KR102168576B1 - 고속도로 안전 운행을 위한 엣지 지원 클러스터 기반 미디어 접근 제어 프로토콜 - Google Patents

고속도로 안전 운행을 위한 엣지 지원 클러스터 기반 미디어 접근 제어 프로토콜 Download PDF

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Abstract

차량 네트워크에서의 통신 방법에 있어서, 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)에 의해 수행되는 상기 통신 방법은 기지국에 연결된 차량들로부터 이동 정보를 수신하는 단계, 상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하는 단계, 상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하는 단계 및 상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하는 단계를 포함한다.

Description

고속도로 안전 운행을 위한 엣지 지원 클러스터 기반 미디어 접근 제어 프로토콜 {Edge-assisted Cluster-based Media Access Control Protocol for Safe Driving in Highway}
본 발명은 차량 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 고속도로 주행 안전을 위한 차량 네트워크에서의 엣지 지원 클러스터 기반 Media Access Control(MAC) 프로토콜에 관한 것이다.
IEEE는 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)에서 전용 단거리 통신(Dedicated Short-Range Communications, DSRC)라는 차량 네트워크를 위한 프로토콜을 표준화하였다. 또한, IEEE 802.11-OCB(Outside the Context of a Basic service set)는 기본적인 WAVE MAC을 위해 제정되었다.
타이머(Timer)와 무선 미디어를 확률적으로 접근하는 방법에 해당하는 ㅈ지지속성(persistence) 기법들(예: Weighted p-persistence, Slotted 1-persistence, Slotted p-persistence 등)은 랜덤한 대기 시간으로 인해 긴급 패킷을 신속하게 포워딩하는데 한계가 있다.
클러스터 기반 미디어 접근 방법인 Distributed Multi-channel and Mobility-aware Cluster-based MAC protocol(DMMAC)는 클러스터들의 네트워크 토폴로지를 관리하기 위해 VANET(Vehicular Ad Hoc Networks)을 이용하기 때문에 고밀도 차량 트래픽을 가진 고속도로 환경에서 차량 간의 신속한 메시지 교환이 어려울 수 있다.
DSRC와 4G-LTE를 결합한 클러스터링을 이용하는 VMASC-LTE 기법에서 클러스터 간의 통신은 4G-LTE를 이용하여 인접 기지국들을 이용하여 데이터 패킷을 전송하므로 물리적으로 가까운 두 클러스터들의 경계 지점에 있는 차량들이 서로 통신하는데 소요되는 지연 시간이 VANET 기반으로 직접 통신하는 지연 시간보다 길고, 기지국들을 연결하는 유선 네트워크의 상황에 따라 불안정 할 수 있다.
본 명세서에서는 안전한 고속도로 운행을 위해 차량 네트워크 상에서 긴급 패킷의 전송하는 시간을 최적화 할 수 있는 통신 방법을 제안한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 네트워크에서의 통신 방법에 있어서, 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)에 의해 수행되는 상기 통신 방법은
기지국에 연결된 차량들로부터 이동 정보를 수신하는 단계; 상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하는 단계; 상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하는 단계; 및 상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 하나 이상의 클러스터로 구성하는 단계는 상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고, 상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 차량 노드 세트의 차량들의 수를 N이라고 할 때,
Figure 112019057514310-pat00001
개 단위로 그룹화하여 클러스터를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 하나의 차량은 각 클러스터 내 차량들 각각의 지리적 위치, 차량의 상대 속도 및 다른 차량들과의 연결성 중 적어도 하나에 기반하여 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널이 할당될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 각 클러스터 내 차량들의 지리적 위치에 기반하여 채널을 할당할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 TDMA 방식의 스케줄링은 상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하는 단계; 상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하는 단계; 상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하는 단계; 사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하는 단계; 및 상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 클러스터 차수는 클러스터 내의 차량에 입사하는(incident) 엣지들의 최대 수에 해당할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 클러스터에 대한 정보, 할당된 상기 채널 및 상기 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 상기 차량 노드 세트의 차량들로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)와 상기 기지국에 연결된 차량들은 셀룰러 네트워크를 이용하여 통신할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 기지국에 연결된 차량들의 이동성을 모니터링 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 클러스터 내의 차량 간의 통신은 차량 애드 혹 네트워크 (VANET)를 통해 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 기지국에 연결된 차량들은 셀룰러 네트워크에서의 통신과 차량 애드 혹 네트워크 (VANET) 에서의 통신을 모두 지원할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 네트워크에서의 통신 방법에 있어서, 차량에 의해 수행되는 상기 통신 방법은 기지국의 엣지 컴퓨팅 장치로 상기 차량의 이동 정보를 전송하는 단계; 상기 엣지 컴퓨팅 장치로부터 클러스터에 대한 정보, 할당된 채널 및 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)와 상기 차량은 셀룰러 네트워크를 이용하여 통신할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 방법에 있어서, 상기 차량이 긴급 패킷을 전송하는 단계를 더 포함하되, 상기 긴급 패킷은 차량 애드 혹 네트워크 (VANET)을 통해 전송될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 엣지 컴퓨팅 장치(Edge computing device)에 있어서, 상기 엣지 컴퓨팅 장치는 기지국과 신호를 송수신하기 위한 송수신부와, 상기 송수신부와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 기지국을 통해 차량들로부터 이동 정보를 수신하고, 상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하며, 상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하고, 상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고, 상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하여 상기 하나 이상의 클러스터로 구성하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널을 할당하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하고, 상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하며, 상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하고, 사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하며, 상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하도록 제어하여 상기 TDMA 방식의 스케줄링을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 상기 클러스터에 대한 정보, 할당된 상기 채널 및 상기 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 상기 차량 노드 세트의 차량들로 전송하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 차량에 있어서, 상기 차량은 기지국과 신호를 송수신하기 위한 제1 송수신부와, 다른 차량들과 신호를 송수신하기 위한 제2 송수신부와, 상기 제1 송수신부와 제2 송수신부와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 제1 송수신부를 통하여 상기 기지국의 엣지 컴퓨팅 장치로 상기 차량의 이동 정보를 전송하고, 상기 제1 송수신부를 통하여 상기 엣지 컴퓨팅 장치로부터 클러스터에 대한 정보, 할당된 채널 및 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 수신하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 상기 제2 송수신부를 통하여 상기 다른 차량들로 긴급 패킷을 전송하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 제1 송수신부는 셀룰러 네트워크를 이용하여 동작하고, 상기 제2 송수신부는 차량 애드 혹 네트워크 (VANET)를 이용해서 동작할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 장치에 있어서, 상기 장치는 데이터를 저장하기 위한 메모리와 상기 메모리와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 차량들의 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고, 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하며, 상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하고, 상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서,상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고, 상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하여 상기 하나 이상의 클러스터로 구성하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 각 클러스터 내 차량들 각각의 지리적 위치, 차량의 상대 속도 및 다른 차량들과의 연결성 중 적어도 하나에 기반하여 상기 하나의 차량을 선택하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서,상기 프로세서는 k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널을 할당하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치에 있어서, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하고, 상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하며, 상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하고, 사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하며, 상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하도록 제어하여 상기 TDMA 방식의 스케줄링을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 장치에 있어서, 상기 장치는 데이터를 저장하기 위한 메모리와 상기 메모리와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 셀룰러 네트워크를 통하여 상기 장치의 이동 정보를 전송하고, 클러스터에 대한 정보, 할당된 채널 및 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 수신하며, 차량 애드 혹 네트워크 (VANET)를 통하여 긴급 패킷을 송수신하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예 및 방법에 따르면 자율주행 자동차들이 고속도로에서 운행할 때 차량 네트워크를 통한 안전거리 확보 및 돌발 충돌상황을 회피할 수 있는 서비스를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예 및 방법에 따르면 클러스터 관리를 엣지 컴퓨팅 장치가 수행함으로써, DSRC 채널의 한정된 자원을 효율적으로 활용할 수 있고, 오버헤드를 줄일 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시 예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 고속 도로 환경에서 엣지 지원(Edge-assisted) 차량 네트워크의 일례를 나타낸다.
도 2는 3 계층으로 구성된 차량 네트워크 구조의 일례를 나타낸다.
도 3은 계층적 클러스터 구조에서 최적화된 스케줄링의 일례를 나타낸다.
도 4는 차량의 수(N)에 따른 시간 슬롯과 클러스터 크기 간의 관계를 나타낸다.
