothesis. 

2.6. Related work

Road  traffic  density  at  signalized  intersection  is  a  common  problem  in  urban  areas  that  has  been widely studied and many models have been proposed to observe the behavior of density.  According to a literature study (Libman Lavy et al, 2011) existing local density model does not  describe the general behavior of traffic throughout the road segment as compared to a global  traffic density model that can explain the traffic behavior at any position throughout the road  segment.  Finding  of  this  study  is  that  the  density  divided  into  three  main  types,  a  jamming  traffic  density  caused  by  vehicle  building  up  a  queue,  a  growing  traffic  density  caused  by  vehicles decelerating and density during free flow. A generalized logistic curve can describe the  three density regions formed during the red phase and partly during the green phase. So the  traffic density can be expressed by a simplified logistic curve (Libman Lavy et al, 2011):   ,     Where:    Kj = jamming density (upper bound)    A = lower bound traffic density 

(26)

  B = growth rate of density from lower to upper bound 

  K(x, t) = density at position x at time t during traffic light cycle    M = the time of the maximum growth 

This logistic curve also known as the Richards curve widely use for the growth modeling. The  shape and dynamics of the different density regions formed during a red and green phase on  signalized  intersection  are  analogous  to  the  shape  and  dynamic  of  logistic  curve  (Sharon  E  Kingsland).      Headway distance refers to the breaking performance. In a stable free flow state, a following  vehicle must keep the safe headway distance from leading vehicle to avoid the collision. The  safe headway distance is equal to the distance that the following vehicle with velocity V and  average deceleration R should maintain in order to be able to make a full stop when leading  vehicle suddenly (Libman Lavy et al, 2011).  According to (Anderson J. Edward, 2009), one vehicle of length L is cruising at a speed V and is  followed by another vehicle traveling at the same speed with nose to tail separation H. During  the red phase, the lead vehicle decelerates to stop instantaneously. The vehicle behind senses  the failure and after a small reaction time tr begins to decelerate to stop, the minimum safe 

time headway is:  

  Where:   h(min) = minimum safe headway 

V = speed of the vehicle  tr = reaction time  db = breaking distance  Due to the signalized intersection it is necessary to calculate the headway in meters that means  tip to tip headway. The tip to tip headway is simply the tip to tail headway plus the length of  the vehicle, expressed as (Anderson J. Edward, 2009):      Where:   L = length of the vehicle  Before the growing density the vehicles are in free flow state. The lower bound of logistic curve  directly linked to free flow condition of traffic. Flow is the number of vehicle passing through a  specific point per unit of time. Flow rate cannot be estimated from a single snapshot of a length  of road. Flow rate, q can be counted as number of vehicle N, divided by per unit time T (Fred L  Hall): 

(27)

 

The  inverse  of  flow  is  the  headway  that  means  the  time  between  two  consecutive  vehicles  passing through a specific point. So the flow can be expressed as: 

  Where L = specific lane of a road  

Ht = time headway  

The  interconnection  of  different  links,  such  as  urban  road  segments,  on‐and  off‐ramps  and  freeway  sections  are  the  main  part  of  a  road  network.  During  peak  time,  a  link  has  certain  spatial occupancy or vehicle count, which is the number of vehicles in the link. The number of  vehicles that will move from an upstream link depends on its vehicle count during the existing  speed. At the same time number of vehicles that a downstream link can accept is limited by the  downstream link vehicle count. Thus, the state of the road network at any time consists of the  vehicle count and travel time in every link (Kwong et al, 2010).   The (Tan Evan et al, 2013) proposed a novel approach of combining an unsupervised clustering  scheme called auto class with Hidden Markov Models to determine the traffic density state in  the selected region of a road. This approach has three main parts, firstly low level features are  extracted from the select area then an unsupervised clustering algorithm applied to obtain a set  of clusters for each predefined traffic density state and finally four Hidden Markov Models are  constructed for each traffic state respectively and finally the resultant density determined from  these traffic states.    According to (Anand R. Asha, 2011) the estimation of density using travel time was based on  the following equations:  ,     

Where  q  is  the  flow  in  PCU/hour,  k  is  the  density  in  PCU/km,  V  is  the  space  mean  speed  in  km/h,  with  x  being  the  distance  and  t  being  the  time.  The  density  k  at  the  time  t  can  be  represented as: 

∆ ∗ , ,  

Where  qentry(t‐1,  t)  and  qexit  (t‐1,  t)  are  respectively  the  flow  in  PCU/h  at  the  entry  and  exit 

points  during  the  time  interval  (t‐1)  to  t.  ∆   is  the  data  aggregation  interval.  PCU  is  the  passenger car units.  

