KR102036505B1 - Tdma 클러스터 기반의 mac 프로토콜에서 슬롯 할당 장치 및 방법 - Google Patents

Tdma 클러스터 기반의 mac 프로토콜에서 슬롯 할당 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본발명은, 차량에서 통신을 수행하기 위한 네트워크 클러스터에서 서비스 채널 및 제어 채널에서 슬롯할당 스케쥴링 방법에 있어서, 상기 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 상기 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 단계; 상기 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 단계; 및 상기 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 슬롯할당 스케쥴링 방법을 제공하여, CCH에서 두개의 제어 채널을 사용함으로써 클러스터 내의 차량 허용 대수를 증가시키고, 두개의 미니슬롯의 위치에 해당하는 타임슬롯을 이용한 서비스 채널 사용시에 세이프티 메시지를 소실할 우려를 없애주고, 차량 안전 관련 메시지의 전달을 보장할 수 있게 한다.

Description

TDMA 클러스터 기반의 MAC 프로토콜에서 슬롯 할당 장치 및 방법{Method and Apparatus for Slot Allocation in TDMA Cluster-based MAC Protocol}
본 발명에 따른 실시예는, 단일 무선 차량 송수신기를 이용한 다 채널 차량 네트워크에서 차량 클러스터링을 이용한 TDMA (Time Division Multiple Access) 슬롯 예약을 위한 TDMA 클러스터 기반 매체 접근 제어(MAC: Medium Access Control) 프로토콜에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
VANET(Vehicular Ad-Hoc Networks)는 자동차 안전 메시지 전달 시간에 민감한 도로 안전 애플리케이션, 교통 효율을 위한 범용 ITS(Intelligent Transportation Systems) 서비스 및 비 안전(논-세이프티, Non-Safety) 부가 가치 인포테인먼트 애플리케이션을 위한 통신 서비스를 제공한다. 다중 채널 VANET 매체 접근 제어 프로토콜이 직면한 문제는 높은 안정성으로 100 밀리 초 내에 자동차 안전 메시지 전달 시간이 중요한 안전 메시지를 성공적으로 전달하는 것과 안전과 관련 없는 메시지(논-세이프티 메시지)를 위해 높은 채널 활용도를 갖는 것을 포함한다.
하지만, 종래의 차량 클러스터링 기반 TDMA MAC 프로토콜에서는 하나의 차량이 하나의 논리 프레임 내에서 하나의 미니 슬롯과 하나의 SCH 서비스 슬롯만을 사용함으로써 안전관련 메시지의 전달을 보장하지 못하고 미사용 슬롯의 사용률을 높이는 데에 한계가 있다.
본 발명의 실시예들은 다채널 차량통신에서 안전관련정보 전달 보장과 서비스 채널 이용률 극대화가 가능한 TDMA 클러스터 방식의 매체접속제어 기법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 미국교통성(Department of Transport)에서 권고하는 BSM (Basic Safety Message) 채널 (CH 172)과 차량네트워크 관리용 채널 (CH 178) 요구조건을 만족하고, 안전관련 정보 (Safety Message) 전달을 보장할 수 있으며, 서비스 채널의 이용을 극대화할 수 있는 송수신 단말장치간의 통신 방식을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 차량에서 통신을 수행하기 위한 네트워크 클러스터의 서비스 채널 및 제어 채널에서 슬롯할당 스케쥴링 장치에 있어서, 상기 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 상기 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 슬롯 할당부; 상기 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 서비스 메시지 전송부; 및 상기 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 제어메시지 전송부를 포함하는 슬롯할당 스케쥴링 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 차량에서 통신을 수행하기 위한 네트워크 클러스터에서 서비스 채널 및 제어 채널에서 슬롯할당 스케쥴링 방법에 있어서, 상기 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 상기 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 단계; 상기 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 단계; 및 상기 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 슬롯할당 스케쥴링 방법을 제공한다.
본 발명은, 다채널 차량통신에서 안전관련정보 전달 보장과 서비스 채널 이용률 극대화가 가능한 TDMA 클러스터 방식의 매체접속제어 기법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 미국교통성(Department of Transport)에서 권고하는 BSM (Basic Safety Message) 채널 (CH 172)과 차량네트워크 관리용 채널 (CH 178) 요구조건을 만족하고, 안전관련 정보 (Safety Message) 전달을 보장할 수 있으며, 서비스 채널의 이용을 극대화할 수 있는 송수신 단말장치간의 통신 방식을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 VANET에서 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 통신과 V2I (Vehicle-to-Infrastructure) 통신의 네트워크 토폴로지를 도시한 도면이다.
