KR102113037B1 - 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법과 통신 설정 조절 방법 및 장치 - Google Patents

차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법과 통신 설정 조절 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법과 통신 설정 조절 방법 및 장치가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 차량 간 통신의 주기적 메시지 통신 설정 조절 방법은 차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 통신 환경을 파악하는 단계, 상기 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법과 통신 설정 조절 방법 및 장치{Method and Apparatus for Velocity based Self-Configuring Time Division Broadcasting Protocol for Periodic Messages in Vehicle-to-Vehicle Communication}
본 발명은 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법과 통신 설정 조절 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 무선 통신 기술은 급격히 발전하고 있으며 발전된 무선 통신은 새로운 서비스와 시장을 창출하고 있다. 게다가 새로운 서비스는 우리의 일상생활과 산업에 많은 영향을 미치고 있다. 자동차 산업에서는 무선 통신을 이용하여 운전자와 승객을 위한 새로운 서비스를 제공하기 위한 연구 개발이 이루어지고 있다. IEEE 802.11p Working Group에서는 802.11과 1609 표준을 결합한 차량 환경에 적합한 무선 통신 표준을 제정하였다. 이 표준을 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments) 라 부르며 차량과 차량 그리고 차량과 노면장치 구간에 대한 통신 규약을 정의하고 있다. 최근 미국과 유럽을 중심으로 차량 간 통신 (Vehicle-to-Vehicle communications)을 이용한 안전 서비스를 개발하는 프로젝트들이 수행되고 있다. 이들 프로젝트들은 안전 어플리케이션에 필요한 서비스 시나리오, 통신 요구사항, 메시지 형식 그리고 이를 바탕으로 구현 및 테스트 검증 등에 대해서 수행하고 정의하였다. 이를 이용한 다양한 서비스에 관한 연구가 이루어지고 있다.
차량 간 통신에서 안전 서비스를 제공하기 위해서는 주기적 메시지 배포가 이루어져야 한다. 주기적 메시지에는 차량의 상태 정보(예를 들어, 속도, 위치, 방향 등)를 포함하며 일반적인 교통 환경에서 짧은 주기로 생성되고 주고받아야 한다. 차량 간 통신에서는 이러한 주기적인 메시지 브로드캐스팅의 짧은 간격으로 인해 대규모 네트워크 혼잡과 충돌이 빈번히 발생할 수 있다. 이런 문제점들은 메시지 수신율을 감소시키고 심지어 주변 차량들에서 발생한 메시지도 수신이 되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 상황을 브로드캐스트 스톰 문제라고 부른다. 특히, 차량이 밀집한 도심 환경에서 주기적 메시지 교환으로 발생한 네트워크 혼잡은 긴급한 이벤트 발생 메시지의 전달을 방해한다. 이 경우 긴급 메시지 전파에 있어서 주변의 모든 차량이 긴급 메시지를 수신하기까지 기대 이상의 시간이 소요될 수 있다.
