[논문]하이브리드 V2X 통신시스템의 응용서비스 성능 평가를 위한 시나리오 설계 및 분석 연구

이성훈; 이창교; 변상봉; 조수현; 조현규

doi:10.6109/jkiice.2019.23.4.423

하이브리드 V2X 통신시스템의 응용서비스 성능 평가를 위한 시나리오 설계 및 분석 연구
Design and Analysis of a Scenario for Evaluating Application Service Performance of a Hybrid V2X Communication System 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.4, 2019년, pp.423 - 430

이성훈 (Convergence Technology Research Division, Gumi Electronics & Information Technology Research Institute) , 이창교 (Convergence Technology Research Division, Gumi Electronics & Information Technology Research Institute) , 변상봉 (Convergence Technology Research Division, Gumi Electronics & Information Technology Research Institute) , 조수현 (Convergence Technology Research Division, Gumi Electronics & Information Technology Research Institute) , 조현규 (Convergence Technology Research Division, Gumi Electronics & Information Technology Research Institute)

초록
AI-Helper

자동차산업과 ICT 기술의 융합 분야는 크게 상용서비스 분야와 Cooperative-ITS (C-ITS) 서비스 분야로 나뉠 수 있다. C-ITS 서비스 분야는 더 안전한 운송, 더 친환경적이고 효율적인 교통, 및 더 예측가능하고 생산적인 이동성을 제공하는 것을 목표로 하는 분야로서 V2X 통신기술이 사용되고 있다. 최근 이슈가 되고 있는 자율주행자동차와 커넥티드 카의 융합을 위해서는 높은 데이터 전송율과 낮은 전송 지연, 그리고, 낮은 전송 오류율을 요구한다. 이를 위하여 최근의 WAVE와 C-V2X (LTE-V2X, 5G-V2X) 성능 비교에 관심이 증폭되고 있으며, 통신 기술별 응용서비스들이 연구되고 있다. 본 논문에서 하이브리드 V2X 통신시스템의 응용서비스 성능평가 방법에 대해 설계하였고, 패킷에러율(PER) 성능의 감소는 차량속도가 아닌 통신 거리의 증가에 의해 발생하는 것으로 보이는 결과 등을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The convergence of the automotive industry and the ICT technology can be broadly divided into the commercial service sector and the Cooperative-ITS (C-ITS) service sector. The C-ITS service sector is using V2X communication technology as a field that aims to provide safer transportation, more green and efficient transportation, and more predictable and productive mobility. The recent convergence of self-driving cars and connected cars requires high data rates, low transmission delays, and low transmission error rates. Interest in comparison of performance between WAVE and C-V2X (LTE-V2X, 5G-V2X) has been amplified and application services by communication technology are being studied. In this paper, we design the application performance evaluation method of Hybrid V2X communication system and confirm that the decrease of packet error rate (PER) performance is caused by the increase of communication distance, not the vehicle speed.

주제어

표/그림 (7)

표 Table. 1 Performance Comparison of 5G, LTE, WAVE
표 Table. 2 V2X Use Case
그림 Fig. 1 Positioning by communication technology by self-driving function/service(Sources: Huawei)
그림 Fig. 2 Hybrid V2X Communication System-Based C-ITS (Sources: C-ROADS)
표 Table. 3 Requirements for sharing information in Rel.15
그림 Fig. 3 Performance Test Structure of Hybrid V2X Communication Systems
그림 Fig. 4 Test result log of Hybrid V2X Communication Systems

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

15에서는 Rel.14 LTE-V2X의 기틀을 유지하면서 성능을 개선하기 위해 CA(Carrier Aggregation), 송신다이버시티(Transmit Diversity) 등을 지원하여 수율(throughput)을 높이고, 통신 신뢰성을 향상하는 것을 목표로 표준을 진행하였다[11-12]. 추가적으로 3GPPNR(New Radio) 등의 5G의 기술을 기반으로 하는 eV2X의 표준화가 진행 중이고, 정립된 다양한 Use Case를 제공할 수 있다.