도 2는 미국교통성(Department of Transport)에서 권고하는 DSRC(Dedicated Short Range Communication)에서 주파수 밴드 할당을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 장치(300)를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 STCM 프로토콜에 따른 TDMA 맵 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 서로 다른 차량의 짝 (VA, VB,), (VC, Vd) 및 (VE, VF)에서 서로 논-세이프티 메시지를 주고받는 서로 다른 시나리오를 도시한 도면이다.
도 6은 슬롯 재할당을 나타내는 기본 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 세이프티 메시지의 PDR(Packet Delivery Ratio)를 비교한 도면이고,
도 9는 세이프티 메시지의 평균 End-to-End Delay를 비교한 도면이고,
도 10은 논-세이프티 메시지의 평균 스루풋을 비교한 도면이고,
도 11은 SCH에 대한 채널 사용률을 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 VANET에서 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 통신과 V2I (Vehicle-to-Infrastructure) 통신의 네트워크 토폴로지를 도시한 도면이다.
VANET의 통신링크를 지칭하는 V2X 통신은 크게 V2I (Vehicle-to-Infrastructure)와 V2V (Vehicle-to- Vehicle) 통신으로 나뉜다. 도 1 과 같이 차량은 기지국 역할을 하는 노변장치인 RSU (Road Side Unit)를 사용하여 V2I 통신뿐만 아니라 RSU의 도움 없이 차량간 직접 (V2V)통신이 가능하다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본발명의 실시예는, 도로 상을 주행하는 차량을 클러스터로 그룹화하여 클러스터 내의 차량들간에 TDMA 기반으로 MAC 프로토콜을 제공하는 장치 및 방법을 제공한다.
도 2는 미국교통성(Department of Transport)에서 권고하는 DSRC(Dedicated Short Range Communication)에서 주파수 밴드 할당을 도시한 도면이다.
DSRC는 5.9GHz를 중심으로 5,855~5,925MHz 대역에서 10 MHz 간격으로 7개의 채널을 할당한 것으로서 VANET에서 TDMA 기반 MAC 제어 스케쥴링 시의 주파수 대역으로서 사용된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 장치(300)를 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 장치(300)는 슬롯 할당부(310), 서비스 메시지 전송부(320) 및 제어메시지 전송부(330)를 포함한다. 여기서 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 장치(300)는 도 3에 도시된 구성요소 중에서 일부의 구성요소가 생략되거나 새로운 구성요소가 추가되어 구현될 수도 있다.
도 3의 구성요소를 각각 간략히 설명하면, 슬롯 할당부(310)는 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당한다.
서비스 메시지 전송부(320)는 할당된 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하며, 제어메시지 전송부(330)는 미니 슬롯에서 제어 메시지(예컨대, 세이프티 메시지와 논-세이프티 메시지 전달을 위한 송수신 차량의 슬롯 할당 핸드쉐이크 메시지)를 전송한다.
또한, 서비스 메시지 전송부(320)는 대상 차량이 다른 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 대상 차량의 타임 슬롯과 다른 차량의 타임 슬롯과 동일한지 여부에 따라, 대상 차량의 기설정된 타임슬롯을 사용하지 않고 다른 타임 슬롯을 재할당한다.
제어메시지 전송부(330)는, 대상 차량에 대해 두개의 채널 CH172와 CH178에 할당된 두개의 미니 슬롯에서 서로 같은 제어 메시지를 각각 연이어 전송한다.
본 발명의 TDMA 클러스터 기반의 MAC 프로토콜에서 슬롯 할당 프로토콜은 STCM(The scalable TDMA Cluster-based MAC)이라고도 명명한다.
도 4는 본 발명의 STCM 프로토콜에 따른 TDMA 맵 구조를 도시한 도면이다.
STCM은 클러스터 기반의 VANET을 위한 동적 TDMA 슬롯 예약 기법에 기반한다. 종래의 기술에서는 각 차량이 세이프티 메시지와 논-세이프티 메시지를 송수신하기 위하여 하나의 논리 프레임 내에 하나의 CCH 미니슬롯과 하나의 SCH 슬롯을 획득한다. 참고로, 클러스터 헤드(CH)가 순차적으로 클러스터 내의 차량의 local ID를 할당한다. STCM은 다음의 두가지 주요 특징이 있다.