주기적 메시지 브로드캐스팅에 따른 문제를 해결하기 위한 방법은 대표적으로 두 종류의 접근 방법으로 구분할 수 있다. 하나는 경쟁 기반이며 다른 하나는 스케줄 기반 방법이다. 많은 연구들에서 차량 네트워크의 충돌과 혼잡을 줄이기 위한 경쟁 기반의 알고리즘들을 제안하였다. Sepulcre 외 저자들은 어플리케이션 기반의 혼합 제어 정책으로 네트워크 부하를 줄이는 방법을 제안하였다. 이 방법은 주기적 메시지에 대한 문제를 다루고 있으며 어플리케이션에서 요구하는 전송세기와 패킷의 발생 주기를 통해서 혼잡을 조절하였다. 이 연구는 차선 변경 보조 어플리케이션을 대상으로 알고리즘을 설계하고 검증하였다. He 외 저자들은 어플리케이션 계층에서 작동하는 적응적 혼잡 제어 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘 또한 발생 간격 조절 방법이며 MAC 계층에서 발생하는 직/간접적인 충돌 이벤트를 감지하여 작동하는 것이 특징이다. 저자들은 주기적 안전 어플리케이션과 이벤트 발생 안전 어플리케이션 모두를 고려한 연구를 진행하였다. Torrent-Moreno 외 저자들은 차량 네트워크 환경에서 주기적 메시지의 브로드캐스팅으로 인한 충돌을 줄이기 위해서 전송 세기를 조절하는 방법을 제안하였다. 이 방법을 Distributed Fair Power Adjustment for Vehicular environments(D-FPAV) 라고 부르며 다음과 같은 절차로 작동한다. 각각의 노드들은 최대 수신거리 안에 있는 모든 노드의 상태 정보를 수집한다. 그리고 각 노드들은 최적화된 전송 세기를 계산하여 메시지를 브로드캐스팅한다. 다른 연구들에서는 차량 네트워크상에서 네트워크 부하를 줄이기 위해서 스케줄 기반의 접근 방식을 이용한 방법들을 제안하였다. Yu 외 저자들은 차량 간 통신 환경에서 차량 안전 서비스를 위해서 Time Division Multiple Access(TDMA) MAC 방법을 제안하였다. 이 방법은 차량들의 위치 및 움직임을 알고 있는 상태에서 작동하도록 설계되었다. 차량의 군집주행 상황에서 MAC 슬롯들은 차량의 상대적인 위치에 따라서 사용 슬롯이 할당된다. 이 방법은 Cooperative Collision Avoidance (CCA) 어플리케이션을 통해서 이벤트 발생 메시지 전달에 관해서 다루고 있다. Bai 외 저자들은 차량 네트워크상에서 혼잡을 줄이기 위해서 상황 인지 주기적 메시지 교환 스케줄 방법을 제안하였다. 이 방법은 시분할 기반의 주기적 메시지 스케줄링 방법에 포함한다. 그리고 주기적 메시지 발생 간격을 의미하는 Virtual Time Frame (VTF)을 정의하였으며 이것은 시간 슬롯을 구성하며 전송에 필요한 시간으로 설계하였다. 차량들은 주변 차량 상황(위치, 속도, 방향 등) 및 통신 부하 정보를 통해서 주기적 메시지 교환을 위한 시간 슬롯을 할당 받는다. 이 방법 또한 안전 어플리케이션에 따라서 VTF 를 100ms에서 500ms까지 조절하는 내용을 포함하고 있다. 또한 배정규 외 저자들은 원활한 교통정보 수집을 위해 각 차량의 이동속도에 따라 시간 옵셋 값을 설정하고 이를 전송하고자 하는 유니캐스트 패킷의 랜덤 백오프 시간과 결합하여 차량 이동속도 기반의 혼잡제어 방법을 제안하였다.
대부분의 알고리즘들은 경쟁 기반의 해결 방식을 따르기 때문에 높은 차량 밀도에서 메시지 간 충돌 확률이 높아 질 수 있다. 여러 알고리즘들은 실시간으로 혼잡제어를 수행하기 위해서 필요한 정보(차량 상태, 네트워크 상태, 등)를 수집해야만 한다. 하지만 최소한에 필요한 정보를 수집하기 위한 단계는 별도로 설명하고 있지 않았다. 따라서 스케줄 기반의 혼잡 제어 방식으로 네트워크 부하조절을 위한 초기 정보 수집을 포함하지 않고, 차량의 운행 속도로부터 도로 위 차량 밀도를 예측하고 주기적 메시지 브로드캐스팅으로 발생하는 네트워크 부하를 조절하는 방법을 필요로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 차량 안전 서비스에서 주변차량의 정보 수집 시 주변 차량의 밀도에 따라 주기적인 메시지(Basic Safety Message: BSM 또는 Beacon Message)로 인한 네트워크 과부하(다시 말해, Broadcast Storm) 문제를 해결하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 따라서 차량의 밀도에 따라 주변차량의 주기적 메시지 전송 시점을 효율적으로 분산시키는 속도 기반의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법 및 장치를 제안하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 차량 간 통신의 주기적 메시지 통신 설정 조절 방법은 차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 통신 환경을 파악하는 단계, 상기 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계는 차량 간 통신의 주기적 메시지의 시분할 슬롯인 Beacon Slot Time(이하, BST)를 구성하고 각 차량이 랜덤하게 자신의 BST를 선택하여 주기적 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계는 상기 주기적 메시지의 전송 파워를 조절하여 차량 속도에 따라 비콘의 송신 및 수신 범위를 가변적으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계는 