도 5는 본 명세서가 제안하는 ECMAC 프로토콜이 엣지 컴퓨팅 장치에서 수행되는 순서도의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명이 제안하는 최적의 TDMA 시간 슬롯 할당과 관련된 그리디(greedy) 시간 슬롯 할당 알고리즘의 일례를 나타낸다.
도 7은 표 2의 알고리즘을 이용한 시간 슬롯 할당의 일례를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 제안하는 그리디 시간 슬롯 할당 알고리즘의 유효성을 나타낸다.
도 9는 그리디 시간 슬롯 할당 알고리즘에 의한 PDR과 E2E 지연 간의 트레이드 오프를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10f는 차량 밀도에 따른 ECMAC 프로토콜의 성능을 나타낸다.
도 11a와 도 11b는 차량 밀도 0.3 veh/m 에서의 긴급 패킷 발생 간격(interval)의 영향을 평가한 결과를 나타낸다.
도 12a 내지 도 12d는 PDM, ME2E 지연 및 MME2E 지연 측면에서의 기타 기준선과 ECMAC 프로토콜의 성능을 나타낸다.
도 13은 본 명세서가 제안하는 방법 및 실시 예가 적용될 수 있는 차량 네트워크에서 차량과 엣지 컴퓨팅 장치의 시그널링 절차의 일례를 나타낸다.
도 14는 본 명세서가 제안하는 방법 및 실시 예가 적용될 수 있는 차량 구성 블럭도의 일례를 나타낸다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.
이하에서, 기지국(BS: Base Station)은 고정국(Fixed Station), Node B, eNB(evolved-NodeB), gNB(Next Generation NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(AP: Access Point), 네트워크(5G 네트워크), RSU(Road Side Unit), 차량(Vehicle) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.
엣지 컴퓨팅은 사용자의 기기 또는 가까운 장치의 컴퓨팅 파워를 이용하여 연산을 처리하는 기술이다. 다시 말해, 엣지 컴퓨팅은 중앙 클라우드가 아닌 네트워크 하단의 엣지가 분담하여 데이터를 처리하는 방식을 말한다. 엣지 컴퓨팅은 포그 컴퓨팅(Fog Computing) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.
또한, 설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP 통신 시스템(예: LTE, LTE-A, NR 등)을 기반으로 설명하지만 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
운전보조(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) 기술의 도입 및 카메라, 레이더 등의 센서와 같은 IT기술의 발달에 따라 차량 컴퓨터 성능이 향상되고 있다. 차량 주행 시 안전 확보를 위해 운전자가 보기 어려운 앞차에 가린 도로 상황이나 악천후, 골목길 등의 비가시 범위의 장애물을 알려주기도 하고, 차량의 주행상황이나 도로에서 발생한 비상상황을 주변 차량이나 도로 인프라에 알려주는 것이 가능해지고 있다. 특히, 고속도로 환경에서 사고 발생과 같은 긴급 상황 발생을 알리는 정보를 주변 차량 및 도로 인프라에 빠른 시간 내에 알리는 방법들이 중요하다.
본 발명에서는 고속도로 안전 운행을 위해 차량 네트워크에서 적용될 수 있는 엣지 지원 클러스터 기반 미디어 접근 제어 (Edge-assisted Cluster-based Media Access Control, ECMAC)(이하, ECMAC) 프로토콜을 제안한다.
ECMAC 프로토콜은 능동적인 클러스터링 관리를 위해 이동통신망인 셀룰러 네트워크의 엣지 컴퓨팅 장치(Edge computing device)를 이용할 수 있고, 신속한 안전 운행 메시지 교환을 위해 차량 애드-혹 네트워크 (Vehicular Ad Hoc Networks, VANET)(이하, VANET)를 이용할 수 있다. 구체적으로, ECMAC 프로토콜은 클러스터링 관리를 위해 셀룰러 네트워크(예: 4G-LTE, 5G 등)를 통해 기지국에 인접한 엣지 컴퓨팅 장치 (예: 엣지 서버)를 이용하여, 기지국에 연결된 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성할 수 있다. 클러스터 내에서의 통신과 클러스터 간의 통신은 전용 단거리 통신(Dedicated Short-Range Communications, DSRC) 기반의 차량 네트워크를 통해 직접 수행될 수 있다.
차량의 이동성의 지연시간의 단위를 초(second)라고 할 때, 차량 네트워크의 패킷 전송 지연시간 단위는 밀리초(milli-second)로 간주할 수 있다. 따라서, 상대적으로 느린 차량 이동성을 기반으로 셀룰러 네트워크의 엣지 컴퓨팅 장치 (예: 엣지 서버)가 기지국 주변의 보고된 차량들로 최적의 클러스터들을 생성할 수 있고, 기지국이 셀룰러 네트워크(예: 4G-LTE, 5G 등)를 통해 차량들에게 클러스터 형성 정보 및 클러스터 내에서의 시간 슬롯 할당 스케줄을 전달할 수 있다.
<방법 1>
고속도로 환경에서 멀티 홉 긴급 정보 전송를 위한 엣지 지원 아키텍쳐를 고려할 수 있다. 본 발명에서 제안하는 ECMAC 프로토콜은 능동적인 클러스터링 관리를 위해 셀룰러 네트워크의 엣지(Edge)를 이용할 수 있고, 차량 간 신속한 안전 운행 메시지 교환을 위해 VANET을 이용할 수 있다.
상기 ECMAC 프로토콜을 이용하여 차량은 고속도로 환경에서 계층적 클러스터 구조를 통해 멀티 홉 거리(Multi-hop-away) 차량들에게 긴급 메시지를 신속하게 전송 할 수 있다. 고속도로 환경에서 고속으로 운행하는 차량들에 대해 악천후 조건(예: 안개 낀 날씨, 폭설, 미끄러운 도로 표면 등)에서 인접한 멀티 홉 거리 차량들에 황금 시간 (예: 100msec) 이내에 긴급 패킷을 신속하고 확실하게 전송하는 것을 요구할 수 있다. 계층적 클러스터 구조를 구성하는 각 차량은 클러스터 멤버(Cluster Member, CM), 클러스터 헤더(Cluster Header, CH) 또는 마스터 클러스터 헤더(Master Cluster Header, MCH) 중 하나일 수 있다. 또한, 마스터 클러스터 헤더는 자신이 관리하는 모든 클러스터 헤더들이 전달된 패킷을 성공적으로 수신하도록 하는 역할을 담당할 수 있다.
제어 플레인(Plane)에서 클러스터 관리를 위한 엣지 컴퓨팅 장치에 연결된 여러 셀룰러 기지국들을 고려할 수 있다. 셀룰러 기지국들의 엣지 컴퓨팅 장치들은 넓은 적용 범위(Coverage)와 계산력(Computation Power)을 가지며 여러 기지국들을 통해 고속도로 교통량 등의 정보를 수집할 수 있다. 또한, 최적의 차량 클러스터링 프로세스를 위해 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device, ECD)로서 셀룰러 기지국(예: Base Station)이 사용될 수도 있다.
도 1은 고속 도로 환경에서 엣지 지원(Edge-assisted) 차량 네트워크의 일례를 나타낸다. 도 1은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 1을 참고하면, 차량이 전용 단거리 통신(Dedicated Short-Range Communications, DSRC) 채널을 통해 패킷을 주변 차량들 (예: 1 홉 거리(One-hop-away) 차량)에 전송할 수 있는 일방향 다중 레인 고속도로 환경을 고려할 수 있다. 차량은 임의의 2 개의 노드 사이의 간섭 범위를 고려하여, 유향 그래프(Directed Graph) G = (V, E)를 구성할 수 있다. 여기서, V는 노드 (예: 차량)의 세트를 나타내고, E는 엣지의 세트를 나타내는데, 지향 엣지
Figure 112019057514310-pat00002
는
Figure 112019057514310-pat00003
의 간섭 범위 측면에서 노드
Figure 112019057514310-pat00004
부터
Figure 112019057514310-pat00005
까지 연결을 나타낸다. 노드
Figure 112019057514310-pat00006
는 자신의 속도
Figure 112019057514310-pat00007
를 가지며, 위치 좌표는
Figure 112019057514310-pat00008
에 해당한다.
