Vehicle to Everything (V2X)

 자율주행은 여러가지 기술들이 복합적으로 필요하다. 이미지센서를 이용해 상황을 판단하는 컴퓨터 비전기술 및 인공지능 기술, 외부의 상황을 통신을 통해 받는 V2X 기술, 확보한 데이터를 종합적으로 판단해서 차량을 제어하는 기술 등 다양한 기술들이 융합되어야 한다. 이 문서에서는 인공지능 기술, V2X 기술을 다룰 예정이다.

 

Vehicle to Everything (V2X)

V2X는 차량과의 Everything과의 통신이다. 즉, V2I는 차량과 Infrastructure (신호등), V2V는 차량과 차량, V2P는 차량과 Pedestrian (보행자) 등 다양한 시나리오가 가능하다. 하지만, 자율주행에 가장 필요한 기술은 V2V 즉, 차량간의 통신이 원활하게 이어져야 차량간 충돌을 방지할 수 있다. 이와 관련된 다양한 논문과 표준화 문서들이 있는데, 그 중 표준 문서 Study on NR Vehicle-to-Everything (V2X) TR 38.885 [1]이 NR-V2X에 대해 잘 다루고 있다. 차량간 통신의 종류에는 Wi-Fi 기반의 DSRC와 Cellular 기반의 C-V2X가 있는데 각각의 장단점이 있기 때문에, 이에 대해 조금 더 자세히 알아보자.

 

Vehicle to Vehicle (V2V)

 V2V를 설명하기 전에 간단하게 D2D를 언급하고자 한다. D2D는 Device to Device의 약자로, Base station을 통하지 않고 기기간에 바로 데이터를 주고 받는 통신을 말한다. 통신 전공자들에게는 당연한 말이겠지만, 기존의 통신들은 User가 보낸 데이터는 Base station을 들렸다가 Base station에서 이 정보를 다른 User에게 쏴주는 방식이었다. 즉, 내 친구가 바로 옆에 앉아서 나랑 카톡을 해도 내 스마트 폰에서 바로 데이터가 친구 스마트 폰으로 가는 것이 아니라 base station을 들렸다 오는 매우 비효율적인 동선으로 작동하는 것이다. 이런 방식을 기지국을 거치지 않고, 바로 전송이 가능하도록 바꾼 것이 D2D다. 우리가 다루는 V2V는 이 D2D 통신의 차량 (Vehicle) 버전이다. 차량간에 바로 데이터가 왔다갔다 하는 것을 Sidelink, 차량과 Base station에서 데이터가 왔다갔다 하는 것은 uU라고 한다. 즉 우리가 여기서 V2V에 대해서 얘기하는 내용들은 Sidelink Channel에서의 작동 방법이다. 

 

DSRC vs C-V2X

 현재 V2V기술에 대한 기술은 크게 Wi-Fi 기반의 DSRC와 LTE 기반의 C-V2X로 나눠져 있다. DSRC는 기본적으로 비면허대역을 사용하고 있고 C-V2X는 면허대역을 사용하고 있다. 하지만, 이 밖에도 구현상의 차이가 있다. DSRC는 Contention based (쉽게 말하면 눈치게임) 시스템이다. IFS라고 하는 시간만큼을 기다렸다가 전송함으로써 다른 vehicle들의 메시지와 같은 자원을 사용해서 충돌하는 확률을 줄인다. 하지만 차량밀도가 늘어 났을 때, C-V2X에 비해서 Contention-based의 특성상 충돌할 확률이 C-V2X보다 높아지게 된다. 이외에도 Tx Power 등 다양한 Parameter들에 있어서 차이가 있을 수 있다. C-V2X는 주파수 자원할당 방식에 따라서 2가지로 나뉜다. 자원 할당을 Base station (기지국)에서 해주는 Mode 3, Vehicle 들이 알아서 자원을 할당하는 Mode 4로 나눠져 있다. 실제로 Mode 3나 Mode 4를 구현하기 위해서는 여러 절차들이 약속되어 있어야 하고, 이를 표준 문서와 논문들에서 다루고 있다.