상기 주기적 메시지의 전송율을 높임으로써 상기 주기적 메시지의 전송시간을 단축시키고, 단축된 BST를 이용하여 비콘 슬롯을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비콘 슬롯을 증가시키는 단계는 기준 차량의 현재 속도에 따른 주변 차량의 밀도를 계산하는 단계, 상기 주기적 메시지의 BST를 계산하는 단계, 상기 BST를 이용하여 상기 기준 차량의 시분할 스케줄링 주기를 계산된 개수의 BST로 시분할하는 단계, 계산된 상기 주변 차량의 밀도가 시분할된 상기 BST의 개수보다 많은 경우 상기 주기적 메시지의 전송범위를 조절하는 단계, 시분할된 상기 BST 중 임의의 랜덤 슬롯을 선택하여 랜덤 슬롯 타임에 도달하면 비콘을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계는 차량 속도가 느려짐에 따라 상기 주기적 메시지의 생성 간격을 넓게 조절함으로써 상기 비콘 발생주기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 차량 간 통신의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법은 기준 차량의 현재 속도에 따른 주변 차량의 밀도를 계산하는 단계, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 BST를 계산하는 단계, 상기 BST를 이용하여 상기 기준 차량의 시분할 스케줄링 주기를 미리 정해진 개수의 BST로 시분할하는 단계, 계산된 상기 주변 차량의 밀도가 시분할된 상기 BST의 개수보다 많은 경우 상기 주기적 메시지의 전송범위를 조절하는 단계, 각 차량이 자신의 BST를 선택하여 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 차량 간 통신의 주기적 메시지 통신 설정 조절 장치는 차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 통신 환경을 파악하는 예측부, 상기 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 주기적 메시지의 전송 파워를 조절하여 차량 속도에 따라 비콘의 송신 및 수신 범위를 가변적으로 조절하는 전송 파워 조절부, 상기 주기적 메시지의 전송율을 높임으로써 상기 주기적 메시지의 전송시간을 단축시키고, 단축된 BST를 이용하여 비콘 슬롯을 증가시키는 전송율 조절부, 차량 속도가 느려짐에 따라 상기 주기적 메시지의 생성 간격을 넓게 조절함으로써 상기 비콘 발생주기를 조절하는 메시지 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 차량 안전 서비스에서 주변차량의 정보 수집 시 주변 차량의 밀도에 따라 주기적인 메시지(BSM)로 인한 네트워크 과부하(다시 말해, Broadcast Storm) 문제를 해결할 수 있다. 따라서 차량의 밀도에 따라 주변차량의 주기적 메시지 전송 시점을 효율적으로 분산시키는 속도 기반의 능동형 시분할 브로드캐스팅으로 인해 패킷 충돌을 줄이고 네트워크 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 통신 설정 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 WAVE 표준의 교대 채널 접근 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 N-비콘 슬롯에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 및 고속 차량의 밀도에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 스케줄링 주기에 대한 비콘 전송 주기의 예시를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 통신 설정 조절 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 통신 설정 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 통신 설정 조절 방법은 차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 통신 환경을 파악하는 단계(110), 상기 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계(120)를 포함할 수 있다.
단계(110)에서, 차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 통신 환경을 파악할 수 있다. 다시 말해, 차량의 속도에 따른 최소안전거리(MSD, Minimum Safety Distance)를 이용하여 속도 별 차량의 밀집도를 예상할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 WAVE 표준의 교대 채널 접근 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제안 알고리즘은 능동형 시분할 스케줄 형식의 방법으로써 다음과 같은 장점을 가진다. 자차 속도를 기준으로 하기 때문에 알고리즘을 적용하기 위한 사전 정보(예를 들어, 노드의 위치 및 속도 정보 등) 획득 절차가 없는 편의성을 갖는다. 서로 다른 타임 슬롯을 통해서 동시에 비콘 메시지가 전파되는 것을 제한함으로써 공평성을 갖는다. 또한, 다양하게 변화하는 차량에 속도에 맞추어서 적합한 통신환경을 설정하는 적응성을 갖는다.