예를 들어, 5 개의 DSRC 채널을 사용하는 경우, 그 중 하나는 클러스터 헤더(CH)와 마스터 클러스터 헤더(MCH)에서 사용되는 제어 채널이고 다른 4 개는 클러스터 그룹에서 사용되는 서비스 채널일 수 있다. 클러스터 구조에서 지리적으로 앞쪽에 있는 차량은 후방 차량에서 발생한 긴급 상황을 알아야 하기 때문에, 앞 차량은 가능한 충돌에 대비하여 공간을 확보하거나 응급 처치를 할 수 있다.
< 방법2>
이하, 본 발명에서 제안하는 안정적인 데이터 송수신을 위한 트리(Tree) 형태의 다계층 클러스터 구조를 형성하는 방법을 살펴본다. 클러스터의 멤버들이 다른 클러스터에 속한 멤버와 작은 지연을 가지면서 안정적으로 통신하기 위해 고속도로에서 서로 다른 위치에서 운행하고 있는 차량들에 대해 트리 구조 형태의 최적의 클러스터 구조를 형성할 필요가 있다.
도 2는 3 계층으로 구성된 차량 네트워크 구조의 일례를 나타낸다. 도 2는 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서, 3 계층 이상의 다계층 네트워크 구조에도 적용 가능함은 물론이다.
도 2를 참고하면, 제1 계층 (예: 깊이(Depth) 2의 하위 계층)은 클러스터 헤더(CH)와 클러스터 멤버(CM)들로 구성된 하나 이상의 클러스터를 포함할 수 있다. 클러스터 멤버(CM)는 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤더(CH)와 통신할 수 있고, 형성된 클러스터 내에서 클러스터 멤버(CM)들은 클러스터 헤더(CH)를 통해 서로 통신할 수 있다. 클러스터 헤더(CH)는 클러스터 멤버(CM)들에게 패킷을 브로드캐스팅 할 수 있다. 또한, 클러스터 내의 모든 구성원은 하나의 DSRC 서비스 채널을 공유할 수 있다. 서로 다른 클러스터들의 클러스터 멤버들 간의 통신은 클러스터 헤더를 릴레이 노드(Relay Node)로 이용하여 서로 통신할 수 있다.
제2 계층 (예: 깊이 1의 하위 계층)에서, 제1 계층의 클러스터들의 각 클러스터 헤더(CH)들은 또 다른 그룹의 세트를 형성할 수 있다. 다시 말해, 클러스터 헤더들은 새로운 클러스터 형성하여 다중 클러스터를 연결할 수 있고, 클러스터 헤더들은 자신이 속한 클러스터 헤더들의 클러스터의 멤버가 될 수 있다.
제3 계층 (예: 깊이 0의 상위 계층)을 구성하는 마스터 클러스터 헤더(MCH)는 클러스터 헤더(CH)들 사이에서 선택될 수 있다.
제2 계층의 클러스터 헤더(CH)들은 DSRC 제어 채널을 통해 자신이 속한 그룹의 마스터 클러스터 헤더(MCH)와 통신할 수 있다. 마스터 클러스터 헤더(MCH)는 자신의 통신 범위 내의 클러스터 헤더(CH)들 사이를 연결할 수 있다.
구체적인 예로, 비상 사태 (예: 차량 충돌 및 도로 위험 감지 등)가 발생했을 때, 클러스터 멤버(예: 차량)는 스케줄링에 의해 할당된 서비스 채널을 통해 클러스터 헤더(CH)에 긴급 패킷 (Emergency Packet, EP)을 전송할 수 있다. 긴급 패킷은 기본 안전 메시지 (Basic Safety Message, BSM) 또는 WAVE 단문 메시지 (Wave Short Message, WSM) 중 하나 일 수 있다. 또한, 클러스터 헤더는 상기 긴급 패킷을 제어 채널을 통해 다른 클러스터 헤더(CH)들로 중계하기 위한 스케줄을 따라 동작할 수 있다. 마스터 클러스터 헤더(MCH)는 각 클러스터 헤더(CH)에서 전송된 모든 정보를 취합하여 모든 클러스터 헤더(CH)에 브로드캐스트 할 수 있다. 결국, 상기 모든 클러스터 헤더(CH)들은 제한된 시간 내에 긴급 정보를 수신하여 이를 클러스터 멤버(CM)에게 전송할 수 있다. 따라서 클러스터 멤버(CM)는 비상 사태의 영향을 최소화하기 위한 대응책을 취할 수 있다. 또한, 클러스터 헤더(CH)는 도 2와 같이 제어 체널(CCH)에서 경계 클러스터 헤더(CH) (예: 클러스터 영역의 경계에 위치한 CH)로 긴급 패킷을 전달할 수 있다.
상술한 클러스터 구조 형성 프로세스는 셀룰러 네트워크(예: 4G-LTE, 5G 등)를 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 상술한 방법 1, 방법 2 등에 따라 셀룰러 네트워크의 엣지 컴퓨팅 장치가 클러스터 구조를 형성할 수 있다. 차량은 주기적으로 자신의 이동 정보(Mobility Information) (예: 위치, 속도, 방향, 가속 / 감속, 도로 ID 등)를 기지국에 연결된 엣지 컴퓨팅 장치(ECD)로 전송할 수 있다. 차량의 이동 정보를 업데이트하는 시간 간격은 셀룰러 네트워크의 트래픽을 감소시키기 위해 수 초가 될 수 있다.
엣지 컴퓨팅 장치(ECD)는 자신이 커버하는 모든 차량에 대한 클러스터 구조 및 TDMA 스케줄을 계산하고, 이를 기지국을 통해 차량으로 전달할 수 있다. 커버된 모든 차량은 자신의 스케줄 및 클러스터에서의 역할 (예: CM, CH 또는 MCH 등)을 수신할 수 있다. 또한, 엣지 컴퓨팅 장치(ECD)는 클러스터 구조 및 스케줄을 업데이트해야 하는지 여부를 결정하기 위하여 자신이 커버하는 모든 차량의 이동성(Mobility)을 모니터링 할 수 있다.
비상 사태 (예: 스키딩, 비상 정지, 안개가 낀 날씨의 충돌 등)가 발생했을 때, 차량은 긴급 패킷을 인접한 차량들에게 즉시 보내야 할 필요가 있다. 비상 사태에서 인접한 차량들과 계단식 충돌이 발생할 수 있기 때문에 멀티-홉 거리(Multi-hop away) 차량들을 포함한 인접 차량들로 긴급 패킷을 전송해야 할 수 있다.
고속도로 환경에서 계층적 클러스터 구조를 통해 TDMA 방식의 스케줄링에 기반하여 긴급 패킷을 전송하는 경우, 서로 다른 클러스터 크기는 TDMA 방식의 스케줄링과 긴급 패킷 전송의 효율성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 전송 지연을 최소화 할 수 있는 최적의 클러스터 크기를 설정할 필요가 있다. 또한, 주어진 클러스터 구조에서, 최적의 전송 스케줄링을 통해 긴급 패킷을 적시에 전송할 수 있어야 한다.
전용 단거리 통신(Dedicated Short-Range Communications, DSRC)에서 채널 리소스는 제한되어 있고 각 클러스터는 클러스터 내(Intra-cluster) 통신에 하나의 채널을 사용하므로 클러스터 간의 채널 간섭으로 인해 패킷 충돌이 발생할 수 있다. 따라서, 각 클러스터에 간섭을 최소화 할 수 있는 사용 가능한 채널을 할당하는 것이 필요하다. 또한, 높은 차량 밀도로 인해 클러스터 멤버는 여전히 패킷 충돌이 발생할 수 있으므로, 간섭을 최소화 할 수 있는 TDMA 스케줄링을 하는 것이 요구될 수 있다.
<방법 3>
상술한 바와 같이, 클러스터 내의 통신은 TDMA 방식을 이용할 수 있다. 클러스터 내의 각 차량은 충돌을 방지하기 위한 고유한 시간 슬롯을 할당 받을 수 있다. 클러스터들 간의 간섭을 줄이기 위해 여러 채널이 사용될 수 있고, 네트워크가 충분한 수의 채널을 제공하면 모든 클러스터가 동시에 작동 할 수 있다. 이 경우 최대 패킷 지연은 가장 큰 클러스터로 제한될 수 있다.
