LTE-V2X vs NR-V2X / TR 37.985 / Release 16
이번 글에서는 LTE-V2X와 NR-V2X를 비교하기 위해 TR 37.985 Release 16/(2020.06)를 리뷰해보기로 한다. 보통 36.xxx라고 되어있는 문서들은 LTE (E-UTRA)에 대한 내용, 38.xxx라고 되어있는 문서들은 NR에 대한 내용이다. 그리고 37.xxx에서는 이번 글에서처럼 LTE와 NR을 비교하거나, 함께 사용하는 Dual-Connectivity가 많다.
5G 시스템에서 가장 중요한 Use case로 거론되는 V2X에 대한 논의는 계속 이어지고 있다. 이에 따라, 많은 논문들이 V2X 상황을 가정했지만, 실제 C-V2X의 Mode 4나 NR-V2X의 Mode 2 표준 기준을 적용하는 논문은 많이 못 본 것 같다. 따라서, 이번 글에서는 기지국에서 자원할당을 받지 못하고, 차량들이 자체적으로 자원을 할당하는 Mode 2, Mode 4에 초점을 더 맞춰서 리뷰를 해볼 예정이다.
LTE-V2X
LTE-V2X에서는 Basic Safety Message (BSM) / Cooperative Awareness Message (CAM), Decentralized Environment Notification Message (DENM)이라는 Message가 있다. BSM / CAM은 충돌방지를 위해 주기적 (periodic)으로 전송되는 메시지이며, DENM은 비주기적인 (Aperiodic) Event가 발생할 때 전송되는 메시지다. BSM/CAM은 50~300 Bytes, DENM은 1200 Bytes의 크기를 가진다.
차량간의 통신을 Vehicle to Vehicle (V2V), 차량과 Base station (BS)와의 통신을 Vehicle to Infrastructure (V2I)라고 한다. 추가적으로, V2V간의 통신방식을 Sidelink/PC5라고 하고, V2I의 통신을 Uu라고 한다. LTE에서 Sidelink는 4가지 방식으로 나뉘는데, Device to Device (D2D)에서 사용되는 Mode 1, Mode 2가 있고, V2V에서 사용되는 Mode 3, Mode 4가 있다. V2I의 통신방식은 기존의 Base station과 User Equipment (UE)의 자원할당 방식과 크게 차이가 나지 않기 때문에, 이번 글에서는 V2V, Sidelink를 기준으로 설명한다.
LTE-V2X는 SC-FDMA을 사용해서 전송되며, 여러 Channel 중에 우리가 주의 깊게 봐야할 채널은 Physical Sidelink Shared Channel (PSSCH)와 Physical Sidelink Control Channel (PSCCH)이다. PSSCH를 통해서, 전송되는 Transport Block (TB)가 할당되는 방식에는 Base Station이 정해주는 Mode 3, Vehicle들이 자체적으로 고르는 Mode 4가 있다. TB는 한 번 또는 두 번 전송될 수 있는데, 두 번째 전송될 때의 Time Gap은 Sidelink Control Information (SCI)를 통해서 전송된다. 즉, 이전에 소개했던 Cellular 시스템에서 Scheduling 관련된 정보를 전송할 때, Downlink Control Information (DCI)라는 방법을 썼듯이, Sidelink에서는 SCI를 전송한다. SCI는 PSCCH를 통해서 전송되는데, SCI는 Scheduling Assignment (SA)라고도 불린다. PSCCH에서는 2개의 인접한 Physical Resource Block (PRB)를 통해서 전송되는데, TS 36.212에 소개된 SCI Format 1이 전송된다. PSCCH와 PSSCH는 같은 SubFrame에서 전송된다.
TR 37.985의 설명과 그림에 따르면, PSCCH는 각 PSSCH RB의 아래에 붙어있을 수도 있고 (1), 몰려 있을수도 있다. (2)
Mode 3는 Base station인 eNB에서 V2V에 사용될 자원을 할당해주는 시나리오다. LTE-V2X에서는 주로 Periodic한 메시지를 전송하게 되는데, 이를 위해서 Semi-Persistent Scheduling (SPS)를 지원하게 된다. SPS를 어떻게 사용할 지에 대한 정보는, BS에서 내려오는 DCI 정보를 통해서 전송된다. 또한, LTE-V2X에서는 Broadcast만 지원하기 때문에, Feedback-based HARQ없이 2번까지 재전송할 수 있게 설계함 (Blind-Retransmission)으로써, Reliability를 높이도록 하였다.