VSC-A 프로젝트는 통신을 이용한 차량 간 (V2V: vehicle-to-vehicle) 안전 서비스에 대해서 개발하였고 새로운 통신 기반의 안전 어플리케이션을 설계하였다. VSC-A 프로젝트에서는 차량 간 네트워크에서 안전 어플리케이션이 올바른 서비스를 제공하기 위해서는 초당 10회의 위치정보 교환이 선행되어야 한다고 권장하고 있다. 따라서 각각의 메시지들은 100ms 간격으로 생성되고 전달되어야 한다. 이러한 시간 간격을 브로드캐스트 간격이라고 부른다.
제안하는 알고리즘은 VSC-A 프로젝트에서 제안한 메시지를 기준으로 주기적 메시지 크기와 내용을 정의하고자 한다. 예를 들어, 제안 알고리즘은 단일 안테나를 이용하는 장비를 통해서 무선 채널에 접근한다고 가정하고 교대 접근(Alternating Access) 방식으로 컨트롤 채널(CCH: Control Channel)(210) 과 서비스 채널(SCH: Service Channel)(220)을 사용하는 상황에서 작동하는 것으로 고려하였다. WAVE/1609.4표준에서 교대로 무선 채널에 접근(Alternating Channel Access)할 경우 100ms(230) 간격으로 컨트롤 채널과 서비스 채널이 모두 접근할 수 있도록 권고하고 있다.
다시 말해, 도 2과 같이 컨트롤 채널들(211, 212) 50ms와 서비스 채널들(221, 222) 50ms의 채널 사용 시간을 보장하고 있는 것이다. 하지만 채널이 변경되면서, 컨트롤 채널에서 서비스 채널로 혹은 서비스 채널에서 컨트롤 채널로 변경될 때, MAC 계층의 동기화를 위해서 보호 구간(Guard Interval)(240) 시간을 두고 있다. 해당 시간은 4ms 로 WAVE에서 정의하는 서비스 제공자와 사용자 간의 MAC 계층의 채널 변경 동기화에 필요한 최소한의 시간을 보장하고 있다. 결과적으로 50ms 의 채널 점유시간이 있지만 보호 구간(Guard Interval)(240)을 제외하면 실제 메시지 교환에 사용될 수 있는 시간은 46ms 가 된다. 따라서 제안 알고리즘은 해당 무선 채널의 동기화된 각 46ms 시간 동안 주기적 메시지를 전송을 위한 시분할 스케줄링 알고리즘을 설계할 수 있다.
일반적으로 도심지역과 같이 많은 차량이 존재하는 지역에서 안전 서비스를 제공하기 위해서 100ms 간격으로 주기적 메시지를 브로드캐스팅 한다면, 수많은 메시지들이 충돌을 일으켜 수신하기 어려울 것이다. 이러한 문제를 브로드캐스트 스톰 문제라고 한다. 안전 어플리케이션들은 주변 차량들의 정보를 거의 수신하지 못하게 된다. 이러한 경우, 통신 기반의 안전 어플리케이션들이 정상적으로 작동하기 어렵다. 다시 말해, 차량 밀도가 높은 곳에서는 주기적 메시지의 수신율을 낮아지게 할 수 있다.
