[논문 리뷰] Distributed Cache Enabled V2X Networks: Proposals, Research Trends and Challenging Issues

Di Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 자동차, 비자동차, 보행자, 사물인터넷 기기 등을 하나의 지능형 교통 시스템으로 통합하는 분산 캐시 기반 V2X 네트워크를 제안한다. 모든 주변 장치에서 이종 캐싱을 활용하고 LTE, DSRC, 밀리미터파 대역을 통합함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시키고 지연을 감소시키며, 안전 기반 응용 분야에 대한 고신뢰성 통신을 지원한다.

ABSTRACT

Nowadays, the internet of vehicles (IoV) has been evolved into the stage of vehicle to everything (V2X). However, the majority of existing work focuses on the motor-vehicles. In contrast, the sharing bicycle system is vastly and rapidly deployed as a feasible internet of things (IoT) application scene for the last mile problem (e.g., from station to home/office). Moreover, the internet access of current V2X is relied on the back-haul to roadside unit (RSU) connections. In this paper, other than prior work, we propose a versatile V2X system with a distributed framework and heterogeneous caching method. All the vehicles and devices on-the-road (motor-vehicle, non-motor-vehicle, pedestrian, etc.) are comprehensively included in the proposed networks. We further introduce a heterogeneous cache method for effective wireless transmission while utilizing the massive connected devices. The potential research trends on achieving high speed transmission, deep programming dedicated network slicing are highlighted as well as the big data, machine learning (ML), fog computing based image recognition and reconstruction, to provide some insights for future studies. Finally, the challenging issues, i.e., urban street canyon path loss and channel models, ultra reliable communication and low latency requirements, are discussed.

연구 동기 및 목표

• 현재의 V2X 네트워크는 주로 자동차 중심이어서 공유 자전거, 보행자와 같은 비자동차 장치를 충분히 활용하지 못하는 한계를 해결하기 위해.
• 모든 연결된 도로 장치에 이종 캐싱 기법을 도입하여 백홀 부하를 줄이고 무선 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 지능형 교통 시스템 및 자율 주행 응용 분야를 위한 고속, 저지연, 초고신뢰성 통신을 가능하게 하기 위해.
• 도심 V2X 환경에서 경로 손실 모델링, 채널 모델링, URLLC(초고신뢰성 저지연 통신)에 관한 핵심 연구 과제를 규명하고 분석하기 위해.
• 네트워크 슬라이싱, 빅데이터 분석, 머신러닝, 엣지 기반 이미지 인식 기술을 활용한 향후 연구 방향 탐색을 위해.

제안 방법

• 모든 도로 장치를 통합하여 자동차, 비자동차(예: 공유 자전거), 보행자, IoT 기기를 하나의 통합 V2X 네트워크 아키텍처로 통합하는 분산 캐싱 프레임워크를 제안한다.
• 기지국, 차량, 이동 장치 등 다양한 노드에 콘텐츠를 캐시하는 이종 캐싱 전략을 도입하여 백홀 지연과 전송 지연을 줄인다.
• LTE, DSRC(5.9GHz), 밀리미터파(mmWave)를 조합한 다중 대역 무선 액세스 전략을 적용하여 다양한 통신 요구를 충족하고 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• 차량 표면에 태양 에너지 변환 장치를 탑재하여 이산화탄소 배출량을 줄이고 지속 가능한 네트워크 운영을 지원한다.
• 네트워크 기반 콘텐츠 저장 및 검색을 가능하게 하기 위해 콘텐츠 중심 네트워킹(CCNSM) 원리를 적용하여 원격 데이터 센터 의존도를 최소화한다.
• 네트워크 슬라이싱과 실시간 처리 기법을 활용하여 안전 기반 응용 분야에 적합한 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC)을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 분산 캐싱 프레임워크가 자동차, 공유 자전거, 보행자 등 이종 장치를 통합된 V2X 네트워크 아키텍처에 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 도심 스트리트 캐년 환경에서 mmWave 및 NLOS 조건에서 경로 손실과 채널 모델링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고밀도의 다수 장치가 존재하고 고속 이동성과 간섭이 높은 V2X 환경에서 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC)을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ4 머신러닝과 엣지 컴퓨팅은 지능형 교통 제어를 위한 실시간 이미지 인식 및 복원에 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ5 네트워크 슬라이싱과 계층 간 설계가 다양한 V2X 서비스(긴급 경고, 자율 주행 등)의 성능 최적화에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 도심 스트리트 캐년 환경에서 NLOS(비선형 시야) 경로 손실은 단일 구절에서 급격히 증가하여 신뢰성 있는 통신은 오직 한 번의 구절 NLOS 링크에 한해 가능하다.
• mmWave 경로 손실 모델은 여전히 개발 중이며, 뉴욕과 같은 도시에서 광범위한 측정가이 이루어졌음에도 불구하고 아직 성숙한 도심 채널 모델이 수립되지 않았다.
• 1ms 지연(5G 기준)일 경우 120km/h 속도의 차량은 3cm 뿐이지만, 30ms 지연(LTE 기준)일 경우 9dm 이동하므로 자율 주행을 위한 초저지연의 필수성이 뚜렷하다.
• 모든 연결된 장치에 걸쳐 이종 캐싱을 적용하면 백홀 부하가 크게 감소하고 로컬 콘텐츠 전달을 통해 시스템 에너지 효율성이 향상된다.
• 안전 기반 응용 분야에서는 초고신뢰성이 필수적이며, 1ms 지연이면서도 50% 신뢰성만으로는 부족하다. 핵심 제어 메시지의 신뢰성은 99% 이상 유지되어야 한다.
• 미래의 V2X 시스템은 신뢰성, 지연, 보안 과제를 해결하기 위해 네트워크 슬라이싱, 실시간 처리 칩, 안정된 프로토콜을 통합한 솔루션이 필요하다.