(28)

The  vehicle  detector  sensors  systems  are  used  in  today’s  roadways  provide  a  direct  measurement of traffic flow, average speed and the roadway occupancy. As commonly known  the traffic density does not measure directly, these sensors also measure different parameters  that can be  use for measuring density such as traffic flow and speed. The (Meng Cao, 2011)  developed the systematic techniques to measure traffic conditions by utilizing both on‐and off‐ board  computer  vision  systems.  The  system  used  a  unique  development  technique  with  a  combined  computer  program  and  global  positioning  system  equipped  with  mobile  traffic  surveillance  system  to  measure  localized  traffic  density.    The  localized  density  measurement  from  mobile  system  compares  with  the  flow  estimates  from  an  embedded  vehicle  detector  sensor system using space time diagram give the reliability of the system. Finally the combined  analysis of temporal spatial variable density and the embedded loop sensor data will provide a  better and more reliable method for traffic condition estimation and prediction.   

(29)

3. LTE Literature Study

3.1. LTE Overview

LTE  is  a  mobile  broadband  access  technology  designed  to  combine  high  data  rates  and  low‐ latency,  in  order  to  meet  today’s  fastest  network  requirement.  LTE  is  designed  to  support  Packet‐Switched  services,  by  providing  Internet  Protocol  (IP)  connectivity  between  the  users  and  network  (Stefania  S  et  al,  2011).  Evolved  NodeB  (eNodeB)  provides  link  between  User  Equipment (UE) and core network. eNodeB interconnected each other by X2 interface; whereas  eNodeB connected to core network (MME/S‐GW) by S1 interface and UE are connected by Uu  interface.  In  the  core  network,  MME  (Mobility  Management  Entity)  processes  the  signaling  between UE and Core network, Whereas, Serving Gateway (S‐GW) routes the user data packets  and handles User’s inter‐eNodeBs handover.    Figure 3.1: LTE architecture (Stefania S, 2011)  The Radio interface for Downlink uses Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)  and for Uplink, LTE uses Single Carrier FDMA (SC‐FDMA) with two modes of transmission: FDD  and TDD. LTE supports multiple‐antenna techniques such as Multiple Inputs ‐Multiple Outputs 

(30)

(MIMO). OFDMA and SC‐FDMA are belongs to multiple‐access versions of OFDM with Single‐ Carrier Frequency‐Domain Equalization (SC‐FDE) modulation scheme. OFDM sends data symbol  in parallel with multicarrier modulation scheme and SC‐FDMA transmits data symbol in series  with single carrier. 

SC‐FDMA  has  smaller  peak‐to‐average  ratio  (PAR)  as  compared  to  OFDMA,  which  allows  the  reduction in power consumption. LTE uses SC‐FDMA in Uplink for its low power consumption  and OFDMA in Downlink for resistance to multipath fading.  3.2. OFDMA in LTE OFDMA offers multi user diversity with greater flexibility in allocating the radio resources. Each  OFDM subcarriers covers spacing of 15 KHz and can be modulated by one of the modulation  schemes like QPSK, 16‐QAM or 64‐QAM. In order to use the available resources efficiently, each  subcarrier requires channel gain. Radio resources in LTE are divided into frequency domain and  time domain. Each LTE downlink frame has 10ms duration and further divided into sub‐frames  (10 sub frames) each of which has 1ms duration, known as Transmission Time Interval (TTI) and  each TTI consists of two time slots of 0.5ms duration.   