- STCM에서는, 각 차량의 세이프티 메시지 전달을 보장하기 위하여 두개의 서로 다른 제어 채널(CH 172 및 CH 178)로부터 두개의 미니슬롯을 할당한다. 첫째 미니슬롯은 CH 172에 두번째 미니슬롯은 CH 178에 위치한다. 두개의 서로 다른 제어채널에 각각 할당된 두개의 미니슬롯은 클러스터의 확장성(Scalability)과 세이프티 메시지 전송의 신뢰도(Reliability)를 증가시킨다.
- 사용되지 않는 SCH 채널(즉, 서비스 채널) 슬롯들은 더 많은 SCH 슬롯을 필요로 하는 차량들에게 재할당된다.
STCM 매커니즘에서, 모든 차량들은 네트워크의 사이즈를 제어하는 클러스터 헤드(CH)와 관련된다. 따라서, 한 클러스터 내의 모든 차량들은 충돌이 없는(Collision-free) 인프라 클러스터 통신을 위하여 CCH 미니슬롯과 SCH슬롯에 대한 동일한 TDMA 맵을 생성한다. CH는 RSU 또는 클러스터 헤드 차량으로서 로컬 ID 1을 사용한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 슬롯 할당부(310)는 세이프티 메시지 전송을 위한 두 개의 미니슬롯을 CH 172와 CH 178에 각각 할당하고, 논-세이프티 메시지 전송을 위하여 SCH에 슬롯을 할당한다. 여기서 CH 172 및 CH 178은 보통 제어 채널(CCHs)로 불린다.
도 4에서, CCHSlotX(X = 0, …, 59)는 CCHs에서의 슬롯번호를 나타내며, miniSlotY(Y = 0, …, 4)는 CCHSlotX 상에서 미니슬롯 번호를 나타낸다.
대상 차량이 클러스터에 진입하는 동안에, 새로운 진입 차량(new entering vehicle)은 디폴트 ID 0을 가지며 두개의 CCH 상에 두개의 미니슬롯은 슬롯 할당부(310)에 의해 결정된다.
새로운 진입 차량의 슬롯할당 스케쥴링 장치(300)에서 슬롯 할당부(310)는 클러스터에 진입하기 전에 논리 프레임의 적어도 한 사이클 동안 각 차량의 세이프티 메시지를 청취하여 네트워크 capability 정보를 얻는다. 이 새로운 차량은 capability 정보를 확인한 후 디폴트 ID 0에 해당하는 두개의 CCH 미니슬롯을 이용하여 CH에게 인증 요청을 전송하고 CH의 인증결과에 따라 해당 클러스터에 조인(Join)하게 된다.
표 1은 슬롯 할당부(310)가 CCH 미니슬롯과 SCH 슬롯을 할당하는 알고리즘을 나타낸다.
Figure 112017094245242-pat00001
슬롯 할당부(310)는 두개의 CCH 미니슬롯을 할당한다.
디폴트 ID 0을 갖는 새로운 차량은 두개의 미니슬롯의 위치를 찾는다(Algorithm 1의 line 3-30).
첫째 미니슬롯은 CH 172(CCH1)의 CCHSlot1 = 57 상에서(알고리즘 1의 line 6, 16, 18) miniSlot1 = id % nSCH = 0이다(알고리즘 1의 line 4). 첫째 미니슬롯과 유사하게, 둘째 미니슬롯은 CH 178(CCH2)의 CCHSlot2 = 58 상에서(알고리즘 1의 line 9, 23, 27) miniSlot2 = id % nSCH = 0이다(line 4). 따라서, 다음과 같이 두개의 미니슬롯 [(CCH1, CCHSlot1, miniSlot1) = (CH 172, 57, 0)] 및 [(CCH2, CCHSlot2, miniSlot2) = (CH 178, 58, 0)]이 생성된다.
이와 같이, 두개의 미니 슬롯 중에서 하나의 미니 슬롯은 하나의 타임 슬롯 내에서 할당받고, 다른 하나의 미니 슬롯은 연속된 다음 타임 슬롯 내에서 할당받는다. 즉, 하나의 미니 슬롯과 다른 하나의 미니 슬롯은 서로 연속된 타임 슬롯 내에서 각각 할당받는다.
CH는 자신의 세이프티 메시지로 차량 ID를 전체 차량에게 자신의 미니슬롯을 이용하여 방송(브로드캐스트)한다. 따라서, 네트워크 내의 모든 차량들은 업데이트된 네트워크 사이즈를 수신한다.