   

C-V2X Mode 3

 솔직히 Mode 3는 특별히 말할 내용이 많지 않다. Base station에서 각 Vehicle이 언제 보낼지 지정해주는 구조이기 때문에, Control signal이 Base station에서 Vehicle로 내려온다는 점만 달라진다. 즉, Base station이 전체적인 resource를 관리하는 다른 통신방식들과 큰 차이가 없기 때문이다. 단, Base Station에서 자원할당을 위한 Overhead를 줄이기 위해 Semi-Persistent Scheduling (SPS) 등 다양한 매커니즘이 논의되고 있다.

 

C-V2X Mode 4

하지만 차량이 많아져서 Base station에서 Vehicle들을 모두 컨트롤 하기에는 Control overhead가 커진다거나, base station이 없는 시골을 지나갈 수 있다. 즉, Base station의 도움을 받지 못하는 경우가 생기는 시나리오도 있다, 이때, Mode 4가 이용된다. Mode 4는 Base station의 도움없이 각자끼리 자원할당 방식을 결정해서 데이터를 주고받는 과정이다. 매우 이상적이고 잘 작동할 것 같지만, 원래 Centralized 되어있는 절대자가 없는 시스템은 불안정할 수 밖에 없다.

 어쩔 수 없이 Contention과 Message Collision이 생길 수 밖에 없고, 이런 불안정성을 줄이기 위한 Mode 4의 작동원리는 크게 3가지로 구성 되어 있다. 첫 번째로, 지난 1000 ms 동안 다른 Vehicle들이 차지하고 있는 Resource를 Sensing한다. 그렇게 sensing한 결과 Power가 Threshold 이상인 자원을 이후 100 ms Selection window의 후보군에서 제거한다. 두 번째로 sensing한 power가 하위 20%인 channel의 resource들을 후보군으로 선택하는데, 후보군이 전체 resource의 20%가 안되면 20%를 넘을 때까지 Threshold를 높이고, 다시 후보군을 뽑는다. 세번째로 후보군에서 랜덤하게 뽑아서 Resource allocation을 하고 그 Resource를 이용해서 전송하게 된다. 이런 절차로 Mode 4를 진행하게 되는데, DSRC와 비교했을 때 더 높은 데이터 전송성공률을 보인다.

이 때, Vehicle이 1000 ms동안 Sensing하고 100ms의 Selection window안에서 Resource를 고르는 구조를 Long-Term Sensing이라 하는데, LTE에서 NR로 넘어오면서 Short-Term Sensing에 대한 필요성이 나오고 있다. 더 세분화해서 자원을 할당하는 NR의 특성상 지금 보내는 메시지가 있는지를 잠깐 들어보는 Short-Term Sensing에 대한 필요성이 부각된 것이다. 따라서, NR-V2X는 이에 대한 논의가 표준화 회의에서도 언급되고 있다.

 

5G에서의 V2X (NR-V2X)

 추가적으로 NR-V2X에서는 Unicast와 Groupcast에 대한 지원이 된다. C-V2X까지는 Broadcast만을 지원하여, 일대의 모든 Vehicle들이 해당 메시지를 들을 수 있었지만, NR-V2X에서는 1대 1 통신을 위한 Unicast, 여러 Vehicle에게 동시에 보내는 Groupcast를 모두 지원한다. 따라서 Platoon (군집주행)에서 Groupcast를 사용하고, 이에 대한 자원할당을 어떻게 할지에 대한 내용이 표준화 회의에서 이루어지고 있다. C-V2X가 자원할당을 누가 하는지에 따라서 Mode 3, Mode 4가 나뉘듯이 NR-V2X도 Mode 1, Mode 2로 각각의 할당주체가 대응되게 된다. NR-V2X를 설명하기 위해서는 4G에서 5G로 넘어가면서 어떤 기술이 추가되었는지, 알아보아야하기 때문에, 다음 글에서 C-V2X에 대해서 조금 더 설명한 후에, 5G의 대략적인 기술들은 알고 있다는 가정하에, NR-V2X도 정리한다.