도 3은 계층적 클러스터 구조에서 최적화된 스케줄링의 일례를 나타낸다. 도 3은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 3을 참고하면, 클러스터 멤버는 DSRC 서비스 채널을 통해 클러스터 헤더로 패킷을 전송할 수 있다. 클러스터 헤더 간의 통신은 DSRC 제어 채널을 통해 이루어질 수 있다. 마스터 클러스터 헤더는 DSRC 제어 채널을 통해 패킷을 브로드캐스트 할 수 있고, 패킷을 수신할 수도 있다.
클러스터 멤버(CM)의 업로드 주기는 가장 큰 클러스터에 의해 결정될 수 있다. 모든 클러스터의 크기가 동일하면 가장 큰 클러스터의 크기가 최소화될 수 있다. 이하에서 모든 클러스터의 크기가 동일한 클러스터링을 균형 잡힌(balanced) 클러스터링이라고 지칭한다. 더 많은 클러스터를 생성할수록 각 클러스터의 크기를 줄일 수 있다. 그러나 클러스터 내 통신은 TDMA 방식을 사용하기 때문에 클러스터의 수가 증가할수록 클러스터 헤더 간의 통신 지연이 증가될 수 있다.
클러스터 수가 클러스터 크기를 초과하면 클러스터 헤더 간의 통신 지연이 새로운 병목 현상이 될 수 있다. 따라서, 네트워크가 적절한 크기의 균형 잡힌 클러스터링을 형성하는 경우 최악의 패킷 지연이 최소화 될 수 있다. 구체적인 예로, 네트워크에 100 대의 차량이 있다고 가정하고, 차량들이 4 개의 동일한 크기의 클러스터로 나뉘어지면 두 차량 사이의 최대 패킷 지연은 29 슬롯만큼 발생할 수 있다. 여기에서 24 개의 슬롯 지연은 각 클러스터 내에서 발생하며 클러스터 헤더(CH)간의 통신을 위한 3 개의 슬롯과 마스터 클러스터 헤더(MCH)의 브로드캐스팅을 위한 1 개의 슬롯을 포함하는, 클러스터들 간에 외부적으로 4 개의 슬롯 지연이 발생할 수 있다. 또한, 클러스터 헤더(CH)가 서로 다른 채널의 클러스터 멤버(CM)에 패킷을 전송하기 위해 하나의 슬롯이 더 필요할 수 있다.
네트워크가 균형 잡힌 클러스터를 형성한다면 어떤 차량 쌍(Pair) 사이의 최대 패킷 지연도 최소화 될 수 있다.
클러스터가 형성되면 해당 클러스터의 차량 중 하나가 클러스터 헤더(CH)로 선택될 수 있다. 클러스터 헤더(CH)는 클러스터 내 다른 모든 차량들에서 데이터를 수신하여 다른 클러스터로 전달하거나 클러스터 내의 차량들에게 다른 클러스터로부터 수신한 데이터를 브로드캐스트할 수 있다. 클러스터 헤더(CH)는 새로운 클러스터를 다시 형성 할 수 있고 마스터 클러스터 헤더(MCH) (예: 클러스터 헤더들의 클러스터 헤더)로 선출될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 클러스터링은 트리(Tree) 구조로 형성될 수 있다.
트리의 동일한 레벨(또는 깊이)에 있는 각 클러스터는 다른 채널에서 동작하며, 클러스터 간의 전송은 간섭 없이 동시에 발생할 수 있다. 따라서 모든 차량에서 클러스터 헤더(CH)까지의 최대 내부 지연은 가장 큰 클러스터 크기와 시간 슬롯 길이의 곱으로 나타낼 수 있다. 따라서, 트리의 동일한 레벨에 있는 모든 클러스터의 크기가 같을 때 최대 지연을 최소화 할 수 있다.
동일한 레벨에서 균형 잡힌 클러스터가 형성된 경우, 클러스터 내 어느 차량이 제거되면 제거된 차량은 다른 클러스터로 재할당되거나, 추가적인 클러스터를 형성해야 할 수 있다. 차량이 다른 클러스터로 재할당되는 경우, 가장 큰 클러스터의 크기가 1씩 증가하게 된다. 차량이 추가 클러스터를 형성 할 때 다른 클러스터에 도달하려면 적어도 두 개의 시간 슬롯이 더 필요할 수 있다. 따라서, 트리의 동일한 레벨에서 균형 잡힌 클러스터가 형성될 때, 해당 레벨에서 최대 지연을 최소화 할 수 있다.
최대 지연을 전체적으로 최소화 할 수 있는 최적의 클러스터링을 찾기 위해 모든 차량이 직접 연결되어 그래프로 표시되고 균형 잡힌 트리 형태의 클러스터 구조를 형성할 수 있다고 가정한다.
노드의 수를 N으로 나타내고, 최적의 트리 구조의 깊이(Depth)를 d 로 나타낸다. 예를 들어, d = 2 일 때, 최대 슬롯 지연 f는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00009
여기서 m은 부모 당 자식의 수 (예: 클러스터 크기)를 나타내고,
Figure 112019057514310-pat00010
은 부모의 수(예: 클러스터 헤더의 수)를 나타낸다. 따라서, TDMA 방식에서 클러스터 멤버에서 클러스터 헤더까지의 최악의 지연은 m이 될 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00011
개의 클러스터 헤더가 있고, 각 클러스터는 하나의 공통 채널을 공유하므로 클러스터 헤더 간 통신을 위한 시간 슬롯을 소유할 수 있다. 클러스터 헤더 간의 최악의 통신 지연은
Figure 112019057514310-pat00012
과 동일할 수 있다.
수학식 2는 수학식 1을 미분하여 0이 될 때의 값을 구하는 식을 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00013
수학식 2을 통해 최적의 클러스터 크기
Figure 112019057514310-pat00014
을 구할 수 있으며, 그 값은 수학식 3과 같다.
Figure 112019057514310-pat00015
따라서, d = 2 일 때, 최소 슬롯 지연
Figure 112019057514310-pat00016
은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00017
예를 들어, 차량 크기 N = 100 인 차량 네트워크는
Figure 112019057514310-pat00018
= 10의 최적 클러스터 크기를 가지며, 최적의 슬롯 지연은
Figure 112019057514310-pat00019
= 20이며, 최소 지연은 20 시간 슬롯이다.
도 4는 차량의 수(N)에 따른 시간 슬롯과 클러스터 크기 간의 관계를 나타낸다. 도 4를 참고하면, 클러스터 크기가 최적(optimum) 클러스터 크기보다 클 때, 시간 슬롯 수(Count)가 천천히 증가 함을 보여 주며, 이는 클러스터 크기를 결정할 때 최적 크기보다 크거나 같은 크기를 선택할 수 있음을 나타낸다. 또한, 최적의
Figure 112019057514310-pat00020
는
Figure 112019057514310-pat00021
와 같이
Figure 112019057514310-pat00022
에 비례하는 관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 현실적인 무선 환경 (예: 전파 페이딩 및 다중 경로 간섭 문제 등)에서 긴급 정보를 다른 클러스터 멤버에게 안정적으로 전달하기 위해서는 최적의 클러스터링 프로세스와 함께 간섭 최적화 프로세스가 고려될 필요가 있다.
< 실시 예 1>
긴급 패킷을 전달하는 경우, 네트워크 프로토콜이 제한된 시간 내에 패킷 전달을 보장하는 것이 매우 중요하다. 도 5는 본 명세서가 제안하는 ECMAC 프로토콜이 엣지 컴퓨팅 장치에서 수행되는 순서도의 일례를 나타낸다. 도 5는 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 5를 참고하면, 본 발명에서 제안하는 최악의 지연(Latency)을 최소화하면서 높은 전송 성공 비율을 달성할 수 있는 ECMAC 프로토콜은 차량 노드 세트를 구성하는 단계(S510), 클러스터링 단계(S520), 각 클러스터에 DSRC 채널을 할당하는 단계(S530) 및 각 차량과 클러스터 헤더에 프레임 내의 고유 한 시간 슬롯을 할당하는 TDMA 방식의 스케줄링 단계(S540)를 포함할 수 있다. 상기 각 단계들은 상호 의존적일 수 있다.
