[논문]차세대 V2X 시스템과 그 전송 거리 분석

안진수; 김백; 김용호

doi:10.12673/jant.2019.23.1.36

초록
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본 논문에서는 최신 커넥티드 카 기술에 적용되는 IEEE 802.11p 표준에 기반한 현세대 및 차세대 V2X (vehicle to anything) 시스템에 대해 분석하고 차세대 V2X 시스템에 적용될 수 있는 채널 접근 기술을 제시한다. 제안하는 기법은 차세대 무선랜 표준의 직교 주파수분할 다중 사용자전송 환경에서의 다중 사용자 전송기법을 차용하여 IEEE 802.11p 기반차세대 표준에 적용하는 방법을 제시하고 있다. 본 논문에서는 기존 IEEE 802.11p 표준 기반 시스템과 제안하는 시스템 간의 그 전송 거리 및 지리적 네트워크 면적 성능을 측정함으로써 제안하는 기법에 의해 해당 요소들이 어느 정도 개선될 수 있는지를 보이며, 이를 통해 얻어낸 본 연구의 실험 결과는 제안하는 기법들이기존 V2X 표준 및 시스템의 성능을 개선시키는 데에 매우 적합함을 보인다. 또한, 본 논문은 제안하는 기법을 포함한 차세대 V2X 채널 접근 기법에 대한 분석 방법과 실험 결과를 함께 제공한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a novel channel access scheme for the next-generation vehicle to anything (V2X) system based on IEEE 802.11p standard which is applied to recent connected car technologies is suggested and analyzed. The proposed scheme proposes a channel access method utilizing OFDMA multi-user transm...

In this paper, a novel channel access scheme for the next-generation vehicle to anything (V2X) system based on IEEE 802.11p standard which is applied to recent connected car technologies is suggested and analyzed. The proposed scheme proposes a channel access method utilizing OFDMA multi-user transmission for IEEE 802.11p based system. In this paper, the authors examine geographical distance and network area performance of IEEE 802.11p system and the proposed scheme. Results of this research show that the proposed scheme is quite suitable for improving conventional V2X standards and systems. This paper also provides mathematical analysis and simulation results of the conventional IEEE 802.11p system and the proposed scheme.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. 차세대 V2X 시나리오 Fig. 1. Scenario of next-generation V2X system.
그림 그림 2. IEEE 802.11ax uplink (UL) OFDMA 기법 Fig. 2. UL OFDMA procedure of IEEE 802.11ax.
그림 그림 3. 기존 무선랜 시스템의 통신 절차 Fig. 3. Communication procedure of conventional wireless LAN system.
그림 그림 4. IEEE 802.11p 시스템의 통신 절차 Fig. 4. Communication procedure of IEEE 802.11p system.
그림 그림 5. OFDMA 무작위 채널 접근 절차 Fig. 5. Channel access procedure of OFDMA random access.
그림 그림 6. IEEE 802.11p 시스템의 네트워크 반경 Fig. 6. Network radius of IEEE 802.11p system.
그림 그림 7. 제안하는 차세대 V2X 시스템의 네트워크 반경 Fig. 7. Network radius of the proposed next-generation V2X system.

