[논문 리뷰] An Analytical Latency Model and Evaluation of the Capacity of 5G NR to Support V2X Services using V2N2V Communications

M. Carmen Lucas-Estañ, Baldomero Coll-Perales외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 16.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 V2N2V(V2N2V) 통신을 통해 차량 간 통신(V2X) 서비스를 지원할 수 있는 능력을 평가하기 위해 5G NR에 대한 새로운 분석적 지연 모델을 제안한다. 서브Carrier 간격, 슬롯 구조, 스케줄링 유형, 재전송과 같은 핵심 라디오 파rameter를 모델링함으로써, 엄격한 V2X 지연 및 신뢰성 요구사항을 충족시키는 특정 5G NR 구성이 식별되었으며, 이는 정의된 교통 및 대역폭 조건 하에서 협동 차선 변경이 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

5G has been designed to support applications such as connected and automated driving. To this aim, 5G includes a highly flexible New Radio (NR) interface that can be configured to utilize different subcarrier spacings (SCS), slot durations, scheduling, and retransmissions mechanisms. This flexibility can be exploited to support advanced V2X services with strict latency and reliability requirements using V2N2V (Vehicle-to-Network-to-Vehicles) communications instead of direct or sidelink V2V (Vehicle-to-Vehicle). To analyze this possibility, this paper presents a novel analytical model that estimates the latency of 5G at the radio network level. The model accounts for the use of different numerologies (SCS, slot durations and Cyclic Prefixes), modulation and coding schemes, full-slots or mini-slots, semi-static and dynamic scheduling, different retransmission mechanisms, and broadcast/multicast or unicast transmissions. The model has been used to first analyze the impact of different 5G NR radio configurations on the latency. We then identify which radio configurations and scenarios can 5G NR satisfy the latency and reliability requirements of V2X services using V2N2V communications. This paper considers cooperative lane changes as a case study. The results show that 5G can support advanced V2X services at the radio network level using V2N2V communications under certain conditions that depend on the radio configuration, bandwidth, service requirements and cell traffic load.

연구 동기 및 목표

• V2X 서비스에 대한 엔드 투 엔드 지연에 영향을 미치는 5G NR 라디오 구성 요소의 영향을 분석하기 위해.
• V2N2V 통신이 고도로 발전한 V2X 응용 프로그램의 엄격한 지연 및 신뢰성 요구사항을 충족시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 협동 차선 변경 시나리오를 지원하는 최적의 5G NR 구성(수치 체계, 스케줄링, 재전송 방식 기반)을 식별하기 위해.
• 다양한 교통 부하 및 대역폭 조건 하에서 5G NR이 V2X 서비스를 지원하는 능력의 한계를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 서브Carrier 간격(SCS), 슬롯 지속시간, 순환 접두사, 변조/채널 인코딩 방식을 고려한 분석적 지연 모델을 개발한다.
• 다양한 스케줄링 시나리오를 모델링하기 위해 전면 슬롯 및 마이크로 슬롯 전송 구조를 통합한다.
• 신호 지연과 지연 간의 트레이드오프를 평가하기 위해 준정적 및 동적 스케줄링 메커니즘을 모델링한다.
• 소프트 병합 및 소프트 병합 이득을 고려한 자동 재전송 요청(ARQ) 및 하이브리드 ARQ(HARQ) 재전송 메커니즘을 통합한다.
• 확장성과 신뢰성을 평가하기 위해 유니캐스트 및 브로드캐스트/멀티캐스트 전송 모드를 모두 지원한다.
• 모델을 사용하여 다양한 라디오 구성과 교통 부하 수준에서 엔드 투 엔드 지연을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 5G NR 라디오 구성(예: SCS, 슬롯 구조, 스케줄링 유형)이 V2X 서비스에 대한 엔드 투 엔드 지연을 최소화하는가?
• RQ2 V2N2V 통신은 협동 차선 변경 응용 프로그램의 지연 및 신뢰성 요구사항을 충족시킬 수 있는가?
• RQ3 대역폭과 셀의 교통 부하가 V2N2V를 통한 5G NR의 V2X 서비스 지원 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 재전송 메커니즘(예: HARQ)이 V2X 시나리오에서 엔드 투 엔드 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 준정적 대비 동적 스케줄링은 V2X 네트워크에서 지연과 자원 활용도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 특정 라디오 구성(예: 15 kHz SCS, 마이크로 슬롯 스케줄링) 하에서 5G NR은 V2N2V 통신을 통해 협동 차선 변경 V2X 서비스를 지원할 수 있다.
• 최적의 구성(예: 15 kHz SCS, 동적 스케줄링, HARQ) 하에서 지연은 10 ms 이하로 유지되어 V2X 응용 프로그램의 10 ms 지연 목표를 충족시킨다.
• 고속 이동 환경에서 마이크로 슬롯 스케줄링은 전면 슬롯 스케줄링 대비 지연을 최대 30% 감소시킨다.
• V2X 브로드캐스트 시나리오에서 브로드캐스트/멀티캐스트 전송은 유니캐스트 대비 지연과 자원 소비를 감소시킨다.
• 고부하 상황에서 지연은 크게 증가하지만, 30 kHz SCS와 동적 스케줄링을 사용한 구성은 셀 부하 70%까지 지연이 10 ms 이하로 유지된다.
• 모델은 스펙트럼 효율성과 지연 사이의 트레이드오프를 식별하였으며, 15 kHz SCS는 V2X 신뢰성과 저지연을 위해 가장 균형 잡힌 성능을 제공한다.