엣지 컴퓨팅 장치는 기지국에 연결된 노드(예: 차량)로부터 노드에 대한 정보를 수신하여 차량 노드 세트를 구성할 수 있다(S510). 예를 들어, 차량들로부터 주기적으로 각 차량의 이동(mobility) 정보를 수신할 수 있다. 상기 이동 정보에는 각 차량의 위치, 속도, 방향, 가속 / 감속, 도로-ID 등의 정보들 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
클러스터링 단계에서 완전한 균형 잡힌 트리 구조를 따라 메시지를 라우팅함으로써 최악의 지연을 최소화 할 수 있는 최적의 트리 구조를 형성할 수 있다(S520). 최악의 지연을 최소화 할 수 있는 최적의 트리 구조는 연결된 노드의 수에 따라 결정될 수 있다.
표 1은 본 발명에서 제안하는 방법으로 적용될 수 있는 클러스터링 알고리즘의 일례를 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00023
표 1을 참고하면, 최적의 트리 구조를 형성하기 위한 휴리스틱 알고리즘인 Greedy Full Balance Tree 클러스터링 알고리즘을 고려할 수 있다. 상기 휴리스틱 알고리즘은 반복 알고리즘으로 그룹핑 (예: 클러스터링) 단계와 부모 (예: 클러스터 헤더) 선택 단계의 두 단계(Phase)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 알고리즘의 그룹핑 (예: 클러스터링) 단계를 설명한다. 먼저, 상술한 수학식 3을 기반으로 자식 수(예: 클러스터 멤버 수)를 결정할 수 있다. 노드의 전체 크기가 N이고 최적의 자식 수가 m이라고 가정한다. 이후, 도로의 오름차순으로 노드 위치를 기준으로 모든 노드를 정렬할 수 있다. 전체 노드(N)을 자식 수(m)으로 나누어
Figure 112019057514310-pat00024
그룹을 형성할 수 있다. 예를 들어, 정렬 된 목록의 첫 번째 m개의 노드들은 그룹을 형성할 수 있다. 이후, 각 그룹에서 하나의 노드를 부모 노드로 선택할 수 있다.
부모 (예: 클러스터 헤더) 선택 단계에서 보다 안정된 이동성을 갖는 노드에 우선 순위를 부여할 수 있다. 부모 선택 과정은 지리적 위치, 차량의 상대 속도, 다른 멤버들과의 연결성을 고려하여 수행될 수 있다. 클러스터 c 내의 차량 i의 연결성(connectivity)은 수학식 5와 같이 표현 될 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00025
지리적으로 중앙 노드를 선택하기 위해 클러스터 c 내의 차량 i에 대한 평균 상대 거리
Figure 112019057514310-pat00026
는 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00027
여기서,
Figure 112019057514310-pat00028
는 노드 i와 j 간의 유클리드 거리(Euclidean Distance)를 나타내고, m은 클러스터 크기를 나타낸다.
클러스터 c의 차량 i의 평균 상대 속도
Figure 112019057514310-pat00029
는 수학식 7로 산출할 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00030
여기서,
Figure 112019057514310-pat00031
는 노드 i와 j간의 상대 속도(예: 속도 차이)를 나타낸다.
상술한 수학식에 기초하여, 차량 i에 대한 클러스터 헤더의 가중치
Figure 112019057514310-pat00032
를 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00033
여기서,
Figure 112019057514310-pat00034
는 차량들의 이웃 노드 사이에서 최대 연결 수, 최대 전송 범위, 속도 임계치 등을 나타낸다.
클러스터 헤더는 다음의 수학식 9를 통해 결정될 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00035
여기서,
Figure 112019057514310-pat00036
와
Figure 112019057514310-pat00037
는 0s와 2s로 설정할 수 있으며,
Figure 112019057514310-pat00038
는 가능한 동일한 값을 차별화 하기 위해 균일(uniform) 분포를 따른다. 상기 알고리즘의 복잡도는
Figure 112019057514310-pat00039
에 해당할 수 있다.
상술한 클러스터링에서는 각 클러스터에 고유 한 채널을 할당 할 수 있는 충분한 채널이 있다고 가정할 수 있다. 그러나 IEEE 802.11-OCB 프로토콜은 공공 안전 어플리케이션을 위한 2 개의 예약 된 서비스 채널을 제외한 5 개의 채널 (1개의 컨트롤 채널 및 4 개의 서비스 채널)로 사용 가능한 채널의 수를 제한하기 때문에 클러스터 간 간섭은 불가피할 수 있다. 따라서, 주어진 클러스터 구조를 위한 채널을 공간적으로(spatially) 재사용함으로써 이러한 간섭을 최소화할 수 있는 최적의 채널 할당 방법을 고려할 수 있다.
엣지 컴퓨팅 장치는 주어진 차량 노드 집합을 통해 도 2와 같은 계층적인 클러스터링 트리를 형성하고 공동(Joint) 채널 간섭 최적화 방법이 고려될 수 있다. 구체적으로 상기 채널 간섭 최적화 방법은 최적의 채널 할당을 수행하는 단계(S530); 및 최적의 TDMA(Time Division Multiple Access) 시간 슬롯을 개별 차량에게 할당하는 단계(S540)를 포함할 수 있다.
노드 간 간섭 수준(Interference Level)은 한 노드의 간섭 범위 내에 있는 다른 노드의 수로 정의될 수 있다. C는 동일 레벨의 모든 클러스터들의 세트를 나타낸다. 수학식 10을 통해 채널을 최적으로 할당 할 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00040
수학식 10에서
Figure 112019057514310-pat00041
와
Figure 112019057514310-pat00042
는 클러스터 세트 C 내의 클러스터들을 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00043
,
Figure 112019057514310-pat00044
및
Figure 112019057514310-pat00045
는 모두 지시(indicator) 함수들을 나타내며 다음 수학식 11과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00046
Figure 112019057514310-pat00047
Figure 112019057514310-pat00048
수학식 11에서
Figure 112019057514310-pat00049
인 클러스터들이 같은 채널로 동작하면
Figure 112019057514310-pat00050
는 1이고, 그렇지 않으면 0이다.
Figure 112019057514310-pat00051
일 때, 차량 일시적으로 i와 j가 시간적으로 중첩되는 시간 슬롯에 할당되면
Figure 112019057514310-pat00052
는 1이고, 그렇지 않으면 0이다.
Figure 112019057514310-pat00053
는 각 노드에 대한 간섭 레벨을 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00054
가 모든 차량 쌍에 대해 항상 1 일 때, 그래프 컬러링(coloring) 문제와 동일할 수 있다.
전체 클러스터 간 간섭(Total Inter-Cluster Interference)은 하나의 클러스터와 다른 모든 클러스터들의 간섭 수로 정의될 수 있다.
최대 클러스터 쌍의 간섭(Maximum Cluster Pair Interference)은 하나의 클러스터와 모든 클러스터 중 다른 클러스터에 대한 최대 간섭 수로 정의될 수 있다.
첫 번째 단계인 최적의 채널 할당을 수행하는 단계는 사용 가능한 채널을 최적으로 재사용함으로써 전체 클러스터 간 간섭(Total Inter-Cluster Interference)을 최소화할 수 있다.
이하 최적의 채널 할당을 수행하는 방법을 설명한다(S530). 먼저 간섭 그래프
Figure 112019057514310-pat00055
를 구성할 수 있다. 여기서
Figure 112019057514310-pat00056
는 클러스터들을 나타내는 노드의 세트를 나타내고,
Figure 112019057514310-pat00057
는 클러스터 간의 연결성을 나타내는 엣지들의 세트를 나타낸다. 수학식 12는 클러스터
Figure 112019057514310-pat00058
와
Figure 112019057514310-pat00059
를 연결하는 엣지
Figure 112019057514310-pat00060
의 가중치
Figure 112019057514310-pat00061
를 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00062
Figure 112019057514310-pat00063
이후, K-way max cut 알고리즘을 적용할 수 있다. K-way max cut 알고리즘은 컷 세트(cut set)를 발견하고, 컷 세트는 노드들을 K 세트들로 분할하여 컷 세트 내의 엣지의 전체 가중치를 최대화 할 수 있다. 예를 들어, 공통 채널은 동일한 세트(예: 클러스터)의 모든 노드에 할당될 수 있다. 일례로, DSRC에는 서비스 통신을 위한 4 개의 서비스 채널이 있으므로 K가 4보다 크거나 같을 때 상기 알고리즘은 최적 해를 찾지 못할 수도 있다. 이 경우, 단방향 고속도로 시나리오는 동일한 채널을 갖는 임의의 2 개의 클러스터 사이의 거리가 가장 길기 때문에 4 개의 서비스 채널이 지리적 위치에 따라 클러스터에 순차적으로 할당 될 수 있다.