AI 본문요약
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문제 정의

11p에서부터 시작되는 다양한V2X 시스템의 가능성을 검토하고, 현재 진행되고 있는 차세대 V2X 시스템에 대한 논의와 시사점을 검토하였다. 그 일환으로 본 논문에서는V2X 시스템의 채널 접근 방법을 개선시켜 정규화 된 QoS 지연 성능을 보이면서도 전송 거리 및 그에 따른 지리적 네트워크 면적을 크게 개선시킬 수 있는 UORA 기반 차세대 V2X 채널 접근 기법을 제시하였으며, 이에 대한 분석 방법 및 도구 또한 실제 실험 결과와 함께 제시하였다. 제안하는 방법은 사전의 결합단계 없이 전송을 수행하는 UORA 절차를 IEEE 802.
따라서 본 논문은 사전의 연결 단계 없이 주파수 영역에서 경쟁접 채널 접근을 수행하는(OBO; OFDMA back-off) orthogonal frequency division multiple access back-off 방법을 모티브로 한 채널 접근 방법을 차세대 V2X 시스템의 다중 사용자 전송기법으로 설정하였으며, 이러한 다중 사용자 전송 상황에서 QoS 내의 딜레이를 최대한 많은 단말들에게 제공하는 것을 목적으로 하였다. 특히, 본 논문에서는 동일한 단말 수를 수용할 때에 개별 ITS AP가 생성하는 하나의 셀이 얼마나 넓은 범위의 전송범위를 가지는지를 실험을 통해 분석하였으며, 그 결과로서 제안하는 방법이 차세대 V2X 시스템의 전송범위를 기존 시스템 대비 개선시킬 수 있음을 보이는 것을 목적으로 한다.
따라서 앞서 설명한 IEEE 802.11ax의 직교 주파수 분할 다중 사용자 전송 기법은 IEEE 802.11p 시스템에 그대로 적용시키기에 어려움이 있으며, 이러한 문제를 해소하기 위해 본 논문에서는 IEEE 802.11ax의 일반화 된 UL OFDMA 절차가 아닌 OFDMA back-off 기반 UL OFDMA 방법을 차세대 V2X 시스템에 적용하는 것을 고려한다.
본 논문에서는 과거의 IEEE 802.11p에서부터 시작되는 다양한V2X 시스템의 가능성을 검토하고, 현재 진행되고 있는 차세대 V2X 시스템에 대한 논의와 시사점을 검토하였다. 그 일환으로 본 논문에서는V2X 시스템의 채널 접근 방법을 개선시켜 정규화 된 QoS 지연 성능을 보이면서도 전송 거리 및 그에 따른 지리적 네트워크 면적을 크게 개선시킬 수 있는 UORA 기반 차세대 V2X 채널 접근 기법을 제시하였으며, 이에 대한 분석 방법 및 도구 또한 실제 실험 결과와 함께 제시하였다.
따라서 본 논문은 사전의 연결 단계 없이 주파수 영역에서 경쟁접 채널 접근을 수행하는(OBO; OFDMA back-off) orthogonal frequency division multiple access back-off 방법을 모티브로 한 채널 접근 방법을 차세대 V2X 시스템의 다중 사용자 전송기법으로 설정하였으며, 이러한 다중 사용자 전송 상황에서 QoS 내의 딜레이를 최대한 많은 단말들에게 제공하는 것을 목적으로 하였다. 특히, 본 논문에서는 동일한 단말 수를 수용할 때에 개별 ITS AP가 생성하는 하나의 셀이 얼마나 넓은 범위의 전송범위를 가지는지를 실험을 통해 분석하였으며, 그 결과로서 제안하는 방법이 차세대 V2X 시스템의 전송범위를 기존 시스템 대비 개선시킬 수 있음을 보이는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