제안하는 알고리즘은 시분할 다중 접속 (TDMA: Time Division Multiple Access) 방식과 스케줄 기반 방법에 속한다. 제안 알고리즘은 비콘 슬롯을 정의하여 주기적 메시지 문제를 해결할 수 있다. 하나의 주기적 메시지가 보내질 때 소요되는 최대 시간을 비콘 슬롯 타임(BST: Beacon Slot Time) 이라 부르며 전송시간과 최대 랜덤 백오프(random back off) 시간 영역으로 구성되어 있다. 전송시간은 전송률과 주기적 메시지의 크기에 따라서 결정이 된다. 예를 들어, 주기적 메시지의 크기를 378 Bytes 로 정하고 전송률을 6 Mbps로 기본 값 정의를 하였다. 이러한 메시지의 크기와 전송률은 VSC-A 통신 요구사항을 참고하였다. 최대 랜덤 백오프 시간 설정은 다음 기준에 근거한다. WAVE 통신 표준은 802.11에 기반을 둔 통신 프로토콜이기 때문에 무선 채널에 접근하기 위해서는 랜덤 백오프 접근 방법을 따른다. 특히 WAVE의 경우 우선순위에 기반을 둔 QoS(Quality of Service)를 제공하는 802.11e의 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) 무선매체 접근 방법을 사용하며 우선순위 구분을 위한 AC(Access Category)에 대해서 표 1과 같이 설명하고 있다.
<표 1>
Figure 112015113892981-pat00001
제안 방법에서 주기적 메시지는 AC1 (AC_BK)의 AIFN(Arbitration Inter-Frame Space Number)과 CWmin 값을 따른다. 따라서 비콘 슬롯 타임(BST)은 CWMin 과 AIFSN1의 슬폿 타임(Slot Time)으로 최대 랜덤 백오프 타임을 정의하고 주기적 메시지의 크기(S)를 비트단위로 변경하여 이를 전송률(R)로 나누었을 때 소요시간을 전송시간이라고 한다. 이 내용을 아래 수학식(1)로 정리할 수 있다.
Figure 112015113892981-pat00002
수학식(1)
비콘 슬롯 타임을 구성하는 전송시간을 구하기 위해 전송률과 메시지의 크기는 VSC-A의 서비스 요구 사항을 참고하였다. 다른 구성 요소인 최대 랜덤 백오프를 계산하기 위해서 EDCA 파라미터 값 및 슬롯 타임에 대해서는 WAVE/802.11p 표준을 참고하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 N-비콘 슬롯에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
예를 들어, 앞서 설명한 수학식(1)에 각각의 값들을 대입하여 비콘의 길이가 378byte 일 때 전송시간(313)을 계산하면 504μs 가 되고, 최대 랜덤 백오프(312) 시간은 312μs가 된다. 결국엔 하나의 주기적 메시지를 브로드 캐스트하기 위해서는 816μs 의 시간이 필요한 것이다. 하지만 랜덤 백오프(312)의 경우 최댓값보다 작은 값이 나올 수 있으므로 816μs 이내에 메시지 전송이 종료 될 수 있다. 따라서 이렇게 만들어지는 비콘 슬롯은 컨트롤 채널 또는 서비스 채널(310)의 50ms 시간 동안 보호 구간(Guard Interval)(311)을 제외한 46ms 시간 동안 총 56개의 시분할 슬롯들(314)을 만들 수 있으며, 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
단계(120)에서, 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시킬 수 있다. 그리고, 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계는 상기 차량간 통신의 상기 주기적 메시지의 시분할 슬롯을 구성하고 각 차량이 랜덤하게 자신의 BST를 선택하여 주기적 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계는 상기 주기적 메시지의 전송 파워를 조절하여 차량 속도에 따라 비콘의 송신 및 수신 범위를 가변적으로 조절하는 단계(121), 상기 주기적 메시지의 전송율을 높임으로써 상기 주기적 메시지의 전송시간을 단축시키고, 단축된 BST를 이용하여 비콘 슬롯을 증가시키는 단계(122), 차량 속도가 느려짐에 따라 상기 주기적 메시지의 생성 간격을 넓게 조절함으로써 상기 비콘 발생주기를 조절하는 단계(123)를 포함할 수 있다.