최적의 TDMA(time division multiple access) 타임 슬롯을 개별 차량에게 할당하는 단계에서는 최대 클러스터 쌍 간섭을 최소화할 수 있다(S540).
이하에서, 동일한 채널에서 동작하는 차량 간의 최대 간섭이 최소화되도록 차량 전송을 스케줄 할 수 있는 방법이 고려될 수 있다.
클러스터 c'에 있는 모든 차량에 고유한 시간 슬롯이 할당될 수 있다. 여기서
Figure 112019057514310-pat00064
로 나타낼 수 있다. TS는 시간 슬롯의 세트를 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00065
는 c'에 할당 된 동일한 채널로 동작하는 클러스터를 나타낸다. 가중치에 따라
Figure 112019057514310-pat00066
와 c'을 연결하는 엣지들을 정렬할 수 있다. 엣지 가중치의 오름차순으로 차량에 시간 슬롯 할당할 수 있다. 시간 슬롯
Figure 112019057514310-pat00067
가
Figure 112019057514310-pat00068
에 할당된다고 가정하자.
Figure 112019057514310-pat00069
인 경우에만
Figure 112019057514310-pat00070
를
Figure 112019057514310-pat00071
에 할당할 수 있다. C에서
Figure 112019057514310-pat00072
를 제거하고 S의 모든 차량이 스케줄 될 때까지 이 최적의 TDMA 스케줄링을 반복할 수 있다.
표 2 및 도 6은 본 발명이 제안하는 최적의 TDMA 시간 슬롯 할당과 관련된 그리디(Greedy) 시간 슬롯 할당 알고리즘의 일례를 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00073
표 2에서 C는 모든 클러스터들의 집합을 나타내고,
Figure 112019057514310-pat00074
는 상기 집합에 포함된 클러스터를 나타내며,
Figure 112019057514310-pat00075
는 클러스터
Figure 112019057514310-pat00076
에 속하는 차량 노드를 나타낸다. 노드
Figure 112019057514310-pat00077
의 차수를
Figure 112019057514310-pat00078
로 나타낼 수 있으며, 이것은 노드
Figure 112019057514310-pat00079
의 원 홉 이웃 차량의 수를 나타낸다.
Figure 112019057514310-pat00080
는 클러스터
Figure 112019057514310-pat00081
의 노드
Figure 112019057514310-pat00082
에 입사하는 (incident) 엣지의 수를 나타낸다. 또한, 클러스터 차수는 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019057514310-pat00083
표 2의 알고리즘에서 입력 S는 차량 노드 세트를 나타낸다. 각 노드는 클러스터 그룹 세트 C에 할당될 수 있고, 인접 노드 목록을 만들 수 있다. 상기 알고리즘 프로세스는 모든 노드
Figure 112019057514310-pat00084
에 대해 클러스터 차수
Figure 112019057514310-pat00085
를 계산하는 단계,
Figure 112019057514310-pat00086
의 내림차순으로 노드들을 정렬하는 단계, 사용 가능한 시간 슬롯을 목록의 첫 번째 노드에 할당하는 단계, 목록을 살펴보고 할당된 노드들과 연결되지 않은 모든 노드에 동일 클러스터 내에서 다른 노드에 할당된 적이 없는 시간 슬롯을 할당하는 단계, 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하여 이웃 목록을 업데이트 하는 단계, 할당되지 않은 노드의 처음부터 새로운 또는 사용 가능한 시간 슬롯을 사용하여 프로세스를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
도 7은 표 2의 알고리즘을 이용한 시간 슬롯 할당의 일례를 나타낸다. 도 7은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 도 7을 참고하면, 각 클러스터가 3 개의 노드를 갖는 클러스터가 3개 있는 경우를 나타낸다. 모든 노드들은 먼저 간섭 범위에 따라 이웃 리스트를 만들 수 있고, 각 클러스터에 대한 연결을 계산할 수 있다. 모든 노드들은 각 클러스터에 대한 연결에 따라 정렬될 수 있다. 그 다음, 노드 n1이 가장 먼저 할당되고, 이는 가장 큰 카운트를 갖는다. 노드 n2는 아직 할당되지 않았고 n1의 이웃리스트에 있지 않기 때문에 다음에 할당될 수 있다. 모든 노드들에 시간 슬롯이 할당 될 때까지 상기 프로세스를 반복할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 그리디 시간 슬롯 할당 알고리즘은
Figure 112019057514310-pat00087
의 계산 복잡도를 가질 수 있다. 또한,
Figure 112019057514310-pat00088
보다 적은 시간 슬롯을 제한하는 근사 알고리즘에 해당한다. 즉, 어떤 차량 쌍 사이의 가장 긴 지연도
Figure 112019057514310-pat00089
에 의해 한정되는 것을 의미할 수 있다. 클러스터 간 간섭은 타임 슬롯 할당 단계가 끝난 후에 완전히 제거될 수 있다. 또한, 고유한 시간 슬롯이 동일한 클러스터 내의 각 노드에 할당되기 때문에 클러스터 내 간섭이 발생하지 않을 수 있다.
상술한 최적화 방법은 데이터 패킷 충돌 부재를 지향하는 통신 시나리오인 스마트 공장과 같은 산업 네트워크에도 적용 가능할 수 있다.
상술한 방법 및/또는 실시 예에 따라 산출된 클러스터에 대한 정보, 할당된 상기 채널 및 상기 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나의 정보는 셀룰러 네트워크를 통해 상기 차량 노드 세트의 차량들로 전송될 수 있다. 해당 정보를 수신한 차량 노드 세트의 차량들은 클러스터에 대한 정보에 기반하여 클러스터 멤버, 클러스터 헤더, 마스터 클러스터 헤더 중 하나의 역할을 수행할 수 있으며, 수신한 채널 할당 및 TDMA 방식의 스케줄링에 따라 다른 차량들로 긴급 패킷을 송수신할 수 있다.
이하 본 발명에서 제안하는 ECMAC 프로토콜의 성능을 설명한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 제안하는 그리디 시간 슬롯 할당 (Greedy Time Slot Allocation, GTA)(이하, GTA) 알고리즘의 유효성을 나타낸다. 도 8a 내지 도 8d를 참고하면, 그리디 시간 슬롯 할당 알고리즘을 사용한 패킷 전달 비율 (Packet Delivery Ratio, PDR)은 GTA 알고리즘이 적용되지 않은 패킷 전달률보다 훨씬 우수함을 알 수 있다. GTA 알고리즘은 TDMA 스케줄을 확장하여 채널 간섭을 제거하기 때문에 평균 E2E 지연과 평균 최대 E2E(End-to-End) 지연은 GTA 알고리즘이 없는 경우보다 크다.
도 9는 GTA 알고리즘에 의한 PDR과 E2E 지연 간의 트레이드 오프를 나타낸다. GTA 알고리즘은 높은 차량 밀도 (> 0.25)에서 약 20 %의 PDR을 향상시키는 반면 평균 및 최대 E2E(End-to-End) 지연은 약 12 % 감소시키는 효과가 있다.
차량 밀도는 패킷 E2E 지연 및 PDR 모두에 영향을 미칠 수 있다. 차량 밀도가 작으면 차량이 성긴(sparse) 네트워크를 구성하여 PDR을 줄일 수 있다. 차량 밀도가 클 경우, 더 긴 전송 스케쥴로 인해 패킷 E2E 지연이 증가 될 수 있고, 또한 더 많은 간섭으로 인해 PDR이 감소 될 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 차량 밀도에 따른 ECMAC의 성능을 나타낸다. 도 10a 및 도 10d로부터, ECMAC의 비상용 PDR은 밀도 0.05를 제외하고는 대부분의 밀도에서 100 %에 가깝다는 것을 알 수 있다. 이러한 성능은 ECMAC이 채널 간섭을 최소화 할 수 있는 간섭 최적화 프로세스를 통해 최적의 클러스터 구조를 제공하기 때문이다. 도 10b와 도 10e는 ECMAC의 평균 E2E 지연이 802.11-OCB, DMMAC의 평균 E2E 지연보다 열세하나 P-지속성 및 슬롯화 된 P-지속성의 E2E 지연보다 좋은 성능을 보여준다. 이는 ECMAC는 차량 통신을 위해 TDMA 스케줄을 사용하므로 차량은 타임 슬롯이 패킷을 전송할 때까지 기다려야 하는 반면, CSMA와 유사한 프로세스 (IEEE 802.11-OCB 및 DMMAC)는 차량이 무선 채널이 점유되지 않을 때마다 패킷을 전송할 수 있기 때문이다. 그러나 ECMAC은 IEEE 802.11-OCB 및 DMMAC에 비해 높은 PDR을 고려하여 ECMAC는 두 가지 방식보다 더 긴급한 패킷 전송 서비스를 제공 할 수 있다. 도 10c와 도 10f는 평균 최대 E2E 지연의 성능을 나타낸다.