슬롯 할당부(310)는 하나의 디폴트 SCH 슬롯을 할당한다.
STCM에서, 네트워크는 최대 차량숫자 이하의 액티브 차량을 포함한다. 매체 접근 시간은 논리적 주기(예컨대 100ms 길이의 시간)로 나뉜다. 따라서, 하나의 TDMA 논리적 프레임이 최대 차량 수를 지원할 수 있다. TDMA 논리 프레임은 클러스터 내의 모든 차량이 적어도 하나의 세이프티 메시지를 전송하는 것을 보장한다.
TDMA 논리 프레임 내에서 SCH의 개수는 5개로 설정되며, CH는 차량의 ID를 0에서 Nmax - 1까지 할당한다. 하나의 SCH 논리프레임은 nSlot = └Nmax/nSCH┘ + 1 개의 타임 슬롯을 갖는다. Nmax는 하나의 클러스터 내의 차량의 최대 개수이며 STCM에서는 300으로 설정된다.
Low, Medium, High, Very High의 교통량 밀도 레벨에 따라, 표 2에 나타낸 바와 같이, 300m 통신 범위를 갖는 고속도로에서 2차선 고속도로는 40, 80, 120, 및 160 대의 차량들의 클러스터를, 그리고 3차선 고속도로에서는 60, 120, 180 및 240 대의 차량들의 클러스터를 갖는다.
Figure 112017094245242-pat00002
네트워크 설정에 따라 한 클러스터 내에 300 대의 차량을 사용할 수 있으며, 따라서, nSlot 60개의 슬롯이 하나의 논리 프레임 내에 구성된다. 따라서, slot ID는 0에서 └Nmax/nSCH┘ 까지 사용된다. 모든 슬롯들은 고정된 슬롯 시간 t에 해당하며 슬롯시간 t는 논-세이프티 메시지의 최대 패킷 사이즈와 데이터 레이트에 기초하여 계산된다.
각각의 SCH 프레임과 마찬가지로, 두개의 CCH 프레임은 슬롯시간 t를 갖는 └Nmax/nSCH┘ + 1 개의 타임 슬롯을 갖는다. 게다가, CCH 채널 상의 시간슬롯 t는 t/5의 슬롯기간을 갖는 nSCH(=5)개의 미니슬롯으로 분할되며 이 미니슬롯은 세이프티 메시지의 전송에 사용된다.
슬롯 예약 스케쥴은 각 SCH 프레임에서 수행되며 각 차량 id는 서비스 채널 SCHChannel(= id % nSCH) 상에서 SCH 슬롯 SCHSlot(= └id/nSCH┘)이 할당된다(알고리즘 1의 line 31, 32). 더구나, 각 차량은 id를 기반으로 한 각 논리 프레임에서 두개의 CCH로부터 두개의 미니슬롯을 얻는다. 가드 타임(GT)이 각 미니슬롯의 시작점에 삽입되며, 인터 프레임 갭(IG)이 각 논리 프레임의 시작점에 삽입된다. STCM에서 ST와 IG는 각각 50us 및 800us로 정의된다.
CH는 차량 ID와 업데이트된 액티브 차량의 숫자를 새로운 진입 차량과 클러스터 내의 모든 차량에게 배달한다. 각 차량이 자기의 두개의 미니슬롯을 이용하여 상태 정보를 주기적으로 매 논리 프레임마다 브로드캐스트 하며, 따라서, 각 차량이 주변 차량을 찾을 필요가 없다.
STCM에서, 디폴트 SCH 슬롯할당은 두가지 방법(Balanced allocation(STCM-BA) 및 Consecutive allocation(STCM-CA))으로 슬롯 할당부(310)에서 이루어진다.
STCM-BA에서, CH는 새로 진입하는 차량에게 ID를 사용가능 ID space에서 균일하게 할당한다. 이와는 반대로, STCM-CA에서는, ID가 15에서 Nmax-1 까지 사용가능 ID space에서 순차적으로 할당된다. CH는 15에서 Nmax-1 까지 ID 범위가 모두 사용된 후에 0에서 14까지 ID를 제공한다.
표 1의 알고리즘에서, CH와 클러스터 내 모든 차량이 자기 ID에 근거하여 두개의 CCH와 하나의 SCH를 선택한다. 차량들이 유일한(유니크)한 ID를 가지므로, 어떤 두개의 차량이 서로 같은 CCH 미니슬롯 및 서로 같은 SCH 슬롯을 가질 수는 없다.