(31)

The total number of subcarriers depends on the system bandwidth. Each Resource Block (RB)  contains one time slot in time domain and 12 adjacent sub‐carriers in frequency domain. The  resource  allocation  in  frequency  domain  takes  with  180  kHz  bandwidth  RB  in  Uplink  and  Downlink, with each subcarrier is 15 kHz.   Whereas in time domain, each RB gets one time slot of 0.5 ms and contains 7 OFDM symbols as  shown in figure 3.3. These instantaneous channel reports the eNodeB by UE and decisions are  made. At every single TTI, UE reports that includes Signal to Noise Ratio (SNR). From this report,  we perceive parameters like throughput, delay etc.    Figure 3.3 Time domain frame structure (Zyren J, 2007)  3.3. LTE offers higher data rates There are number of techniques which make LTE to provide high data rates,  3.3.1. MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs) MIMO technology is widely used in LTE, by introducing multiple antennas at eNodeBs and UEs,  in order to use the reflected signals. In order to maximize the gain in throughput, each mode is  designed to take advantage of different network conditions and eNodeB antenna configuration.  When UE or eNodeB is unable to support MIMO operations, then SISO operation can be used.    Normally  a  signal  is  subjected  to  interference  within  the  cell,  which  impacts  in  Signal‐to‐ Interference plus Noise Ratio (SINR) and results in error rate.  

(32)

By the availability of multiple antennas at the eNodeBs and UEs, MIMO systems use multiple  transmissions send on the same frequency to the receiver, even after the multipath fading and  interference  within  the  cell,  a  high  throughput  is  achieved.  MIMO  combines  the  multipath  signals and selects the best signal, this results out in high SNR.  MIMO uses two formats   Spatial Diversity    Spatial Multiplexing  Spatial Diversity: redundant data is transmitted from the different paths to get more robust in  transmission, and increases the throughput, but no increase in data rates.  Spatial Multiplexing: data is divided into separate data streams and transmitted on separate  antennas and this result the data in parallel and increases the data rate.   3.3.2. Band Aggregation LTE works on different bandwidth ranging from 1.4 to 20 MHz.  In order to achieve higher data  rates, transmission bandwidth must be increased and for this reason, carriers are aggregated  into  one  channel  and  the  terminal  considers  it  as  enlarged  channel  and  the  band  gaps  are  emitted. This results in aggregated channel bandwidth of 100 MHz of aggregating five 20 MHz  carriers. The 20 MHz bandwidth can provide up to 150 Mbps peak data rate at Downlink and 75  Mbps at Uplink with 2 × 2 MIMO.  3.3.3. OFDMA LTE uses OFDMA in order to carry high data rates by splitting the available frequency band into  small orthogonal subcarriers. In order to prevent Intra‐cell interference, Sub‐carriers are spaced  by 15 kHz apart to maintain orthogonality, as sub‐carriers are for single subscriber in time slot.  3.3.4. Simplified Architecture LTE works on IP based packets which gives advantage over the other mobile technologies, by  removing Radio Network Controller (RNC in UMTS) / Base Station Controller (BSC in GSM). This  move transfers the functions to eNodeB directly.    3.4. ITS System Model in LTE While designing a Traffic model in LTE environment, we need to specify the real interests for  the users, and parameters to evaluate the results. In order to see the traffic behavior in LTE, LTE  features that are transformed in traffic model (users) and create a link between the different  traffic.  

(33)

3.4.1. Traffic priority

Traffic is prioritized on the high, medium and low levels. In the case of Emergency, the scenario  would be different by broadcasting alert signals to the users and allowing limited services like  phone calls with low data rate. In normal conditions, the Traffic model is analyzed and adopted  to  routine  schedule  and  services  are  given  in  medium  priority  with  monitoring  the  available  bandwidth. In low traffic, majority of the bandwidth is being unused, additional services adds  up in the chart. 

3.4.2. Users

The vehicles in the coverage area of network are considered to be the UEs. UEs are classified on  the traffic behavior, such as signaling (ITS). UEs play an important role in the analysis. The shift  in  the  distance  towards/away  from  the  eNodeB  will  be  the  defining  characteristics  of  this  analysis.  3.4.3. Quality of Service (QoS) Parameters As QoS are considered on the two different categories based on their traffic priorities:   Guaranteed Bit Rate (GBR)   Non‐Guaranteed Bit Rate (NGBR)  GBR allows multimedia services such as VoIP, Video, and gaming: delay cannot be neglected.  NGBR doesn’t require guarantee bit rate to serve best effort services like FTP, HTTP.  In ITS traffic, UEs changes dynamically, so dynamic service level adjustment needed in order to  enhance the QoS. QoS Class Indicator (QCI) provides the information about the treatment of  the packets in network by Packet Delay and Packet Error Loss (PEL).  3.4.4. Latency In any cellular network, throughput and latency defines performance and speed. Throughput is  the  quantity  of  data  sent  in  specific  time,  whereas  latency  is  the  time  taken  for  the  data  transaction.  Latency  is  very  sensitive  in  broadband  communication  based  on  TCP  (Nokia  Siemens, 2009) 

End‐to‐End delay in ITS traffic would be greater with respect to the speed and position of the  UEs.  Measurements  are  made  to  latency  components  in  order  to  minimize  the  delay  requirements. Latency can be improved at the access layer by providing the server closer to the  user. 