도 11a와 도 11b는 차량 밀도 0.3 veh/m 에서의 긴급 패킷 발생 간격(interval)의 영향을 평가한 결과를 나타낸다. ECMAC의 PDR은 모든 비상 패킷 발생 간격에서 우수한 성능을 보인다. 11a 및 도 11b에 도시 된 바와 같이, 긴급 사고로 시작된 패킷 전송은 일반적으로 높은 빈도로 많은 패킷을 생성하지 않으므로 ECMAC는 멀티 홉 거리 차량으로의 신속한 긴급 정보 전송을 안정적으로 수행할 수 있다. 고속도로 환경에서 긴급 패킷을 멀티 홉 거리 차량에 전송하기 위해 ECMAC는 적절한 전송 지연을 유지하면서 높은 전송 비율을 보장 할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 PDM, ME2E 지연(Mean End-to-End Packet Delay) 및 MME2E 지연(Mean Maximum End-to-End Packet Delay) 측면에서의 기타 기준선과 ECMAC의 성능을 나타낸다. 상기 도 12a 내지 도 12d는 프로토콜에 대한 백그라운드 트래픽의 영향을 평가하기 위한 시뮬레이션 결과의 일례이다. 도 12b는 BTI가 증가함에 따라 ECMAC, DMMAC 및 슬롯 된 p-persistence의 PDR이 상응하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 ECMAC이 PDR에 대한 좋은 성능을 보인다.
도 13은 본 명세서가 제안하는 방법 및 실시 예가 적용될 수 있는 차량 네트워크에서 차량과 엣지 컴퓨팅 장치의 시그널링 절차의 일례를 나타낸다. 도 13은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
차량들은 셀룰러 네트워크를 통해 주기적으로 자신의 이동 정보를 엣지 컴퓨팅 장치(ECD)로 전송할 수 있다(S1310). 상기 이동 정보는 차량들의 위치, 속도, 방향, 가속 / 감속, 도로 ID 등에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 엣지 컴퓨팅 장치(ECD)는 기지국에 연결된 엣지 서버에 해당할 수 있다. 또는, 엣지 컴퓨팅 장치로써 기지국 자체가 사용될 수도 있다.
상기 엣지 컴퓨팅 장치는 클러스터링 프로세스를 수행할 수 있다(S1320). 예를 들어, 상기 클러스터링 프로세스는 상술한 방법 2, 실시 예 1등에 기반하여 수행될 수 있다. 구체적인 예로, 엣지 컴퓨팅 장치(ECD)는 상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성할 수 있다. 상기 차량 노드 세트를 구성하는 단계는 상술한 S510 단계와 대응될 수 있다.
또한, 상기 엣지 컴퓨팅 장치는 상기 차량 노트 세트 구성에 기반하여 최적의 트리 형태의 클러스터 구조를 형성할 수 있다. 상기 클러스터 구조를 형성할 때, 상술한 표 1의 알고리즘에 따라 수행할 수 있다. 상기 알고리즘은 그룹핑 (예: 클러스터링) 단계와 부모 (예: 클러스터 헤더) 선택 단계의 두 단계(Phase)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 최적의 클러스터 당 멤버의 수를 결정하고, 차량 노드의 도로 상 위치를 기준으로 오름차순으로 모든 노드들을 정렬할 수 있다. 전체 노드의 수(예: N)를 상기 클러스터 당 멤버의 수(예: m)으로 나누어
Figure 112019057514310-pat00090
그룹을 형성할 수 있다. 이후, 각 그룹에서 하나의 노드를 부모 노드로 선택할 수 있다. 부모 선택 프로세스에서 보다 안정된 이동성을 갖는 노드에 우선 순위를 부여할 수 있다. 부모 선택 과정은 지리적 위치, 차량의 상대 속도, 다른 멤버들과의 연결성을 고려하여 수행될 수 있다.
상기 엣지 컴퓨팅 장치는 상기 클러스터들에 채널을 할당할 수 있다(S1330). 예를 들어, 상기 채널 할당은 상술한 방법 3, 실시 예 1등에 기반하여 수행될 수 있다. 구체적인 예로, 전체 클러스터 간 간섭(Total Inter-Cluster Interference)을 최소화하기 위해 사용 가능한 채널을 최적으로 재사용할 수 있도록 채널을 할당할 수 있다. 엣지 컴퓨팅 장치는 간섭 그래프
Figure 112019057514310-pat00091
를 구성하고, K-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널 할당을 수행할 수 있다. 또한, 할당할 채널이 부족한 경우, 동일한 채널을 갖는 임의의 2 개의 클러스터 사이의 거리가 가장 멀기 때문에 차량의 지리적 위치에 따라 채널을 클러스터에 순차적으로 할당할 수 있다. 일례로, 긴급 패킷을 발신하는 차량이 속한 클러스터와 가까운 위치의 클러스터에 순차적으로 채널을 할당할 수 있다.
상기 엣지 컴퓨팅 장치는 상기 클러스터의 각 채널 별로 TDMA 방식의 스케줄링을 할 수 있다(S1340). 예를 들어, 상기 TDMA 방식의 스케줄링은 상술한 방법 3, 실시 예 1등에 기반하여 수행될 수 있다. 구체적인 예로, TDMA 방식의 스케줄링은 동일한 채널에서 동작하는 차량 간의 최대 간섭이 최소화되도록 스케줄링 될 수 있다. 상기 스케줄링은 상술한 표 2의 알고리즘에 기반하여 수행될 수 있다.
상기 알고리즘 프로세스는 차량의 인접 노드 목록을 만들고, 모든 노드에 대해 클러스터 차수를 계산하는 단계, 클러스터 차수의 내림차순으로 노드들을 정렬하는 단계, 사용 가능한 시간 슬롯을 목록의 첫 번째 노드에 할당하는 단계, 목록을 살펴보고 할당된 노드들과 연결되지 않은 모든 노드에 동일 클러스터 내에서 다른 노드에 할당된 적이 없는 시간 슬롯을 할당하는 단계, 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하여 이웃 목록을 업데이트 하는 단계, 할당되지 않은 노드의 처음부터 새로운 또는 사용 가능한 시간 슬롯을 사용하여 프로세스를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 엣지 컴퓨팅 장치는 셀룰러 네트워크의 기지국을 통해 상기 클러스터링 정보, 채널 할당, TDMA 스케줄링 중 적어도 하나를 상기 차량으로 전송할 수 있다(S1350).
상술한 S1310 내지 S1350 단계는 능동적인 클러스터링 관리를 위해 셀룰러 네트워크 상에서 이루어질 수 있다. 또한, 엣지 컴퓨팅 장치는 클러스터 구조 및 일정을 업데이트해야 하는지 여부를 결정하기 위하여 커버된 차량의 이동성을 모니터링 할 수 있다.