서비스 메시지 전송부(320)는 할당된 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송한다. 논-세이프티 메시지 전송에는 핸드셰이크 메커니즘을 수행한다. 핸드셰이크 메시지의 교환에는 발송자의 CCH 미니슬롯이 사용된다.
예컨대, 차량 Vm이 차량 Vn에게 논-세이프티 메시지를 전송하려는 경우를 가정하자. 서비스 메시지 전송부(320)는 자신(차량 Vm)의 CCH 채널의 세이프티 메시지를 청취하여 차량 Vn 의 상태 정보를 수신한다. 만일, 차량 Vn 의 슬롯 상태 플래그가 자신의 타임 슬롯의 사용가능함을 나타내는 경우(즉, free인 경우), 차량 Vm 은 자신의 미니슬롯을 이용하여 차량 Vn 에게 핸드셰이크 메시지를 전송한다. 핸드셰이크 과정이 성공적으로 수행되면 차량 Vm 은 Vm 의 타임슬롯 또는 Vn 의 타임슬롯 또는 이 두개의 타임슬롯 전부를 이용하여 논-세이프티 메시지를 Vn 에게 전송할 수 있다.
도 5는 서로 다른 차량의 짝 (VA, VB,), (VC, VD) 및 (VE, VF)에서 서로 논-세이프티 메시지를 주고받는 서로 다른 시나리오를 도시한 도면이다.
도 5에서 슬롯에 A, B, C, D, E 및 F로 표시한 것은 각각 VA, VB, VC VD, VE 및 VF를 의미한다.
첫째 시나리오로서, 두대의 차량 VA [ID 5, SCH slot (SCHch, SCHSlot) = (0,1)] 및 VB [ID 19, SCH slot (SCHch, SCHSlot) = (4,3)]을 가정하자. 여기서 SCHch, SCHSlot은 각각 SCH 채널 번호 및 SCH 슬롯 번호를 나타낸다. 여기서, 차량 VA 및 VB 의 슬롯 위치는 서로 연속되지 않은 위치이다. 따라서, VA 및 VB는 각자의 디폴트 SCH 슬롯을 사용할 수 있다.
다음 시나리오로서, 두대의 차량 VC [ID 6, SCH slot (SCHch, SCHSlot) = (1,1)] 및 VD [ID 9, SCH slot (SCHch, SCHSlot) = (4,1)]의 슬롯은 같지만 SCH 채널은 서로 상이한 경우가 있다. 이 경우, 차량 VC 는 자신의 SCH 슬롯만을 사용하여 패킷을 VD로 전송할 수 있고, 차량 VD에 탑재된 서비스 메시지 전송부(320)에서는 자신의 논-세이프티 메시지를 전송하기 위해서 자신의 디폴트 SCH 슬롯의 사용을 스킵하고 미사용 슬롯을 재할당받는다. 즉, 서비스 메시지 전송부(320)는, 대상 차량이 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 대상 차량의 타임 슬롯과 다른 차량의 타임 슬롯과 동일한지 여부에 따라, 대상 차량의 타임슬롯을 사용하지 않고 다른 타임 슬롯을 재할당한다.
그 다음 시나리오로서, 두대의 차량 VE [ID 7, SCH slot (SCHch, SCHSlot) = (2,1)] 및 VF [ID 13, SCH slot (SCHch, SCHSlot) = (3,2)]는 두개의 연속적인 타임슬롯을 갖는다. 따라서, 두개의 연속적인 타임슬롯을 갖는 두대의 차량 중에서 앞선 타임 슬롯을 갖는 차량 VE는 자신의 디폴트 SCH 슬롯을 사용하고 차량 VF의 SCH 슬롯 사용은 스킵하여 세이프티 메시지의 소실(missing)을 방지한다. 이때, 대상 차량이 VF에 해당하는 경우 서비스 메시지 전송부(320)에서는 역시 자기 자신의 슬롯의 사용을 스킵하고, VE와 논-세이프티 메시지를 주고받기 위해 미사용 SCH 슬롯을 재할당한다. 즉, 서비스 메시지 전송부(320)는, 대상 차량이 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 대상 차량의 타임 슬롯이 다른 차량의 타임 슬롯과 동일한 경우 대상 차량의 타임슬롯을 사용하지 않고 다른 타임 슬롯을 재할당한다.