제안 방법

3GPP에서 진행하고 있는 C-V2X (Cellular V2X)에서는 다양한 요구분석(Use Case) 중에서 차량 간 정보공유를 100ms로 제안하였으며 이를 5G기반 자율자동차 데이터 분석 서비스의 5G 핵심성과지료(KPI: Key Performance Index)로 제시하였다. 표 3에서는 지연시간이 100ms로 요구하는 근거는 보험사에서 자율주행자동차 사고 발생 시 사고 책임을 정확히 판단하기 위해사고 당시 상황을 100% 재현해야 할 필요가 있으며, 사고 발생 시의 주변 차량의 속도/거리/차량 자체의 ECU정보 등의 정보를 실시간으로 공유하기 때문이다.
현재 전국적으로 구축되어 있는 LTE 망을 이용하여 대용량 교통정보 기반 교통 서비스를 제공함에 따라 경제성 면에서도 효용성이 높을 것으로 예측된다. LTE 기반 V2X 통신은 3GPP Rel.12와 Rel.13 규격에서 Prose로 불리는 D2D 통신에 기반을 두며, 3GPP Rel.14 규격에서 표준화가 진행되었고, 상대 속도 500km/h의 높은 도플러(High Doppler)까지 지원하기 위해 하나의 서브프레임안에 DMRS(Demodulation Reference Signal) 신호의 밀도를 2배로 증가시키다. 3GPP Rel.
결과는 미터 단위의 거리값이다. 각 패킷 별로 통신거리를 분석한 후, 시험구간 내에서 수신된 패킷들에 대한 통신거리 계산 결과 중 가장 긴 통신거리를 최대통신거리로 선정한다.
최대통신범위는 통신형태에 따라 다르게 계산하지만 전방최대통신거리와 후방최대통신거리는 시험구간 내에서 수신된 메시지들의 통신거리 중 가장 긴 통신거리로 결정된다. 따라서 각 패킷별 통신거리를 구하기 위해서, 각 개별 수신로그라인에 저장된 송신좌표와 수신좌표의 차이를 계산하며, 도초 단위의 경도/위도 값을 다음 수식에 대입하여 계산한다. 결과는 미터 단위의 거리값이다.
2장은 관련연구로 하이브리드 V2X 통신시스템의 개발 동향에 대해 기술한다. 또한 최근의 WAVE와 C-V2X (LTE-V2X, 5G-V2X)통신 기술별 응용서비스의 연구동향을 살펴본다. 3장에서는 본 논문에서 하이브리드 V2X 통신시스템의 응용서비스 성능평가 방법에 대해 논한다.
차량 주행 중에 고속의 단문메시지 교환을 수행하므로 통신시스템에서 요구하는 높은 데이터 전송율, 낮은 전송지연, 낮은 전송 오류율을 지원해야 한다. 본 논문에서는 WAVE와 LTE -V2X 통신을 통하여 도로 주행시 차량 속도가 높아지면 차간 거리가 길어져서 통신거리에 따른 패킷에러율(PER, Pack Error Rate)을 분석하였다.
자율주행을 위한 안전메시지와 대용량 정보를 동시전달할 수 있는지 여부를 검증하기 위한 시험으로WAVE와 LTE-V2X 통신을 통하여 각각의 데이터를 전송하고 하이브리드 V2X 단말기에서 통합하여 수신되는 데이터량을 측정하였다. 시험에서는 한 개의 WAVE기지국과 LTE 기지국이 사용되며, 기지국 전후 500m구간을 시속 80km/h로 왕복 주행하여 나타나는 결과를 평균하여 처리량(Throughput)을 측정한다. 또한 차량은동시에 LTE-V2X 기지국을 통해 LTE-V2X 서버의 트래픽 측정 서버에 접속하여 데이터를 수신하며 처리량(Throughput)을 측정하면 된다.
자율주행을 위한 안전메시지와 대용량 정보를 동시전달할 수 있는지 여부를 검증하기 위한 시험으로WAVE와 LTE-V2X 통신을 통하여 각각의 데이터를 전송하고 하이브리드 V2X 단말기에서 통합하여 수신되는 데이터량을 측정하였다. 시험에서는 한 개의 WAVE기지국과 LTE 기지국이 사용되며, 기지국 전후 500m구간을 시속 80km/h로 왕복 주행하여 나타나는 결과를 평균하여 처리량(Throughput)을 측정한다.
자율주행차는 운전자가 담당했던 인지/판단/제어 절차를 차량 센서를 통해 스스로 수행한다. 카메라, 라이다, 초음파, 측위센서로 주행환경에 대한 데이터를 수집하며, 각종 인식기술 및 지도정보 등을 종합하여 경로를 판단하고 최종적으로 조향, 가감속을 제어하여 자율주행을 수행하게 된다. 현재 수준인 LTE 수준에서는 승차공유, 차량 공유, 택시 예약, 카풀 서비스 등의 이동성 서비스와 주문형, 주차, 정비, 세차, 주유 서비스 등이 제공되고 있지만, 향후 주문형 자율주행 교통 서비스, 자율주행 물류 배송 서비스, 자율주행 차량 관리 서비스, 자율주행 콘텐츠 서비스 등의 차세대 서비스로의 진화를 위해서는 5G의 도입이 필수적이며, 인텔 보고서는 2050년 관련 시장 규모를 3조 7천억 달러로 예상하고 있다[5-6].