3.4.5. Modulation and Channel bandwidths

LTE has three modulation settings: QPSK, 16QAM and 64QAM and the best results are achieved  at the cell centre with 64QAM. Reduced peak rate is available elsewhere in the cell area with 

(34)

QPSK at the edges. LTE uses channel bandwidth of 1.4 MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, and  20MHz. 

3.5. Related work on LTE

The main focus of this research is to implement Vehicular to Infrastructure communication in  LTE  network.  Vehicular  communication  aims  to  make  the  passenger  experience  more  comfortable, increase traffic efficiency, to reduce fuel use and most importantly it address to  the road safety. Some applications use multiple hops to transfer information termed as vehicle  to  vehicle  (V2V)  communication.  In  some  application  local  transceiver  are  implied  at  the  roadside  which  mostly  used  to  provide  information  like  road  accidents,  road  hurdles,  work  zones  and  weather  information  and  this  type  of  applications  come  in  the  class  of  vehicle  to  infrastructure (V2I) which is the topic of this research too.  

Passenger safety is another issue in a traffic system, and widely usage of vehicle to vehicle and  vehicle to infrastructure communication can minimize the risk of accidents. The communication  society  intensified  its  focus  on  vehicular  communication  architectures  because  this  includes  scenarios such as route optimizing, safety application, post‐crash emergency notifications and  the  traffic  congestions  systems.  Mainly  WLAN  and  UMTS  are  the  main  players,  use  for  the  vehicle to vehicle and vehicle to infrastructure communications (Yunpeng Z et al, 2009) but as  traffic congestion increase with the increasing of population it is necessary to think about new  protocols  that  manage  the  traffic  between  vehicles  and  infrastructure.  Compared  to  WLAN,  UMTS  based  traffic  information  system  with  the  LTE  networks,  the  weaknesses  of  UMTS  networks are quite solvable using LTE networks (Christoph Sommer et al, 2010). 

Related  work  is  divided  into  three  sections.  First  section  focuses  on  Vehicle‐to‐Vehicle  communication, second section focuses on work related to Vehicle‐to‐Infrastructure and third  section is on Traffic Density Model. 

3.5.1. Vehicle‐to‐Vehicle Communication

In V2V communication information travel from one vehicle to the other therefore this kind of  communication  are  mostly  paved  roads  and  it  can  be  implemented  in  rural,  suburban  and  urban areas. V2V communication can be useful in the areas where cellular infrastructure is not  available. As it is direct communication from one vehicle to other; therefore information travel  without delay which results in speedy and on time travel of information specially related to the  location of nearby vehicles. 

 There  are  few  disadvantages  of  V2V  communication  that  it  required  minimum  threshold  distance  between  two  vehicles  to  transfer  the  information  successfully.  Also  in  V2V  communication,  transmit  and  receive  elevation  antennas  are  at  low  heights  which  cause  obstruction  in  the  line  of  sight  path  which  result  in  scattering  and  reflecting  the  signal. 

(35)

Moreover  in  V2V  communication  transmit  and  receive  objects  are  mostly  mobile  which  produce time varying Doppler spectra. These two effects might cause fading in the information  signal  which  might  be  more  severe  than  cellular  network  (Matolak  DW  et  al,  2011).  LTE  performance is discussed in (Matolak DW et al, 2011)  using different MIMO schemes in V2V  channel.  The  author  simulated  at  5  GHz  and  turned  high  data  rates  to  V2V  end  user,  the  throughput is doubled when doubling the system bandwidth. 