본 논문에서 적용하는 차세대 V2X 채널 접근 방법에서는 단말이 채널에 접근하기 위해서 UORA RU를 포함한 TF를 수신하는 것이 기본 전제이다. 따라서 단말이 전송 프레임을 생성한 이후, 처음 TF를 만날 때까지의 시간과 그 이후 경쟁을 추가적인 TF 간격마다 TF 수신을 기다리는 시간이 모두 딜레이에 포함된다.
본 논문에서는 ITS 밴드를 활용하여 9개의 RU를 사용해서 채널에 접근하는 UORA 기반 차세대 V2X 시스템을 분석한다. 개별 단말들은 UORA 절차에서 주어진 W값에 해당하는 OCW 즉, UORA 절차를 위한 윈도우 값에 대해서 OBO 값을 획득하며, 단말 측면에서 수신하게 되는 TF는 9개의 RU가 고정적으로 UORA RU로 설정되는 상황을 상정하였다.
11p 시스템을 통한 실제 전송 거리가 이론치인 1,000 m에 크게 못 미친 다는 것은 1 대 1 통신에서의 신호 영향에 대한 연구와 분석을 통해 이미 알려진 바가 있다 [18], [19]. 본 논문에서는 이를 물리계층 기반의 1 대 1 통신 분석이 아닌 하나의 ITS AP가 커버하는 전송 영역에 대한 네트워크 수준의 통합적 성능 분석을 수행한다. 즉, 네트워크 차원에서 유의미한 전송 범위를 산정함으로써 실제로 각 채널 접근 방법이 가지는 유효한 시스템 규모를 찾아내고 본 논문이 제시하는 차세대 V2X 채널접근이 기존 IEEE 802.
이번 장에서는 이론적인 분석을 토대로 한 수식이 아니라 실제 시스템을 상정하여 구현한 시뮬레이션 실험을 통해 ITU 채널 모델에 따른 신호 감쇄 영향에 따른 실제 네트워크 규모의 크기가 기존 IEEE 802.11p 기반 시스템의 이론적 최대 전송 거리인 1,000 m 대비 얼마나 실제로 감소하는지 기존 IEEE 802.11p 채널 접근 방법과 본 논문이 제시하는 차세대 V2X 채널 접근 방법을 비교하여 분석한다. 이 때의 시스템 규모의 척도는 평균 딜레이 및 패킷 로스가 QoS 값 이내에 들어오지 않고 발산하게 되는 물리적 cell radius 값을 찾는 것으로 하였으며, 이를 찾기 위해서 다양한 cell radius를 대입하여 반복적인 실험을 수행한 끝에 시스템 delay 및 패킷로스가 수렴하지 QoS 값 이내로 수렴하지 않는 값들을 찾아냈다.
그 일환으로 본 논문에서는V2X 시스템의 채널 접근 방법을 개선시켜 정규화 된 QoS 지연 성능을 보이면서도 전송 거리 및 그에 따른 지리적 네트워크 면적을 크게 개선시킬 수 있는 UORA 기반 차세대 V2X 채널 접근 기법을 제시하였으며, 이에 대한 분석 방법 및 도구 또한 실제 실험 결과와 함께 제시하였다. 제안하는 방법은 사전의 결합단계 없이 전송을 수행하는 UORA 절차를 IEEE 802.11p 기반 시스템에 적용함으로써 가능하였으며, 이 때의 모든 프레임형태와 신호교환 방법은 기존 ITS 채널을 사 용하고 있는 IEEE 802.11p 단말과의 호환성을 고려하여 설계되었다. 그러한 설계의 결과로 본 논문에서의 차세대 V2X 채널 접근 방법은 기존의 IEEE 802.
11p 시스템이 기존 무선랜 표준에 기반하여 활용되는 것을 그 표준의 골자로 하였듯이 추가적인 기능을 구현하기 위한 신호 구성 및 프레임 구성 방법을 최근의 무선랜 표준에서 차용함으로써 새로운 시스템을 활용하는데에서 발생할 수 있는 시스템적, 규제적 문제를 완전히 배제하였다. 즉, 본 논문에서 사용되는 기본적인 신호 구성 및 프레임 구성은 모두 차세대 무선랜 표준의 하나인 IEEE 802.11ax 시스템에서 그 모티브를 가져왔으며, 전송기회 획들을 위한 채널 접근 절차 자체는 기존 IEEE 802.11p의 것을 변경 없이 차용함으로써 공정성이나 시스템 호환성 등의 문제로부터 자유로운 시스템 구성을 시도하였다.

대상 데이터

본 논문에서 실험에 사용한 시스템 매개변수 값들은 해당하는 기존 표준들에서 기본 값 혹은 추천 값에 준하는 값들로 구성하였다. 단, 시스템 분석에 사용한 단말 수와 같은 요소는 과도한 단말의 참여가 cell radius 의 변화 이전에 시스템 성능을 악화시킬 수 있으므로, 단말수에 의한 시스템 병목이 발생하지 않는 수준의 값을 활용하였다.