이와 같이, 서비스 메시지 전송부(320)는 대상 차량이 다른 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 대상 차량의 타임 슬롯과 다른 차량의 타임 슬롯과 동일한지 여부에 따라, 대상 차량의 기설정된 타임슬롯을 사용하지 않고 다른 타임 슬롯을 재할당한다.
참고로, STCM-BA에서 CH가 차량 ID를 균일하게 할당하기 때문에, 두개의 연속적인 슬롯의 사용 가능성은 감소될 수 있다. 반면에, STCM-CA에서는 차량 ID를 순차적으로 할당하므로 액티브 차량의 SCH 슬롯은 연속적인 타임 슬롯에 놓일 가능성이 높게 된다.
이와 같은 디폴트 SCH 슬롯 스킵 매커니즘은 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 통신에 유효하며, V2R(Vehicle-to-RSU)에는 유효하지 않다.
서비스 메시지 전송부(320)는 미사용 SCH 서비스 슬롯을 재할당한다.
서비스 메시지 전송부(320)는 세이프티 메시지를 청취하여 클러스터 내의 미사용 슬롯이 재할당 가능한지에 대한 정보를 확인한다. 여기서, 세이프티 메시지는 해당 차량의 SCH 슬롯의 사용가능성(availability)을 알려주는 SCH 슬롯 상태 정보를 포함한다. 따라서, 모든 차량은 다른 차량의 상태정보를 추출함으로써 비어 있는 SCH 슬롯을 식별할 수 있다.
만일, 어느 차량이 논-세이프티 메시지 큐에 어떤 논-세이프티 패킷도 가지고 있지 않는다면 그 차량은 상태 정보로서 해당 차량의 타임 슬롯이 미사용임을 나타내는 “unused” 플래그를 방송(브로드캐스트) 한다. 반대로, 어떤 차량이 더 많은 SCH 슬롯을 필요로 한다면 그 차량은 다른 차량의 상태정보를 청취한 후에 다른 차량의 미사용 디폴트 슬롯을 사용하기 위하여 다른 차량과 협상할 수 있다.
한편, 짝수 위치의 타임 슬롯을 사용하는 차량은 짝수 위치의 미사용 SCH 슬롯을 사용할 수 있다. 이와 유사하게 홀수 위치의 타임 슬롯을 사용하는 차량은 홀수 위치의 미사용 SCH 슬롯을 사용할 수 있다. 미사용 슬롯을 재할당하기 위한 협상(negotiation)에는 적어도 두개의 논리 프레임 싸이클을 필요로 한다.
도 6은 슬롯 재할당을 나타내는 기본 과정을 도시한 도면이다.
세 차량 Vx, Vy 및 Vz가 짝수 위치의 타임 슬롯에 속하고 SCH 슬롯 2, 3, 및 0을 각각 요구하는 것을 가정하자.
첫째 사이클 동안, 차량 Vx, Vy는 필요한 SCH 슬롯의 번호를 나타내는 상태정보를 모든 차량에게 브로드캐스트 한다. 반면에, 차량 Vz의 논-세이프티 메시지의 큐 사이즈가 0이면, 차량 Vz의 디폴트 SCH 슬롯이 클러스터 내의 어느 차량에 의해서도 사용 가능하다. 차량 Vx, Vy 는 단지 하나의 SCH슬롯만을 가지고 있는 차량 Vz의 디폴트 SCH 슬롯에 대한 사용 후보자가 된다.
STCM에서, 두개 이상의 차량이 어떤 미사용 슬롯을 요구하는 경우, SJF(Shortest Job First) 알고리즘이 해당 미사용 슬롯에 대한 차량의 우선순위를 제공한다. SJF 알고리즘에서, 큰 숫자의 SCH 슬롯을 요구하는 차량보다 적은 숫자의 SCH 슬롯을 요구하는 차량의 우선순위가 높게 부여된다. 또한, 만일 두개 이상의 차량이 서로 같은 숫자의 SCH 슬롯을 요구하는 경우에, 작은 ID를 갖는 차량에게 더 높은 우선순위가 부여된다. 따라서, SJF에 따르면, 두번째 사이클에서 요구 차량 Vx가 응답 차량 Vz로부터 Vz의 다음 SCH 슬롯의 사용에 대하여 허락을 받는다.