V2V  communication  based  on  VANET  (Vehicular  ad‐hoc  Network)  has  been  done  by  using  vehicles as nodes, using different line of sight (LOS) which resulted in multiple scattering and  fading. In V2V, based on 802.11p, wireless access in vehicular environments (WAVE) is carried  out; the communication is vulnerable to data loss, connectivity disruptions and high delay due  to its decentralized ad‐hoc nature, as a result, vehicles cannot always maintain its connectivity  (Maria A Vegni et al, 2011). To encounter this problem, we need a longer‐range connection by  integrating  the  wireless  technologies  with  the  vehicular  network  for  efficient  Vehicle‐to‐ Infrastructure  (V2I)  communication.  V2I  advances  V2V  in  the  terms  of  transmissions  and  provides greater coverage range (Alessandro Bazzi et al, 2011). 

3.5.2. Vehicular‐to‐ Infrastructure Communication

Wireless  networks  broke  out  into  incredible  amount  of  advancement  to  the  transportation  system by establishing communication between wireless network and vehicle and vice versa.  Different  technologies  were  used  to  gather  up  the  different  parameters  that  ensure  the  vehicles safety measures in order to avoid any collision.  

Wireless  link  can  be  developed  by different  technologies between  the  vehicles  and  network.  Similar work is done in (Belanovic P et al, 2009), where analysis of coverage and capacity are  taken in three different wireless links such as DVB‐H, UMTS, and DSRC. The results show that  capacity  of  users  is  limited  in  digital  broadcasting  system,  whereas  cellular  link  is  limited  to  capacity and DSRC system limited to coverage. Therefore V2I needs a better link in the terms of  coverage and capacity. Especially in Urban areas, user’s capacity change frequently due to its  traffic nature. 

In  (Mangel  T  et  al,  2010),  to  support  the  argument,  a  comparative  vehicular  safety  communication  is  analyzed  in  UMTS  and  LTE  on  uplink  and  downlink.  Performance  analysis  shows that LTE provide higher transmission rate and latency than UMTS, whereas 802.11p is  subjected to Non LOS issue due to short range. So, LTE takes the lead in V2I communication as  it provides higher transmission rate as well as long range. 

Vehicles  can  be  used  as  hops  to  use  LTE  relay  capabilities  in  V2I  communication.  In  (Luca  Reggiani  et  al,  2013),  small  base  stations  deployed  and  interconnected  each  other,  and  scheduling  and  allocation  of  resources  are  designed  by  prioritizing  different  classes  of  data 

(36)

traffic.  In  order  to  decrease  co‐channel  interference,  all  base  stations  are  operated  in  same  frequency. 

While  dealing  with  Vehicular  traffic,  scheduling  is  an  important  process  in  which  physical  resources are dynamically allocated to the UEs and algorithms are developed depending on its  traffic.  In  (Kihl  M  et  al,  2012),  traffic  safety  applications  been  addressed  on  the  basis  of  scheduling strategies on LTE downlink. The authors devolved collusion warnings in LTE network  by  evaluating  the  performance  of  LTE  in  vehicular  communication.  LTE  can  broadcasts  emergency messages along with multimedia services. V2I communication in LTE is very good for  rural setup where the distance between the vehicles are spaced far, but at high density areas,  due  to  small  distance,  it  causes  delay  by  resource  scheduling.  An  interesting  idea  would  minimize  the  LTE  delay  by  introducing  V2V  communication  at  short  range,  and  V2I  communication  at  long  range  through  setting  a  threshold  distance  and  switching  the  emergency messages. 

3.5.3. Traffic Density Model

Radio overlapping for urban traffic model is analyzed in (Bastani S et al, 2011). Traffic density  model is based on a signalized junction and road segments. The experimental results are taken  in  Vehicular  Ad  hoc  Networks  (VANETs),  determining  the  performance  aspects  of  data  and  safety message communication in the developed density model. As a result, unified data rate or  power cannot be assigned to all vehicles, due to heterogeneous traffic. Channel load is greater  on  two/way  road  segments  than  one‐way  scenario.  The  paper  concludes  with  the  design  of  robust mechanism to adjust power and data rates on the radio overlapping results. 

In  (Landfeldt  B  et  al,  2011),  safety  messages  are  generated  at  unexpected  critical  events  in  VANETs. The work is extension to its previous work in (Bastani S et al, 2011) using the same  traffic  density  model  with  hidden  terminal  effect  in  the  reliability  of  transmitting  the  safety  messages. Urban scenario is created at different densities of traffic with hidden node. Markov  model is used for determining the probability of event warning messages.   Our work differs from the above works in different ways: (i) Adopting a simulation approach  with real time urban traffic data and analyzing the density parameters; (ii) simulation is done in  LTE network with urban setting: not considering fading; (iii) Implementing road segments linked  to signalized junction would give a better approach in studying the Urban traffic in LTE network;  (iv) considering the LTE traffic in Downlink, i.e. all vehicles are idle; (v) To reduce the complexity  in calculations, buildings/obstacles/fading excluded. 

