Performance Enhancement Techniques in LTE-V2X Communications

Abstract

차량 통신은 지난 수십 년 동안 802.11p라고 불리는 Wi-Fi 기술 기반으로 연구되어 왔습니다. 그러나, 2017년 3GPP에서 발표한 LTE-V2X의 출현으로 새로운 시스템 기반의 차량 통신 기술 연구에 대한 필요성이 대두되었습니다. LTE-V2X는 비동기식으로 동작하는 802.11p와는 다르게 동기식으로 동작하므로 많은 기술적 차이가 있습니다. 또한, 차량 간 안전 관련 메시지의 교환은 매우 높은 수신 성능을 필요로 하는데, 이는 차량 통신이 상용화되기 위해 필수적으로 해결되어야 할 문제입니다.<br/> 본 논문에서는 방송 기반 주기적인 안전 메시지가 교환되는 LTE-V2X의 성능을 향상시키기 위해 다음과 같은 세 가지 전략을 고려합니다. (i) 효율적인 피드백 메커니즘을 이용하는 간섭 인식 자원 선택 알고리즘, (ii) UE의 3GPP 표준 동작을 준수하는 RSU 보조 중계 시스템, (iii) V2V 연결성 예측 기법 및 UE 중계 알고리즘.<br/> 먼저, 우리는 간섭 인식 자원 선택 알고리즘을 제시하였습니다. 이 방식은 종래 방식의 UE가 자신이 전송하는 자원의 상태 및 같은 시간에 전송되는 다른 주파수 자원의 상태를 알 수 없는 점을 개선합니다. 이 문제를 해결하기 위해 잘 효율적인 피드백 메커니즘을 제안합니다. 특히 피드백은 기존 주기적인 안전 메시지에 포함되어 전송되므로 피드백을 전송하기 위한 추가 리소스가 필요하지 않습니다. 피드백을 활용하여 제안된 알고리즘은 간섭이 있는 경우에만 이를 파악하여 자원을 변경하도록 제안되었기 때문에, 자원을 변경할 때 확률적인 방식을 취하는 기존 방식에 비해 효율적입니다. 우리는 제안된 방식이 기존 방식보다 MRR 성능이 우수함을 확인하였으며, 수신 성능이 간섭에 취약한 환경에서 더욱 효과적임을 밝혔습니다.<br/> 두 번째로, 우리는 UE의 자원이 RSU에 의해 재사용되는 LTE-V2X 시스템에서 RSU 중계 방식을 제안합니다. LTE-V2X의 분산 자원 선택 기법에서는 UE는 자원을 자주 변경하므로 감지 기반 자원 선택의 정확성이 낮아집니다. 우리는 RSU가 사용하는 자원이 UE들의 감지 기반 자원 선택에 미칠 수 있는 잠재적인 문제들을 최소화하는 기법을 제안하였습니다. 제안하는 방식에서 기존 UE의 동작의 변경을 요구하지 않기 때문에, UE는 3GPP Release 14의 표준 동작을 유지할 수 있습니다. 다양한 시뮬레이션을 통해 RSU 릴레이 기법이 릴레이가 지원되지 않는 경우보다 자원을 더 효율적으로 사용하는 것을 확인하였습니다. 또한 기존의 802.11p 기반 중계 방식보다 MRR 성능이 더 우수함을 확인하였습니다.<br/> 마지막으로, 우리는 UE들이 협동적으로 메시지를 릴레이해주는 LTE-V2X 시스템 기반 UE 릴레이 방식을 제안합니다. HiPA라고 불리는 제안된 방식에서, 피드백 메커니즘을 이용하여 V2V 쌍의 연결성을 예측하는 기법을 제안합니다. 또한, HiPA를 활용하여 릴레이 UE 결정 및 우선순위 기반 릴레이 메시지 결정 기법을 제안합니다. 현실적인 상황을 반영한 시뮬레이션을 통해 제안된 기법이 기존의 기법보다 성능이 우수함을 증명하였고, V2V 쌍의 연결성 예측이 높은 정확도를 갖는 것을 검증하였습니다.<br/> 요약하자면, 방송 기반 주기적인 안전 메시지가 교환되는 LTE-V2X 시스템에서 성능을 저하시킬 수 있는 두 가지 주요 문제를 해결하였습니다. 첫 번째로, 간섭을 인지할 수 있는 자원 선택 기법을 제안하여 자원 선택의 효율성을 개선하였습니다. 두 번째로, 차량 간의 NLOS 채널을 극복하는 두 가지 릴레이 방식을 제안하였습니다. 제안된 기법의 성능은 현실적인 차량 통신 시뮬레이션을 통해 검증되었습니다.