Real-time Analysis of Cascading Failures due to Wireless Network Instability

Abstract

Cascading failures have emerged as a significant concern, with the increasing use of wireless communication technology in safety-critical systems. In particular, the occurrence of cascading failures in real-time systems, where safety must be guaranteed, such as autonomous vehicles, can lead to severe consequences such as casualties caused by collisions between vehicles. This thesis focuses on the challenges of vehicle collisions in wireless network-based vehicle driving systems. Two of the issues that have been identified are: 1) data imbalance and control signal loss/delay due to communication, and 2) scheduling failures. To address these issues, we first propose dynamic scheduling of control signals along with a novel concept called Early Warning. However, acknowledging the limitations of the proposed method, we introduce an approach that surpasses it, focusing on signal power and controllability. Our method includes statistical observations related to communication bottlenecks and analyzes the relationship between communication performance and collision risk. Furthermore, we refine existing theoretical frameworks for collision prediction to ensure compatibility with the current protocols. To evaluate our proposed approach, we set up an environment with two vehicles operating at a fixed distance from each other and analyzed the correlation between communication strength and real-time deadline criticality in relation to collision risk.|계단식 고장(cascading failure)은 무선 통신 기술의 사용이 증가함에 따라 안전 중요도 시스템에서 중요한 문제로 부각되고 있다. 특히, 자율 주행 차량과 같이 안전이 보장되어야 하는 실시간 시스템(real-time systems)에서 계단식 고장의 발생은 차량 간 충돌로 인한 사상자와 같은 심각한 결과를 초래할 수 있다. 본 논문은 무선 네트워크 기반 차량 주행 시스템에서의 차량 충돌의 문제에 중점을 두고 있다. 식별된 두 가지 문제는 다음과 같다: 1) 통신으로 인한 데이터 불균형 및 제어 신호 손실과 지연, 2) 스케줄링 실패. 이러한 문제를 해결하기 위해, 먼저 조기 경고(early warning)라는 새로운 개념과 함께 제어 신호의 동적 스케줄링을 제안한다. 하지만 제안된 방법에는 한계가 있기에, 신호 강도와 제어 가능성에 중점을 둔, 이를 능가하는 접근 방식을 소개한다. 이 방법은 통신 병목 현상과 통신 성능 간의 관계를 분석하고, 충돌 위험과의 관련성을 통계적으로 관찰하며, 현재 프로토콜과의 호환성을 보장하기 위해 충돌 예측을 위한 기존의 이론적 프레임워크를 재정의한다. 또한, 제안한 접근 방식을 평가하기 위해 두 차량이 서로 고정된 거리에서 작동하는 환경을 설정하고, 통신 강도와 실시간 데드라인(deadline) 중요성 간의 상관 관계를 충돌 위험과 관련하여 분석한다.