예를 들어, 디폴트 SCH 슬롯 SCH1 상에서 타임슬롯 slot0에 위치하는 차량 V1은 CCH 미니 슬롯을 제외하고 slot2, slot4, …, slot24 등의 2의 배수만큼 떨어진 위치의 SCH 슬롯을 사용할 수 있다. 여기서 2의 배수만큼 떨어진 위치의 SCH의 타임슬롯으로 한정하여 설명하였으나, 본발명이 이에 한정되지 않으며 떨어진 위치는 2 이상의 수 또는 n(단, n≥2)의 배수 등 다양한 실시예로 구현 가능하다.
이와 비슷하게, 홀수 타임 슬롯 위치에 SCH 슬롯을 갖는 차량은 홀수 타임슬롯 위치만을 접근할 수 있다. ID 6을 갖는 차량이 논-세이프티 메시지 전송에 필요한 SCH 슬롯을 더 요구하고, ID 16, 26, 36의 차량이 논-세이프티 패킷을 전혀 갖지 않은 경우를 가정하자. ID 6의 차량은 응답하는 차량들의 세이프티 메시지로부터 상태정보를 청취하며 세이프티 메시지를 이용하여 필요한 SCH 슬롯에 대한 정보를 모든 차량에게 전송한다. 이 경우, SJF는 요구하는 차량들 중에서 우선순위를 생성한다.
다음 사이클에서는, 응답 차량들이 세이프티 메시지를 이용하여 자기의 디폴트 SCH 슬롯에 대한 사용 가능을 나타내는 "confirmation" 플래그 상태 정보를 전송한다. 그 후에는, ID 6 차량은 응답 차량들에게 "realloacation" 플래그 상태정보와 함께 세이프티 메시지를 브로드캐스트 한다. 이 플래그는 수신자가 ID 16, 26, 36의 차량의 SCH 슬롯을 청취하도록 만들고 다른 차량이 이 SCH 슬롯을 접근하는 것을 방지한다. 만일 요청 차량이 아무런 빈 SCH 슬롯을 재할당받지 못한 경우에, 미사용 SCH 슬롯을 재할당받기 위해 다음 프레임을 기다린다. 만일, ID 5의 차량이 더 많은 SCH 슬롯을 필요로 하는 경우 ID 15, 25, 35의 차량들로부터 SCH 슬롯을 재할당받을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 방법은, 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 단계(S710), 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 단계(720), 및 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 단계(730)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 방법에서 단계 S710, S720 및 S730은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 장치의 슬롯 할당부(310), 서비스 메시지 전송부(320) 및 제어메시지 전송부(330)의 동작에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, CCH에서 두개의 제어 채널을 사용함으로써 클러스터 내의 차량 허용 대수를 증가시키는 장점이 있다.
또한, CCH에서 두개의 미니슬롯을 생성할 때 두개의 미니슬롯을 서로 다른 채널 (CH172 또는 CH178)에 서로 인접한 슬롯에 할당하므로, 생성된 두개의 미니슬롯의 위치에 해당하는 타임슬롯을 이용한 서비스 채널 사용 시 세이프티 메시지를 소실할 우려를 없애주고, 자동차 안전 관련 메시지의 전달을 보장할 수 있는 장점이 있다.
두개의 미니슬롯에 해당하는 타임슬롯을 이용한 서비스 채널 사용시에 세이프티 메시지를 소실할 우려를 없애준다.
도 8은 세이프티 메시지의 PDR(Packet Delivery Ratio)를 비교한 도면이고,
도 9는 세이프티 메시지의 평균 End-to-End Delay를 비교한 도면이고,
도 10은 논-세이프티 메시지의 평균 스루풋을 비교한 도면이고,
도 11은 SCH에 대한 채널 사용률을 비교한 도면이다.
도 8 내지 도 11에서 본발명과 비교 대상이 된 알고리즘은 TC-MAC(TDMA Cluster-based MAC), IEEE1609.4, STDMA(self-organizing TDMA) 등이다.