제안하는 알고리즘은 모든 차량들이 주기적 메시지를 브로드 캐스트하기 위해서 스스로 비콘 스롯을 할당하도록 설계하였다. 다시 말해, 어느 슬롯을 통해서 채널을 점유하고 브로드 캐스팅을 할 것인지를 차량 내 랜덤 변수에 의해서 결정을 짓는 것이다. 차량의 움직임 변화가 크기 때문에 차량의 네트워크 내에 진입 출입이 빈번할 것으로 예상된다. 또한 슬롯할당 방식을 임시적 할당 방식으로 진행할 수 있다. 임시적 할당 방식은 시뮬레이션 시간 동안 계속적으로 슬롯을 변경하여 실험하는 것을 의미한다. 이렇게 슬롯을 할당하여 혼잡을 조절하지만 실제 환경에서는 앞서 설명한 초기 제안된 슬롯 수 56개 보다 많은 차량이 도로 위에 운행 중이다. 따라서 슬롯의 수 보다 낮은 운행 차량 수가 되어야 제안 알고리즘의 효율성이 높아지게 된다. 만약 차량의 수가 56대 이상이 된다면 무선 채널이 포화 상태가 되고 주기적 메시지로 인한 네트워크 부하 증가 문제가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제를 예측하기 위해서 밀도에 따른 통신 설정 변수들을 조절하고자 한다. 또한 문제 예측에 필요한 차량 밀도를 계산하기 위해서 차량 속도가 현재의 교통 상황을 반영한다고 가정한다. 다시 말해, 차량 속도가 느릴 경우 차량 간의 거리가 가까워지고 속도가 빠를수록 다시 차량 간 거리는 멀어 진다고 정의할 수 있다.
제안 알고리즘에서는 속도에 따른 최소 안전거리(MSD: Minimum Safety Distance) 공식을 이용하여 도로 상에서 차량의 밀도를 예측하고자 한다. 최소 안전거리 공식은 차량 속도(ui), 운전자 반응시간(tPRT), 노면-타이어 마찰계수(f), 도로 경사(G), 그리고 중력감속도(g) 등으로 구성되어 있으며 그 식은 수학식(2)와 같다.
Figure 112015113892981-pat00003
수학식(2)
제안 알고리즘은 수학식(2)를 통해서 속도에 따른 차량 간 거리를 계산하고 이렇게 계산된 거리를 통해서 km 당 차량의 밀도를 예측할 수 있다. 각각의 차량들은 자차의 속도를 이용한 계산된 밀도에 따라서 통신 설정을 조절한다. 표 2를 통해서 속도에 따른 차량밀도를 정리하였다.
<표 2>
Figure 112015113892981-pat00004
예를 들어, 최소 안전거리의 변수 값은 다음과 같이 설정하였다. 운전자 반응시간(tPRT): 2초, 노면-타이어 마찰계수(f): 0.4, 도로경사(G): 0으로 설정하였다. 표 2와 같이 예측된 밀도는 이상적인 환경에서 유효할 것이나 운행 환경 및 운전자의 주행 습관에 따라 실제 차량의 밀도와의 차이가 존재할 수 있다. 하지만 주변 차량의 비콘 전송 범위에 새로 진입하거나 네트워크 혼잡 등으로 인해 주변 차량으로부터 비콘을 수신 받을 수 없는 경우도 주변 차량의 밀도 예측이 가능할 것이다. 향후 차량 네트워크 상태를 기반으로 속도 기반의 밀도 예측을 보정할 수 있는 알고리즘에 대한 연구가 추가되어야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 및 고속 차량의 밀도에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
예를 들어, 도 4a와 같이 차량들이 저속으로 움직일 경우에는 좁은 차두 간격(다시 말해, 높은 밀도)(410)를 유지하면서 많은 차량들이 존재할 수 있다. 반면에 도 4b와 같이 차량들이 고속으로 움직일 경우에는 넓은 차두 간격(다시 말해, 낮은 밀도)(420)를 유지하면서 많은 차량들이 존재할 수 있다. 따라서 단계(121)에서, 주기적 메시지의 전송 파워를 조절하여 차량 속도에 따라 비콘의 송신 및 수신 범위를 가변적으로 조절할 수 있다.
안전 서비스를 제공함에 있어서 근접 차량들의 정보의 신뢰성 있는 수신이 요구된다. 다시 말해, 원거리에 위치한 차량의 정보는 상대적으로 불 필요하고, 근거리에 위치한 차량의 정보를 필요로 한다. 또한, 시분할된 BST의 최대 개수를 초과하는 주변 차량 밀도에서 혼잡이 예상될 수 있다. 이러한 경우 전송 파워를 조절하여 속도에 따라 비콘의 송신 및 수신 범위를 가변적으로 조절하여 통신 성공률을 높일 수 있다.
