Abstract
The advent of 5G mobile communications, which is expected in 2020, will provide many services such as Internet of Things (IoT) and vehicle-to-infra/vehicle/nomadic (V2X) communication. There are many requirements to realizing these services: reduced latency, high data rate and reliability, and real-time service. In particular, a high level of reliability and delay sensitivity with an increased data rate are very important for M2M, IoT, and Factory 4.0. Around the world, 5G standardization organizations have considered these services and grouped them to finally derive the technical requirements and service scenarios. The first scenario is broadcast services that use a high data rate for multiple cases of sporting events or emergencies. The second scenario is as support for e-Health, car reliability, etc.; the third scenario is related to VR games with delay sensitivity and real-time techniques. Recently, these groups have been forming agreements on the requirements for such scenarios and the target level. Various techniques are being studied to satisfy such requirements and are being discussed in the context of software-defined networking (SDN) as the next-generation network architecture. SDN is being used to standardize ONF and basically refers to a structure that separates signals for the control plane from the packets for the data plane. One of the best examples for low latency and high reliability is an intelligent traffic system (ITS) using V2X. Because a car passes a small cell of the 5G network very rapidly, the messages to be delivered in the event of an emergency have to be transported in a very short time. This is a typical example requiring high delay sensitivity. 5G has to support a high reliability and delay sensitivity requirements for V2X in the field of traffic control. For these reasons, V2X is a major application of critical delay. V2X (vehicle-to-infra/vehicle/nomadic) represents all types of communication methods applicable to road and vehicles. It refers to a connected or networked vehicle. V2X can be divided into three kinds of communications. First is the communication between a vehicle and infrastructure (vehicle-to-infrastructure; V2I). Second is the communication between a vehicle and another vehicle (vehicle-to-vehicle; V2V). Third is the communication between a vehicle and mobile equipment (vehicle-to-nomadic devices; V2N). This will be added in the future in various fields. Because the SDN structure is under consideration as the next-generation network architecture, the SDN architecture is significant. However, the centralized architecture of SDN can be considered as an unfavorable structure for delay-sensitive services because a centralized architecture is needed to communicate with many nodes and provide processing power. Therefore, in the case of emergency V2X communications, delay-related control functions require a tree supporting structure. For such a scenario, the architecture of the network processing the vehicle information is a major variable affecting delay. Because it is difficult to meet the desired level of delay sensitivity with a typical fully centralized SDN structure, research on the optimal size of an SDN for processing information is needed. This study examined the SDN architecture considering the V2X emergency delay requirements of a 5G network in the worst-case scenario and performed a system-level simulation on the speed of the car, radius, and cell tier to derive a range of cells for information transfer in SDN network. In the simulation, because 5G provides a sufficiently high data rate, the information for neighboring vehicle support to the car was assumed to be without errors. Furthermore, the 5G small cell was assumed to have a cell radius of 50-100 m, and the maximum speed of the vehicle was considered to be 30-200 km/h in order to examine the network architecture to minimize the delay.
2020년경 우리에게 모습을 보이게 될 5G 이동통신은 IoT, V2X 등을 비롯하여 다양한 서비스를 고객들에게 제공할 것으로 예상되며, 이러한 서비스를 제공하기 위한 요구사항은 꾸준히 수준을 높여오던 고속 데이터 속도 외에도, 신뢰도, 그리고 실시간 서비스를 위한 지연 감소 등이 가장 중요한 고려사항이 될 것으로 전망된다. 이러한 이유는 5G의 주요 응용분야로 고려되는 분야인 M2M, IoT, Factory 4.0 등의 서비스를 위해서는 기존의 속도뿐 아니라, 특히 지연 및 신뢰성이 매우 중요하게 고려되어야 한다. 특히, 교통관제 등 자동차를 기반으로 하는 다양한 V2X(Vehicle to X)를 활용한 지능형 교통관제 시스템 및 서비스에서는 요구사항이 가장 높은 수준으로 고려될 수 있다. 5G 이동통신을 위하여 세계 각국의 표준화 기구들은 서비스를 규정하고 이를 요구사항에 따라 그룹화하여, 서비스의 시나리오 와 기술적 요구사항을 도출하였고, 최근에는 이러한 시나리오를 위한 요구사항의 수준이 어느 정도 합의에 다다르고 있다. 도출된 서비스 시나리오는 5개이며 이는 다음과 같다. 첫 번째 시나리오는 빠른 데이터 전송이 필요한 서비스로 가상 사무공간의 3차원 정보의 전송을 위해 높은 품질의 데이터를 요구한다. 두 번째 시나리오는 운동장, 콘서트장, 백화점과 같이 군중이 몰린 곳에서도 합리적인 이동통신 광대역 서비스 제공하는 경우이며, 세 번째는 이동 중에 일정 수준의 서비스를 제공하는 경우이고, 네 번째 경우는 지연 및 신뢰도에 대한 매우 강한 요구사항을 갖는 경우이며, M2M 통신과 같이 실시간성 보안 및 산업을 위한 응용 등의 예가 해당된다. 마지막으로 다섯 번째는 유비퀴터스 통신의 예이며, 다양한 요구사항을 가진 많은 수의 디바이스에 대한 효과적인 조정하는 경우를 예로 들 수 있다. 5G 통신은 또한 차세대 망의 구조를 고려하여 SDN(Software Defined Network)기반의 구조를 채택하고 있는데, 이러한 망의 구조는 지연과 신뢰도와 밀접한 관계를 갖고, 최악조건의 경우를 위한 SDN을 고려한 망 구조측면의 검토가 필요하다. 다양한 요구사항 중 5G에서 가장 주요시 고려 되어야 할 지연 및 신뢰도에 가장 적합한 시나리오는 지능형 교통 시스템 및 서비스 환경에서의 응급상황이다. 자동차는 매우 빠른 속도로 5G의 작은 셀들을 지나가고, 응급상황에 전달해야 하는 메시지는 매우 짧은 시간에 전달 및 처리되어야 하는 시나리오로 지연에 민감한 최악조건의 대표적인 예라고 생각할 수 있다. 본 논문에서는 V2X의 응급상황에서 SDN 망 구조 및 정보흐름의 규모에 대한 시뮬레이션을 통하여 시스템 수준의 분석을 진행하였다.