성능/효과

11p 시스템이 상정하는 이론적 최대치에 비하면 매우 떨어지는 값으로 이론적 최대치와 실제 시스템 구현 상황간의 간극을 잘 나타내고 있다. 그러나 그 중에서도 본 논문에서 제안하는 차세대 V2X 채널접근 기법은 매우 정규화된 QoS 딜레이 성능을 보장하면서도 기존 IEEE 802.11p 시스템의 cell radius 성능을 1.69배 개선하며, 동시에 3배 가까운 V2X 네트워크의 지리적 면적을 커버하는 이득을 제공하는 것을 확인할 수 있다.
11p 단말과의 호환성을 고려하여 설계되었다. 그러한 설계의 결과로 본 논문에서의 차세대 V2X 채널 접근 방법은 기존의 IEEE 802.11p 시스템과 공존하여 적용될 수 있을뿐 아니라 ITS AP의 영역에서는 예측 가능하도록 매우 정규화 된 딜레이 성능 및 매우 뛰어난 전송 거리 및 지리적 네트워크 면적 증대라는 차세대 V2X 시스템에서 요구하는 주요 성능 지표들을 만족시킬 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 차세대 V2X 시스템을 설계하는 데에 있어서 그 무엇보다 기존 IEEE 802.11p 시스템의 프레임 및 채널 접근 절차와의 호환성을 중시하였으며, IEEE 802.11p 시스템이 기존 무선랜 표준에 기반하여 활용되는 것을 그 표준의 골자로 하였듯이 추가적인 기능을 구현하기 위한 신호 구성 및 프레임 구성 방법을 최근의 무선랜 표준에서 차용함으로써 새로운 시스템을 활용하는데에서 발생할 수 있는 시스템적, 규제적 문제를 완전히 배제하였다. 즉, 본 논문에서 사용되는 기본적인 신호 구성 및 프레임 구성은 모두 차세대 무선랜 표준의 하나인 IEEE 802.
상술한 두 채널 접근 기법의 cell radius 성능 혹은 네트워크의 지리적 면적 규모는 모두 기존의 IEEE 802.11p 시스템이 상정하는 이론적 최대치에 비하면 매우 떨어지는 값으로 이론적 최대치와 실제 시스템 구현 상황간의 간극을 잘 나타내고 있다. 그러나 그 중에서도 본 논문에서 제안하는 차세대 V2X 채널접근 기법은 매우 정규화된 QoS 딜레이 성능을 보장하면서도 기존 IEEE 802.
본 논문에서는 이를 물리계층 기반의 1 대 1 통신 분석이 아닌 하나의 ITS AP가 커버하는 전송 영역에 대한 네트워크 수준의 통합적 성능 분석을 수행한다. 즉, 네트워크 차원에서 유의미한 전송 범위를 산정함으로써 실제로 각 채널 접근 방법이 가지는 유효한 시스템 규모를 찾아내고 본 논문이 제시하는 차세대 V2X 채널접근이 기존 IEEE 802.11p 대비 이러한 네트워크 규모에 있어서도 성능 향상이 있음을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OBO 방법이란 무엇인가?	따라서 본 논문은 사전의 연결 단계 없이 주파수 영역에서 경쟁접 채널 접근을 수행하는(OBO; OFDMA back-off) orthogonal frequency division multiple access back-off 방법을 모티브로 한 채널 접근 방법을 차세대 V2X 시스템의 다중 사용자 전송기법으로 설정하였으며, 이러한 다중 사용자 전송 상황에서 QoS 내의 딜레이를 최대한 많은 단말들에게 제공하는 것을 목적으로 하였다. 특히, 본 논문에서는 동일한 단말 수를 수용할 때에 개별 ITS AP가 생성하는 하나의 셀이 얼마나 넓은 범위의 전송범위를 가지는지를 실험을 통해 분석하였으며, 그 결과로서 제안하는 방법이 차세대 V2X 시스템의 전송범위를 기존 시스템 대비 개선시킬 수 있음을 보이는 것을 목적으로 한다.
	현재 논의되고있는 최신의 표준화 회의에서 차세대 V2X 시스템의 통신주체들은?	차세대 V2X 시스템에는 기존의 차량 간 통신에서 논의되는 것보다 더욱 많고 다양한 통신 주체들이 있을 수 있다. 현재 논의되고 있는 최신의 표준화 회의에서는 주로 V2X의 가장 기본적 구성 요소인 차량 (vehicle)은 물론이고 이러한 차량들에게 도로변에서 정보를 전달할 수 있는 ITS access point (AP), 교통 안전의 보호 대상이 되는 보행자 (pedestrian), 도로 상황 및 교통 정보를 수집하는 ITS 센서 (sensor)등이 포함될 수 있으며, 단순히 차량 뿐 아니라 이를 비행체 (aerial vehicle) 또는 열차 (train)와 차량 간 혹은 열차 간의 통신에 확장하는 활용례(use cases)가 고려되고 있다[15].
	차세대 V2X 시스템에서 매우 중요한 기술적 요소로 보고있는 부분은?	이와 같이 IEEE 802.11bd가 고려하는 차세대 V2X 시스템은 기존 IEEE 802.11p 시스템과의 호환 및 연계를 매우 중요한 기술적 요소로 보고 있으며, 이는 기존 자동차 제조사, 정부 기관, 서비스 제공자들이 공히 공감하며 요구한 사항이기 때문이다. 국가적 규제 측면에서도 IEEE 802.

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