상기 주기적 메시지의 전송율을 높임으로써 상기 주기적 메시지의 전송시간을 단축시키고, 단축된 BST를 이용하여 비콘 슬롯을 증가시키는 단계(122)는 기준 차량의 현재 속도에 따른 주변 차량의 밀도를 계산하는 단계, 상기 주기적 메시지의 BST를 계산하는 단계, 상기 BST를 이용하여 상기 기준 차량의 시분할 스케줄링 주기를 미리 정해진 개수의 BST로 시분할하는 단계 및 계산된 상기 주변 차량의 밀도가 시분할된 상기 BST의 개수보다 많은 경우 상기 주기적 메시지의 전송범위를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
대부분의 안전 서비스들은 실시간으로 잠재적인 위험요소를 판단하고 그것을 운전자에게 알려주는 것이 목적이다. 대표적으로 사각지대 경고(BSW: Blind Spot Warning), 차선변경 경고(LCW: Lane Change Warning) 그리고 전방추돌 경고(FCW: Forward Collision Warning) 등이 있다. 위와 같은 서비스들은 운전자에게 잠재적인 위험을 알리기 위한 판단을 위해서 근거리 차량의 위치정보를 더 중요하게 생각한다. 다시 말해, 안전 서비스를 제공하기 위해서는 주변 차량의 위치정보가 원거리 차량의 위치정보 보다 중요한 것이다. 따라서 차량들이 낮은 속도로 운행할 경우, 전송 세기를 조절하여 메시지 도달 범위를 줄여 주변 차량의 정보 수집에 집중할 필요가 있다. 제안 알고리즘은 속도에 따른 차량 간 거리에 기반을 둔 혼잡 제어 알고리즘이므로 속도가 느려질 경우 전송 세기를 조절하여 1-hop 내의 차량 수를 조절하고자 한다. 또한 전송률을 증가시켜 시분할 간격을 유동적으로 적용하여 비콘 슬롯의 수를 증가시킨다. 마지막으로 차량의 이동 속도가 느릴 경우 움직임의 변화가 적으므로 주기적 메시지의 발생 간격을 조절하여 네트워크 혼잡을 방지하고자 한다.
차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법은 도 5와 같다.
알고리즘은 동기화된 매 시분할 스케줄링 주기(SI: Scheduling Interval) 마다 수학식(1)과 같이 설정된 BST 단위로 시분할 스케줄링을 수행하고 각 차량은 분할된 BST 중 임의의 랜덤 슬롯에서 비콘 메시지를 전송하도록 구성되어 있다. 본 논문에서는 도 2와 같이 50ms 단위로 교대로 채널에 접근하는 방식을 이용하여 시분할 스케줄링의 주기를 50ms로 설정하였고 그 중 보호 구간(Guard Interval)의 4ms를 제외한 46ms에 대해 BST 분할을 수행하였다.
각 차량은 전송하고자 하는 비콘 메시지가 존재(510)하고 이전 시분할 스케줄링 주기(SIt-1)가 완료(520)되었다면, 시분할 스케줄링을 수행한다. 먼저, 기준 차량의 현재 속도에 따른 주변 차량의 밀도(Dent)를 수학식(2)와 표 2를 이용하여 계산할 수 있다(530). 그 뒤 수학식(1)에 따라 주기적 메시지의 BST를 계산할 수 있다(510). 그리고, BST를 이용하여 상기 기준 차량의 시분할 스케줄링 주기를 미리 정해진 개수의 BST로 시분할할 수 있다(550). 다시 말해, 현재의 시분할 스케줄링 주기(SIt)를 N개의 BST로 시분할 할 수 있다.