BS에서 자원할당을 받지 못하는 지역을 지날 때나, BS에서 Control Overhead가 커질 때, Vehicle들이 자체적으로 자원할당 방식을 정하는 Mode 4에 대해서 알아보자. Mode 4는 C-V2X의 기본에서 설명했지만, 다시 한 번 소개하도록 한다. 기본적으로는 Vehicle이 정해진 Sensing Window (1000 ms) 시간 만큼 Sensing하면서, 자신보다 높은 Prioirity로 전송되고 있는 Resource를 배제한다. 그리고, 남은 Resource 중에서 Random하게 Selection하여, SPS를 이용해서 전송한다. SPS Counter가 0으로 가면, 다시 Sensing하여, Resource Re-selection하는 절차를 반복하게 된다.
조금 자세히 말하면, Vehicle들은 PSCCH로 전송되는 SCI를 통해, 자신이 얼마나 그 Resource를 사용할지, 즉, Periodicity 정보를 담아서 보낸다. 그러면 Sensing Vehicle들은 SCI를 열어보고 (Decoding), 1000ms 동안 Sensing되는 Resource 중에 해당 자원이 앞으로 얼마나 더 예약되어 있을지 알아볼 수 있다. 추가로, Sensing Vehicle들은 1000 ms의 Sensing Window 동안 PSSCH의 Reference Signal Received Power (RSRP)값을 계산함으로써, 해당 Resource의 Interference 정도를 알 수 있다.
Transmission Trigger 4 ms 안에 시작되는 Selection Window는 latency Requirement인 100ms까지 포함될 수 있다. Sensing Vehicle은 Sensing Window동안 RSRP가 Threshold를 넘는 Resource를 제거한다.
여기서 중요한 점은, 이 Threshold는 Transmit Vehicle과 Sensing Vehicle의 Prioirity (PPPP)에 따라서 달라질 수 있다. 즉, 다른 Vehicle이 보내고 있어도, Sensing Vehicle의 Priority가 높고, 해당 Resource의 RSRP값이 작다면, 해당 Resource를 통해서 Sensing Vehicle이 보낼 수 있다.
다음으로는, 전체 Latency Requirement를 만족하는 전체 Resource 중에 Total Receive Energy의 하위 20%를 고르게 된다. 이 때, RSRP가 Threshold를 넘는 Resource를 제외한다. Total Received Energy가 작다는 것은 해당 Channel이 덜 혼잡할 가능성이 높다는 뜻이기 때문이다.
이 때, RSRP가 Threshold를 넘는 Resource를 제외한 결과 전체 Resource의 20%가 되지 않는다면, RSRP Threshold를 3dB만큼 높여서 (기준을 Rough하게 완화해준다.), 20% 이상을 만들어준다음에 해당 절차를 다시 진행한다.
최종적으로 골라진 20% 중에 Random하게 Resource를 고르게 되고, 해당 Resource를 SPS를 사용해서 예약시스템으로 전송하게 된다. 조금 더 확실한 설명을 위해 TR 37.985의 LTE-V2V Mode 4 Flow chart를 첨부한다.
이 과정에서 PPPP같은 정보들은 Upper Layer에서 PHY Layer로 내려오고, SCI를 통해서 Dynamic하게 전송된다. 이런 정보들은 Modulation Coding Scheme (MCS) 등 Transmission Parameter에도 영향을 미치게 된다.
NR-V2X
LTE-V2X의 동작방법을 알아봤으니, 이제 NR-V2X의 동작방법과 비교해볼 차례다.
NR의 대표적인 특징인 Flexible Numerology를 반영하여, SCS = 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz가 사용되는 CP-OFDM방식이 사용된다. 또한, Broadcast인 LTE-V2X와 비교했을 때, 1대1 통신인 Unicast나 1대다 통신인 Groupcast가 추가되면서, Feedback-HARQ에 대한 고려가 필요해진다. 이를 위한 Feedback Channel인 Physical Sidelink Feedback Channel (PSFCH)에서 ACK/NACK를 보내게 된다. 원래 NR의 HARQ에서는 Codeblock Group (CBG)라는 개념을 사용해서 TB를 여러 개의 CBG로 나눠서 Failure된 CBG만 재전송했었다. 하지만, NR-V2X의 ACK/NACK System에서는 CBG를 사용하지 않고, 전체 TB를 재전송하는 시스템이 사용된다.