성능/효과

14 규격에서 표준화가 진행되었고, 상대 속도 500km/h의 높은 도플러(High Doppler)까지 지원하기 위해 하나의 서브프레임안에 DMRS(Demodulation Reference Signal) 신호의 밀도를 2배로 증가시키다. 3GPP Rel.14에서 V2X 동작을 위한 시나리오를 정의하고, 성능 평가결과를 바탕으로V2V, V2P 및 V2I/N을 지원하기 위한 기술들을 연구하였고 총 27종류의 서비스에 대한 Use Case가 도출되었으며, 도출된 서비스는 대부분이 충돌경고, 고장차량 경고, 차량정체 경고, 사각지역 보행자 경고 등 운전자 및 보행자의 안전 관련된 서비스가 주를 이루고 있으며, 차량 유지관리 및 차량 보수에 대한 필요 등을 알려주는 편의 기능도 포함된다.
V2X 통신시스템에서 데이터량과 통신형태에 따라 필요한 전송용량 차이로 인해 발생하는 패킷에러율를 분석하였고 데이터의 길이가 길어질수록 성능은 급격히 감소하며, 통신속도가 증가할수록 동일 크기의 데이터를 전송하는데 소요되는 시간이 짧으므로, 충돌 확률이 감소하여 패킷에러율이 증가함을 알 수 있었다.
표 1에서 DSRC는 WiFi와 유사한 CSMA/CA (CarrierSense Multiple Access/Collision Avoidance) 기법을 기반으로 차량 밀도가 증가하면 급격히 성능이 열화되는 문제가 발생하는데 반해 LTE-V2X 및 5G eV2X는 보다 개선된 자원 할당 및 채널 접속 기법을 도입하고 보다 넓은 주파수 대역에서 동작하는 기능을 보유함으로써 해당 문제에 보다 강하며, V2I와 V2N 통신은 LTE 및 5G 기반 V2X는 기존 셀룰라 인프라를 활용하여 주행자가 상황 인식을 조금 더 잘 할 수 있는 것으로 예상하고 있다. 또한 위치 정밀도 30cm 근거하여 도로폭 3.