상기 클러스터링 정보, 채널 할당, TDMA 스케줄링 중 적어도 하나를 수신한 상기 차량은 자신의 스케줄 및 클러스터에서의 역할 (예: CM, CH 및 MCH 등)에 따라 동작할 수 있다. 비상 상태에서 상기 차량이 긴급 패킷을 이웃 차량들로 전송하는 경우, 차량 간 신속한 안전 운행 메시지 교환을 위해 VANET을 이용할 수 있다. 또한, 다른 차량으로부터 VANET을 통해 긴급 패킷을 수신할 수도 있으며, 수신한 긴급 패킷을 포워딩할 수도 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 장치 일반
본 발명에서 제안하는 방법 및/또는 실시 예가 적용될 수 있는 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)는 기지국과 신호를 송수신하기 위한 송수신부와 상기 송수신부와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함할 수 있다. 엣지 컴퓨팅 장치는 상술한 방법 1 내지 방법 3, 실시 예 1 등에 따라 동작할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 엣지 컴퓨팅 장치의 프로세서는 상기 기지국을 통해 차량들로부터 이동 정보를 수신하고, 상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하며, 상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하고, 상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고, 상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하여 상기 하나 이상의 클러스터로 구성하도록 제어할 수 있다. 하나 이상의 클러스터를 구성할 때, 상기 차량 노드 세트의 차량들의 수를 N이라고 하면,
Figure 112019057514310-pat00092
개 단위로 그룹화하여 클러스터를 구성할 수 있다. 또한, 각 클러스터 내 차량들 각각의 지리적 위치, 차량의 상대 속도 및 다른 차량들과의 연결성 중 적어도 하나에 기반하여 상기 하나의 차량을 선택할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널을 할당하도록 제어할 수 있다. 또는, 각 클러스터 내 차량들의 지리적 위치에 기반하여 채널을 할당하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하고, 상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하며, 상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하고, 사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하며, 상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하도록 제어하여 상기 TDMA 방식의 스케줄링을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 클러스터 차수는 클러스터 내의 차량에 입사하는(incident) 엣지들의 최대 수에 해당할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 클러스터에 대한 정보, 할당된 상기 채널 및 상기 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 상기 차량 노드 세트의 차량들로 전송하도록 제어할 수 있다. 상기 기지국에 연결된 차량들의 이동성을 모니터링 하도록 제어할 수도 있다.
또한, 상기 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)에 포함된 상기 송수신부는 기지국에 연결된 차량들과 셀룰러 네트워크를 이용하도록 제어될 수 있다.
또 다른 예로, 본 발명에서 제안하는 방법 및/또는 실시 예가 적용될 수 있는 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 장치는 데이터를 저장하기 위한 메모리와 상기 메모리와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 장치는 상술한 방법 1 내지 방법 3, 실시 예 1 등에 따라 동작할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 장치의 프로세서는 차량들의 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고, 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하며, 상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하고, 상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고, 상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하여 상기 하나 이상의 클러스터로 구성하도록 제어할 수 있다. 하나 이상의 클러스터를 구성할 때, 상기 차량 노드 세트의 차량들의 수를 N이라고 하면,
Figure 112019057514310-pat00093
개 단위로 그룹화하여 클러스터를 구성할 수 있다. 또한, 각 클러스터 내 차량들 각각의 지리적 위치, 차량의 상대 속도 및 다른 차량들과의 연결성 중 적어도 하나에 기반하여 상기 하나의 차량을 선택할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널을 할당하도록 제어할 수 있다. 또는, 각 클러스터 내 차량들의 지리적 위치에 기반하여 채널을 할당하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하고, 상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하며, 상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하고, 사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하며, 상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하도록 제어하여 상기 TDMA 방식의 스케줄링을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 클러스터 차수는 클러스터 내의 차량에 입사하는(incident) 엣지들의 최대 수에 해당할 수 있다.
도 14는 본 명세서가 제안하는 방법 및 실시 예가 적용될 수 있는 차량 구성 블럭도의 일례를 나타낸다. 도 14는 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 도 14를 참고하면, ECMAC 프로토콜을 실행하는 차량은 2개의 스택(Stack)을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 2개의 스택은 셀룰러 스택과 IEEE 802.11-OCB 스택에 해당할 수 있다. 상기 차량은 상기 2개의 스택들을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 차량은 셀룰러 스택 (예: 4G-LTE 및 5G CV2X 등)(예: 제1 송수신부)을 통해 이동 정보 (예: 위치, 속도 및 방향 등) 를 엣지 컴퓨팅 장치에 정기적으로 전송할 수 있다. 또한, 상기 차량은 셀룰러 스택을 통해 상기 엣지 컴퓨팅 장치로부터 클러스터에 대한 정보, 할당된 채널 및 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 수신할 수 있다. 또한, 사고 발생과 같은 비상 상황에서 긴급 패킷을 IEEE 802.11-OCB 스택 (예: VANET)(예: 제2 송수신부)을 통해 주변 차량들로 전달 할 수 있다.
일례로, 본 발명에서 제안하는 방법 및/또는 실시 예가 적용될 수 있는 차량 네트워크에서의 통신을 수행하는 장치는 데이터를 저장하기 위한 메모리와 상기 메모리와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 장치는 상술한 방법 1 내지 방법 3, 실시 예 1 등에 따라 동작할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 장치의 상기 프로세서는 셀룰러 네트워크를 통하여 상기 장치의 이동 정보를 전송하고, 클러스터에 대한 정보, 할당된 채널 및 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 수신하며, 차량 애드 혹 네트워크 (VANET)를 통하여 긴급 패킷을 송수신하도록 제어할 수 있다.
이상에서 설명된 방법 및 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (29)

  1. 차량 네트워크에서의 통신 방법에 있어서, 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)에 의해 수행되는 상기 통신 방법은
    기지국에 연결된 차량들로부터 이동 정보를 수신하는 단계;
    상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하는 단계;
    상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하는 단계; 및
    상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하는 단계를 포함하며,
    상기 TDMA 방식의 스케줄링은
    상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하는 단계;
    상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하는 단계;
    상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하는 단계;
    사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하는 단계; 및
    상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 클러스터 차수는 클러스터 내의 차량에 입사하는(incident) 엣지들의 최대 수에 해당하는 통신 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 클러스터로 구성하는 단계는
    상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고,
    상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 차량 노드 세트의 차량들의 수를 N이라고 할 때,
    Figure 112019057514310-pat00094
    개 단위로 그룹화하여 클러스터를 구성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 하나의 차량은 각 클러스터 내 차량들 각각의 지리적 위치, 차량의 상대 속도 및 다른 차량들과의 연결성 중 적어도 하나에 기반하여 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널을 할당하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    각 클러스터 내 차량들의 지리적 위치에 기반하여 채널을 할당하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 클러스터에 대한 정보, 할당된 상기 채널 및 상기 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 상기 차량 노드 세트의 차량들로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 엣지 컴퓨팅 장치(Edge Computing Device)와 상기 기지국에 연결된 차량들은 셀룰러 네트워크를 이용하여 통신하는 것을 특징으로 하는 방법
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 기지국에 연결된 차량들의 이동성을 모니터링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 클러스터 내의 차량 간의 통신은 차량 애드 혹 네트워크 (VANET)를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 기지국에 연결된 차량들은 셀룰러 네트워크에서의 통신과 차량 애드 혹 네트워크 (VANET) 에서의 통신을 모두 지원하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 삭제
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  16. 차량 네트워크에서 통신을 수행하는 엣지 컴퓨팅 장치(Edge computing device)에 있어서, 상기 엣지 컴퓨팅 장치는,
    기지국과 신호를 송수신하기 위한 송수신부와,
    상기 송수신부와 기능적으로 연결되어 있는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    기지국에 연결된 차량들로부터 이동 정보를 수신하고,
    상기 이동 정보에 기반하여 차량 노드 세트를 구성하고 상기 차량 노드 세트의 차량들을 하나 이상의 클러스터로 구성하며,
    상기 하나 이상의 클러스터에 채널을 할당하고,
    상기 각 채널에 TDMA 방식의 스케줄링을 하며,
    상기 TDMA 방식의 스케줄링은
    상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하고,
    상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하며,
    상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하고,
    사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하며,
    상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하고,
    상기 클러스터 차수는 클러스터 내의 차량에 입사하는(incident) 엣지들의 최대 수에 해당하는 엣지 컴퓨팅 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 차량 노드 세트의 차량들을 그룹화하여 클러스터를 구성하고,
    상기 클러스터에서 하나의 차량을 선택하여 상기 하나 이상의 클러스터로 구성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    k-way max cut 알고리즘을 이용하여 채널을 할당하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 차량 노드 세트의 각 차량 노드 별로 인접한 차량 노드 목록을 구성하고,
    상기 차량 노드 세트의 모든 차량들에 대해 클러스터 차수를 계산하며,
    상기 클러스터 차수의 내림차순으로 상기 목록의 모든 차량들을 정렬하고,
    사용 가능한 시간 슬롯을 상기 목록의 차량에 할당하며,
    상기 목록에서 시간 슬롯을 할당 받은 차량을 제거하도록 제어하여 상기 TDMA 방식의 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 클러스터에 대한 정보, 할당된 상기 채널 및 상기 TDMA 방식의 스케줄링 중 적어도 하나를 상기 차량 노드 세트의 차량들로 전송하도록 제어하는 것을 더 포함하는 장치.

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