LTE-V2X는 BS가 자원을 할당해주는 Mode 3와 Vehicle이 알아서 자원을 할당하는 Mode 4로 나뉘었다. 하지만 NR-V2X에서는 BS가 자원을 할당해주는 Mode 1과 Vehicle이 알아서 자원을 할당하는 Mode 2로 나뉜다. LTE-V2X가 Periodic message를 전송했지만, NR-V2X에서는 Aperiodic Message의 비중이 많아지기 때문에 조금 더 Dynamic한 Grant에 대한 시스템이 요구된다. MCS를 포함한 Scheduling 정보들은 RRC signaling을 통해 Dynamic하게도 Configured될 수 있다.
NR-V2X Mode 2는 LTE-V2X Mode 4처럼 Vehicle이 자원을 할당하는 경우다. NR-V2X는 1100ms나 100ms로 Sensing Window를 잡을 수 있다. 1100 ms가 Periodic한 Message를 보내는데 반해, 100 ms Option이 있는 이유는 Aperiodic한 Message를 보내는데 용이하기 때문이다. NR-V2X에서도 Sensing Window의 RSRP를 Sensing하는데 PSSCH-RSRP를 측정할 수도, PSCCH-RSRP를 측정할 수도 있다.
NR-V2X Mode 1
NR-V2X Mode 1은 LTE-V2X Mode 3처럼 Base Station에서 자원을 할당해주는 방식이다. 같은 Transport Block (TB)를 여러 번 재전송할 수 있고, RRC Signaling을 통한 Semi-Static한 Grant 지원방식 이외에도, DCI를 통한 Dynamic한 Grant도 제공할 수 있다. LTE-V2X가 Periodic Message를 Targeting했다면, NR-V2X에서는 Aperiodic한 Message도 원활하게 제공하기 위함이다.
Grant에는 두 가지 Type이 있다. 우선, RRC signaling을 통해, Vehicle이 Configured된 Grant를 받아서, 다른 RRC signaling로 이를 Release (해제)하기 전까지 Grant를 사용하는 Type 1이 있다. Type 2는 Configured된 Grant를 DCI를 통해서 Activate하고, 다른 DCI로 Deactive할 때까지 해당 Grant를 사용하는 방식이다. 필요한 Service에 따라서 여러 개의 Configuration을 지정해놓고 사용할 수도 있다. MCS 전달을 위해서, 기존의 DCI를 통한 방식 외에, RRC Signaling을 통해서도, Dynamic하게 알려줄 수도 있다.
기존의 Cellular 시스템과는 큰 차이 없이 Vehicle이 Channel의 상태를 파악해서 gNB에게 Reporting하는 시스템이나 Buffer Status Reporting (BSR)를 하는 과정을 통해서 gNB가 Vehicle들에게 자원을 할당해주게 된다.
NR-V2X Mode 2
NR-V2X의 Mode 2는 LTE-V2X의 Mode 4와 비슷하지만, 추가로 설명해야할 부분들이 조금 많다. 기본적인 시스템은 LTE-V2X Mode 4와 비슷하게, Vehicle이 정해진 Sensing Window (1100 or 100 ms) 시간 만큼 Sensing하면서, 자신보다 높은 Prioirity로 전송되고 있는 Resource를 배제한다. 그리고, 남은 Resource 중에서 Random하게 Selection하여 전송한다. Resource Reselection이 Trigger되면, Resource Re-selection하는 절차를 반복하게 된다.
NR-V2X Mode 2에서 LTE-V2X Mode 4와 비교했을 때 눈에 띄는 점은 Broadcast 방식만 하던 LTE-V2V와는 다르게, Unicast와 Groupcast를 지원한다는 점이다. 따라서, HARQ의 Feedback Based Retransmission을 제공할 수 있다는 점이다. 또한, Latency를 줄이면서 Reliability를 높이기 위해, Blind-Retransmission 등 재전송을 위한 자원을 Reserve할 수 있다는 점도 차이점으로 꼽힌다. 조금 더 자세히, Procedure면에서 바뀌는 점을 알아보도록 하자.
