[논문 리뷰] Multi-RATs Support to Improve V2X Communication

Ji Lianghai, Andreas Weinand외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 23.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 V2X 통신의 신뢰성 향상과 종단 간 지연 감소를 위해 LTE-Uu 및 PC5 인터페이스를 조합한 다중 무선 접근 기술(multi-RAT) 기반의 기술을 제안한다. 차량 간 직접 통신(PC5)과 셀룰러 기반 통신(LTE-Uu)을 동시에 이용해 V2X 패킷을 전송함으로써 공간 다양성 이득을 확보하여, 고밀도 도심 환경에서 패킷 수신률(PRR)을 90%에서 97%로 향상시켰으며, LTE-Uu 멀티캐스트는 통신 범위 변화에 대해 더 뛰어난 내구성을 보였다.

ABSTRACT

As the next generation of wireless system targets at providing a wider range of services with divergent QoS requirements, new applications will be enabled by the fifth generation (5G) network. Among the emerging applications, vehicle-to-everything (V2X) communication is an important use case targeted by 5G to enable an improved traffic safety and traffic efficiency. Since the V2X communication requires a low end-to-end (E2E) latency and an ultra-high reliability, the legacy cellular networks can not meet the service requirement. In this work, we inspect on the system performance of applying the LTE-Uu and PC5 interfaces to enable the V2X communication. With the LTE-Uu interface, one V2X data packet is transmitted through the cellular network infrastructure, while the PC5 interface facilitates the direct V2X communication without involving the network infrastructure in user-plane. In addition, due to the high reliability requirement, the application of a single V2X transmission technology can not meet the targets in some scenarios. Therefore, we also propose a multi-radio access technologies (multi-RATs) scheme where the data packet travels through both the LTE-Uu and PC5 interfaces to obtain a diversity gain. Last but not least, in order to derive the system performance, a system level simulator is implemented in this work. The numerical results provide us insights on how the different technologies will perform in different scenarios and also validate the proposed multi-RATs scheme.

연구 동기 및 목표

• 기존 4G 네트워크가 충족시킬 수 없는 5G V2X 통신의 고신뢰성 및 저지연 요구사항을 해결한다.
• 안전 중심의 V2X 응용 프로그램에서 99.99%의 신뢰성을 달성하는 데에 한계가 있는 단일 무선 접근 기술(RAT) 솔루션(LTE-Uu 또는 PC5)의 한계를 조사한다.
• LTE-Uu 및 PC5 인터페이스를 모두 활용하여 시스템 성능을 향상시키는 다중 무선 접근 기술 다중 RAT 다양성 기반의 설계 및 평가를 수행한다.
• 다양한 트래픽 및 통신 거리 조건에서 다양한 전송 모드(유니캐스트, 멀티캐스트)와 무선 접근 기술의 성능에 대한 정량적 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 실제 도심 차량 환경을 반영한 시스템 수준 시뮬레이터를 구현하여 V2X 성능을 평가한다.
• LTE-Uu 유니캐스트/멀티캐스트(셀룰러 인fra구조 기반)와 PC5 직접 통신(사이드라인)을 주요 전송 모드로 설정하여 V2X 통신을 모델링한다.
• 각 V2X 패킷을 동시에 LTE-Uu 및 PC5 인터페이스를 통해 전송하여 공간 다양성을 활용하는 이중 링크 다중 RAT 기반 기술을 제안한다.
• 근거리 차량 간 직접 통신을 위해 PC5 인터페이스를 활용하여 네트워크 참여 없이 저지연 통신을 구현한다.
• LTE-Uu 멀티캐스트를 활용해 네트워크 기반 자원 할당 기능을 통해 고밀도 또는 장거리 환경에서 커버리지 및 신뢰성을 향상시킨다.
• 다양한 구성 및 시나리오에서 종단 간(E2E) 지연과 패킷 수신률(PRR)을 핵심 성능 지표로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차량 밀도 및 통신 거리가 다양할 경우, LTE-Uu 유니캐스트 및 멀티캐스트는 직접 PC5 통신에 비해 종단 간 지연과 PRR 측면에서 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ2 다중 RAT 기반 기술을 통해 LTE-Uu 및 PC5 인터페이스를 조합함으로써 도전적인 V2X 환경에서 신뢰성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 다양한 전송 방식(LTE-Uu 유니캐스트, LTE-Uu 멀티캐스트, PC5 직접 통신)은 통신 거리 및 차량 밀도 변화에 얼마나 민감한가?
• RQ4 예를 들어 PC5 + LTE-Uu 유니캐스트 대비 PC5 + LTE-Uu 멀티캐스트와 같은 다중 RAT 구성 중 어느 것이 다양한 시나리오에서 가장 높은 PRR 향상과 내구성을 제공하는가?

주요 결과

• PC5 직접 통신 기반 기술은 짧은 거리, 고밀도 환경(예: 100–200m)에서 가장 낮은 종단 간 지연과 가장 높은 PRR를 달성하여 LTE-Uu 유니캐스트 및 멀티캐스트를 능가한다.
• LTE-Uu 멀티캐스트는 통신 거리 증가에 대해 더 뛰어난 내구성을 보이며, 거리가 200m를 초과할 경우 직접 V2X 통신보다 더 높은 PRR를 유지한다. 이는 커버리지 및 자원 제어 기능 덕분이다.
• PC5와 LTE-Uu 멀티캐스트를 조합한 다중 RAT 기반 기술은 PRR 97%를 달성하여 단일 모드 LTE-Uu 멀티캐스트의 90%에서 크게 향상되었으며, 특히 고밀도 도심 환경에서 두드러진다.
• PC5 + LTE-Uu 멀티캐스트 조합은 PC5 + LTE-Uu 유니캐스트에 비해 더 큰 PRR 향상을 제공한다. 이는 유니캐스트 전송 방식의 낮은 신뢰성으로 인해 후자의 향상 폭은 미미하다.
• 통신 거리가 100m에서 300m로 증가함에 따라 직접 V2X 통신의 PRR는 라디오 환경 악화로 인해 심각하게 저하되지만, LTE-Uu 멀티캐스트는 안정성을 유지한다.
• 제안된 다중 RAT 기반 기술은 더 큰 통신 거리에서 가장 효과적이며, 이는 이중 링크 전송으로 인한 다양성 이득이 99.99%의 신뢰성 목표 달성에 가장 중요한 요소이기 때문이다.