표 3은 도 8 내지 도 11에서 비교 시에 시뮬레이션에 사용된 MAC 레이어 파라메터를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 본발명이 TC-MAC(TDMA Cluster-based MAC), IEEE1609.4, STDMA(self-organizing TDMA) 등의 알고리즘에 비해 세이프티 메시지의 PDR(Packet Delivery Ratio), 논-세이프티 메시지의 평균 스루풋, SCH에 대한 채널 사용률 등에서는 우수한 성능을 보이고, 세이프티 메시지의 평균 End-to-End Delay에서는 STDMA 보다 조금 떨어진 성능을 보이나 그 차이가 아주 작은 정도인 것을 알 수 있다. 따라서, 본발명은 비교대상 발명들과 비교하여 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
Figure 112017094245242-pat00003
전술한 바와 같이, 도 7에 기재된 슬롯할당 스케쥴링 방법은 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 슬롯할당 스케쥴링 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
이상의 설명은 본 발명 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명 실시예들은 본 발명 실시예의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명 실시예의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
300: 슬롯할당 스케쥴링 장치
310: 슬롯 할당부
320: 서비스 메시지 전송부
330: 제어메시지 전송부

Claims (10)

  1. 차량에서 통신을 수행하기 위한 네트워크 클러스터의 서비스 채널 및 제어 채널에서 슬롯할당을 스케쥴링하는 장치에 있어서,
    상기 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 상기 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 슬롯 할당부;
    상기 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 서비스 메시지 전송부; 및
    상기 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 제어메시지 전송부
    를 포함하되,
    상기 제어 채널은 두개이며,
    상기 두개의 미니 슬롯은 각각 서로 다른 제어 채널에서 할당받는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서, 상기 제어메시지 전송부는,
    상기 두개의 미니 슬롯에서 서로 같은 제어 메시지를 각각 전송하는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 두개의 미니 슬롯 중에서 하나의 미니 슬롯은 제1 제어채널 CH172의 하나의 타임 슬롯 내에서 할당받고, 다른 하나의 미니 슬롯은 상기 하나의 타임 슬롯과 연속된 타임 슬롯 내 제2 제어채널 CH178에서 할당받는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  5. 차량에서 통신을 수행하기 위한 네트워크 클러스터의 서비스 채널 및 제어 채널에서 슬롯할당을 스케쥴링하는 장치에 있어서,
    상기 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 상기 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 슬롯 할당부;
    상기 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 서비스 메시지 전송부; 및
    상기 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 제어메시지 전송부
    를 포함하되,
    상기 서비스 메시지 전송부는,
    상기 차량이 상기 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 상기 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 상기 차량의 타임 슬롯과 상기 다른 차량의 타임 슬롯이 동일한지 여부에 따라, 상기 차량의 타임슬롯을 사용하지 않고 다른 타임 슬롯을 재할당하는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  6. 제5항에서, 상기 서비스 메시지 전송부는,
    상기 차량이 상기 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 상기 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 상기 차량의 타임 슬롯이 상기 다른 차량의 타임 슬롯과 동일한 경우 상기 차량의 타임슬롯을 사용하지 않고 다른 타임 슬롯을 재할당하는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  7. 제5항에서, 상기 서비스 메시지 전송부는,
    상기 차량이 상기 네트워크 클러스터 내에서 다른 차량에게 상기 논-세이프티 메시지를 전송하고자 할 때, 상기 차량의 타임 슬롯과 상기 다른 차량의 타임 슬롯이 서로 연속되어 위치하는 경우, 상기 차량의 타임슬롯을 사용하지 않고 상기 다른 차량의 타임 슬롯과 n(단, n≥2)의 배수만큼 떨어진 위치의 타임 슬롯을 재할당 받는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  8. 제5항에서, 상기 서비스 메시지 전송부는,
    상기 차량의 타임 슬롯이 미사용 슬롯이고 상기 미사용 슬롯에 대하여 복수의 차량으로부터 재할당요청을 받는 경우, 상기 복수의 외부 차량 각각의 타임슬롯의 요청 갯수에 따라 상기 차량의 타임 슬롯을 재할당할 외부 차량을 결정하는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  9. 제8항에서, 상기 서비스 메시지 전송부는,
    상기 복수의 외부 차량 각각의 타임슬롯의 요청 갯수가 서로 동일한 경우 상기 외부 차량의 ID에 따라 상기 차량의 타임 슬롯을 재할당할 외부 차량을 결정하는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 장치.
  10. 차량에서 통신을 수행하기 위한 네트워크 클러스터에서 서비스 채널 및 제어 채널에서 슬롯할당을 스케쥴링하는 방법에 있어서,
    상기 서비스 채널 상에서 타임 슬롯을 할당하고 상기 제어 채널 상에서 두개의 미니 슬롯을 할당하는 단계;
    상기 타임 슬롯에서 논-세이프티 메시지를 전송하는 단계; 및
    상기 미니 슬롯에서 제어 메시지를 전송하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제어 채널은 두개이며,
    상기 두개의 미니 슬롯은 각각 서로 다른 제어 채널에서 할당받는 것을 특징으로 하는 슬롯할당 스케쥴링 방법.
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