다음으로, 계산된 상기 주변 차량의 밀도가 시분할된 상기 BST의 개수보다 많은 경우 상기 주기적 메시지의 전송범위를 조절할 수 있다(560). 만약 계산된 차량의 밀도와 BST 개수 N을 비교(561) 하여 만약 계산된 차량의 밀도가 BST 개수 N 이상인 경우, 주기적 메시지의 전송범위를 조절할 수 있다(562). 다시 말해, 계산된 차량의 밀도가 BST 개수 N 이상인 경우 네트워크 혼잡이 예상되므로 전송범위를 줄임으로써 혼잡을 미연에 방지할 수 있다. 전송범위는 1-hop 이상의 비콘 전송이 요구되므로 표 2의 차량안전거리(dveh)를 초과하는 범위로 설정되어야 한다.
이후, 각 차량이 자신의 BST를 선택하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시킬 수 있다. 다시 말해, 각 차량은 시분할 된 BST 중 임의의 랜덤 슬롯을 할당할 수 있다(570). 그리고 랜덤 슬롯 타임에 도달(580)하면 비콘을 전송할 수 있다(590).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 스케줄링 주기에 대한 비콘 전송 주기의 예시를 나타내는 도면이다.
앞서 설명한 것과 같이 컨트롤 채널(610) 50ms와 서비스 채널(620) 50ms의 채널 사용 시간을 보장하고 있다. 그리고, 채널이 변경되면서, 컨트롤 채널에서 서비스 채널로 혹은 서비스 채널에서 컨트롤 채널로 변경될 때, MAC 계층의 동기화를 위한 보호 구간(Guard Interval)(630) 시간을 두고 있다. 제안하는 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 주기적 메시지의 능동형 시분할 브로드캐스팅 방법은 결론적으로 도 6과 같이 매 50ms의 시분할 스케줄 주기 내에서 비콘이 전송된다. 따라서 차량 간 네트워크의 혼잡을 줄이면서 이전 시분할 스케줄링 주기에서의 랜덤 슬롯(640)과 현재 시분할 스케줄링 주기에서의 랜덤 슬롯(650)사이인 최대 100ms의 주기(660)를 만족하는 주기적 비콘 메시지 전송이 가능하도록 구성하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 통신 설정 조절 장치를 설명하기 위한 도면이다.
차량 간 통신에서 혼잡을 제어하기 위한 통신 설정 조절 장치(700)는 예측부(710) 및 제어부(720)를 포함할 수 있다.
예측부(710)는 차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 통신의 주기적 메시지의 통신 환경을 파악할 수 있다.
제어부(720)는 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시킬 수 있다.
그리고, 제어부(720)는 주기적 메시지의 전송 파워를 조절하여 차량 속도에 따라 비콘의 송신 및 수신 범위를 가변적으로 조절하는 전송 파워 조절부(721), 상기 주기적 메시지의 전송율을 높임으로써 상기 주기적 메시지의 전송시간을 단축시키고, 단축된 BST를 이용하여 비콘 슬롯을 증가시키는 전송율 조절부(722), 차량 속도가 느려짐에 따라 상기 주기적 메시지의 생성 간격을 넓게 조절함으로써 상기 비콘 발생주기를 조절하는 메시지 생성부(723)를 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (1)

  1. 차량 간 통신의 주기적 메시지 통신 설정 조절 방법에 있어서,
    차량 속도에 따른 최소안전거리를 이용하여 차량 간 밀도를 예측하고, 차량 간 주기적 메시지의 통신 환경을 파악하는 단계; 및
    상기 차량간 밀도 및 상기 주기적 메시지의 통신 환경에 따른 상기 주기적 메시지의 전송 파워, 상기 주기적 메시지의 전송율 및 비콘 발생주기를 포함하는 상기 통신 환경의 파라미터들을 조절하여 상기 주기적 메시지의 전송 시점을 분산시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 통신 환경에 따른 안전 서비스를 제공하기 위해 필요한 미리 정해진 시간당 위치정보 교환의 횟수가 선행되고, 상기 미리 정해진 시간당 위치정보 교환의 횟수에 따라 각각의 메시지들이 일정 간격으로 생성되고 전달되는 브로드캐스트 간격을 이용하고,
    상기 주기적 메시지를 전송할 때 이용하는 채널을 점유하기 위한 비콘 스롯을 차량 내 랜덤 변수에 의해 스스로 할당하는
    차량 간 통신의 주기적 메시지 통신 설정 조절 방법.
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