우선, Sensing Vehicle은 1100 ms (Periodic) or 100 ms (Aperiodic)한 Sensing Window동안 SL-RSRP를 Measure한다. 이 과정에서 SCI를 계속 Decoding하면서, 해당 Resource를 사용하고 있는 Vehicle이 있으면, 해당 Resource를 얼마나 더 사용할지 (Reserve가 얼마나 되어있는지)에 대한 정보와 자신보다 높은 Priority인지를 확인한다. 자신보다 높은 Priority면서 RSRP가 Threhold보다 높을 때는 해당 Resource를 배제하여 자신이 사용할 Resource의 Candidate (후보군)을 만든다. 만들어진 후보군 중에 Random으로 Resource를 Selection하는데, LTE-V2X처럼 후보군이 너무 적으면 (e.g., LTE-V2X는 20%), RSRP Threshold를 3dB만큼 높여서 다시 후보군을 만든다. 하지만, NR-V2X에서는 Priority에 따라서 20%, 35%, 50%로 Candidate이 얼마나 남아있어야 하는지에 대한 비율을 정할 수 있다. Priority에 대한 이슈는 긴급한 메시지를 Low-Latency로 보내야하는 5G의 특성상 매우 중요한 이슈다.
한 가지 더 NR-V2X Mode 2에서 중요한 Issue가 있다. Selection한 Resource로 메시지를 보내기 전에, 다시 한번 해당 Resource를 Re-Evaluate하는 과정이다. 이 과정이 필요한 이유는 'Sensing Window동안 추정한 값과 실제 보내려는 Timing에 채널의 상태가 다를 수 있기 때문'이다. 즉, 나는 Sensing Window의 RSRP값과 Reserve Resource의 Priority를 근거로 Resource Selection을 하고 기다리는 중인데, 그 과정에서 더 높은 Priority를 가진 Message가 그 사이에 들어올 수도 있다. 따라서, NR-V2X에서는 실제 첫 번째 Message를 전송하려는 Timing보다 T3만큼 전에 해당 Resource를 Re-Evaluate하게 된다. 만약, Re-Evaluate한 결과, 해당 Resource가 계속 비어있으면 원래 보내려고 한 대로 보내면 되지만, 더 높은 Priority를 가지고 RSRP가 Threshold보다 높은 메시지가 들어오면, Resource Re-selection을 진행해야 한다. 따라서, T3는 충분한 값을 갖고 Re-Evaluate를 진행하여야 Re-selection을 위한 시간을 벌 수 있다. 조금 더 깔끔한 설명을 위해 TR 37.985에 있는 Flow chart와 그림을 소개한다.
Conclusion 및 Future Work
NR-V2V는 기본적으로는 LTE-V2V와 비슷하지만, Sidelink Control Information (SCI)를 통해서 '각 Packet 마다 Priority Configuartion이 가능'하기 때문에 Priority 기반의 전송시스템 구축이 가능하고, 이를 조금 더 확실하게 지원하기 위해 Re-Evaluate이라는 방식도 넣었다. LTE-V2V를 위한 다양한 논문들과 Packet Loss Probability 등을 다루는 논문들이 많지만, NR-V2X가 사용될 자율주행차의 URLLC를 위한 논문들이 거의 없다. 예를 들면, LTE-V2X의 Analytic Model을 잘 정리해놓은 논문 [2]에 이어, 5G 특성을 반영하여, NR-V2X 버전의 논문을 쓰는 것도 하나의 Topic이 될 것이라고 생각한다. LTE-V2V의 논문에 이번 표준화 정리에서 추가된 개념을 얹은 논문을 쓰게되면, 인용수가 몹시 붙을 자율주행관련 논문을 쓸 수 있게 되지 않을까라고 생각한다.
[Reference]
[1] 3GPP TR 37.985, Release 16, June, 2020, V2.0.0 - Overall description of Radio Access Network (RAN) aspects for Vehicle-to-everything (V2X) based on LTE and NR
[2] M. Gonzalez-Martín, M. Sepulcre, R. Molina-Masegosa and J. Gozalvez, "Analytical Models of the Performance of C-V2X Mode 4 Vehicular Communications," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 2, pp. 1155-1166, Feb. 2019, doi: 10.1109/TVT.2018.2888704.