We  adopt  an  appropriate  urban  traffic  behavior  in  LTE  network  by  vehicular  movements  between  the  intersections  with  signalized  junction  and  a  road  segment  as  mentioned  in  (Bastani S  et  al, 2011). The Urban  traffic  data  is  taken from  real  calculation on  ITS  part  with 

(37)

accuracy. Since this is the 1st time signalized traffic being analyzed in LTE network, it creates  great amount of interest to analyze the results.  

A  system  level  LTE  simulator  is  use  to  cover  all  the  aspects  of  LTE  networks.  Our  goal  is  to  analyze  the  average  throughput  and  delay  of  the  whole  network  with  respect  to  the  urban  traffic density model. 

(38)

4. Methodology

This research work is a combination of two different fields. To make traffic density model has  the need of a different methodology then the implementation of the LTE technology. Different  methodology sections are needed to explain the research work in detail.  4.1. Traffic Density Model The initial step was to gather essential data for an appropriate traffic density model. Selection  of study area with congested signalized intersection was the first step to make a density model.  A look  on the previous studies regarding signalized intersections and  density models provide  the additional information that can be used to form a theoretical background. The main part of  the  method  relied  on  concepts  and  techniques  for  data  collection.  As  simulation  software  requirements  four  parameters  were  needed  to  measure  which  included  travel  time,  queue  length traffic flow and the turning proportion for different type of vehicles. Different methods  were  used  to  collect  the  data  regarding  input  parameters.  Geometry  data  of  the  chosen  intersection  and  traffic  signal  data  were  collected  from  the  division  of  communication  and  transport systems of the university and also compared to the study area. One important task  was the selection of simulation software that will be used for develop density model according  to  project  description  and  all  the  inputs  needed  were  stored  and  analyzed  to  clarify  if  the  available data was sufficient. 

A quantitative method was applied to calibrate and validate the simulation traffic method in  the software.  It is very important to find suitable measure that is reasonable to compare when  evaluating  the  scenarios  because  suitable  measure  is  very  important  during  analysis  of  the  traffic density. After validating, the traffic density model data will be used for the base model  for implementation in LTE technology.  4.2. LTE The purpose of this research is to implement signalized junction in downlink (all users in idle  state) LTE network and analyze its traffic density results at the end. We acquired complete data  regarding the road traffic in the form of Probability Distribution Function (PDF). In order to use  the PDF, we divided the traffic density model data into unit time frames, and use it inside the  LTE simulator. Once we get the exact number of traffic moving at every node, we can code it in  the LTE simulator by generating data sheet of traffic data per unit time. As the simulator does  not support dynamic user entry therefore to create the moving users effect in the simulation  we took several results for the same user at different positions. And we added up the whole  results in the form of system throughput, and delay plotted against time and users. 

References

Related documents

Efter analys av de mätetal, KPI:er, som finns på Saab är konklusionen att det med fördel ska arbetas på ett differentierat sätt med olika KPI:er i respektive kvadrant. För att

The comparison shows that the proposed multiplierless unity-gain FFTs need the smallest number of adders among previous SDF FFT architectures.. This holds even when substi-

Since the customer wants Android implemented on the system, it is therefore interesting because of the aforementioned reasons to implement and evaluate different versions of Android

Key terms: Inflation, Fiscal policy, Panel data, Money supply, Monetary Policy, Primary cash

För inloggning och säker e-post är dock detta en kompetent produkt som kan få ökad användbarhet i händelse av att använ- dandet av företagets PKI ökar, till exempel om

Channel sounder measurements SISO/MIMO Link level simulations Channel reconstruction Measurement based channel modeling Stored data Decision Pathloss and fading estimator High

Theories regarding obstacles to women’s career development are important to provide in this thesis due to the fact that the study is conducted in order to see the

ƒ Degradation of the soft car target affects the productivity on the proving ground ƒ Typical sensors for ADAS och AD vehicle sensing systems:.