후속연구

본 논문에서는 V2X 통신 기반 차량 시스템은 기존 차량시스템과는 달리 개발 및 평가에 실제 도로 주행 환경과 통신환경이 복합적으로 고려되어야 하기 때문에 실차 환경에서 다양한 시나리오에 대한 검증과 평가가 어렵다. 그러나 V2X 자율주행 서비스 제공 위한 차량정보 전송 데이터 등에 대한 고신뢰도 통신 성능 시험이 요구되므로, 본 연구 결과를 통해서 응용서비스 기능 평가 시나리오들을 도출하여 성능분석 및 검증으로 활용할 수 있으리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	V2X 통신 기술은 무엇인가?	이는 자동차끼리 직접 또는 거리에 설치되어 있는 인프라와 전방 교통정보, 차량 접근, 추돌 가능성 등의 정보를 주고받고 사고가 예측될 시 자동차를 제어한다는 점에서 사고를 예방하거나 연속 사고발생을 막는데 효과적이라 할 수 있다. V2X 통신 기술은 자율주행자동차의 핵심 기술 중 하나로서 이를 통해 자동차는 단순한 개인의 이동수단이 아니라 사회적 인프라로서의 역할도 수행하게 된다.
	V2X 통신으로 가능한 기술은?	따라서 자율주행자동차가 주행하면서 도로 인프라 및 다른 차량과 지속적으로 상호 통신하면서 교통상황 등 각종 유용한 정보를 교환 및 공유할 수 있도록 하는 V2X 통신이 주목받고 있다. 이는 자동차끼리 직접 또는 거리에 설치되어 있는 인프라와 전방 교통정보, 차량 접근, 추돌 가능성 등의 정보를 주고받고 사고가 예측될 시 자동차를 제어한다는 점에서 사고를 예방하거나 연속 사고발생을 막는데 효과적이라 할 수 있다. V2X 통신 기술은 자율주행자동차의 핵심 기술 중 하나로서 이를 통해 자동차는 단순한 개인의 이동수단이 아니라 사회적 인프라로서의 역할도 수행하게 된다.
	WAVE 통신기술의 장점은?	V2X 통신으로 WAVE, LTE 및 5G 통신이 거론되고 있는데, WAVE 통신기술은 실시간성, 신뢰성 및 보안성이 높고 실시간 V2V 통신이 가능해 교통사고 예방을 위한 안전데이터 전송에 유리하며, LTE 및 5G 등 상용이동통신은 넓은 통신 거리, 빠른 전송속도의 장점으로 넓은 범위에서의 미디어 데이터 전송에 유리하다. 미국, 유럽 및 국내에서는 상시연결성 제공을 위해 WAVE 통신과 이동통신을 융합한 하이브리드 V2X 통신 시스템을 개발하여 각 통신의 장점을 최대한 활용하는 방향으로 진행하고 있다.

참고문헌 (14)

Apostolos Papathanassiou, and Alexey Khoryaev, "Cellular V2X as the Essential Enabler of Superior Global Connected Transportation Services," IEEE 5G Tech Focus, vol. 1, no. 2, June. 2017.
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Peter. Lam. (2017, March). Smart Mobility Consortium & Vehicle-to- Everything (V2X), Hong Kong's Smart Mobility Consortium [Internet]. Available: https://www.hkt.com/staticfiles/PCCWCorpsite/
ETSI, "Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 3 : Specifications of Decentralized Environmental Notification Basic Service," ETSI TS 102 637-3 V1.1.1, 2010.
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5G Forum, 5G Convergence Service Scenarios Report [Internet]. Available: https://www.5gforum.org/opensource.
3GPP, "Study on LTE support for Vehicle to Everything (V2X) services (Release 14)," TR 22.885 v14.0.0, December. 2015.
3GPP, "Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers (Release 14)," TR 22.891 v14.2.0, September. 2016.
3GPP, "Service requirements for V2X services - Stage 1 (Release 14)," TS. 22.185 V14.3.0, March. 2017.
3GPP, "Vehicle-to-Everything (V2X) services based on LTE-User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 14)," TR 22.891 v14.2.0, March. 2017.
3GPP, "Service requirements for enhanced V2X scenarios (Release 15)," TS 22.186 v15.0.0, March. 2017.
3GPP, "Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services (Release 15)," TR 22.886 v15.1.0, March. 2017.
B. G. Kim, H. Y. Yoon, J. H. Yi, S. G. Park, and S. H. Choi, "Comparison of 3GPP LTE-Based V2V Communication and IEEE 802.11p Communication in Urban environments," in Proceeding of Annual Symposium on Korea Institute of Communication Science, pp. 151, Jun. 2018.
H. K. Jung, S. H. Yoon, S. G. Jin, and S. H. Jang, "Analysis of V2X Communication Performance of Large Vehicle on Expressway," in Proceeding of Annual Symposium on Korea Institute of Communication Science, pp. 500-501, Nov. 2016.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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