KR20100091456A - 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법 - Google Patents

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신석주
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Abstract

본 발명은 차량간 통신인 VANET에 관한 것으로 VANET은 기반시설의 도움 없이 차량 간의 무선통신을 기반으로 자율적인 네트워크 구성을 통해 교통흐름제어, 운전자의 안전 및 편의 등을 크게 개선할 수 있는 기술을 말한다. VANET은 MANET과 달리 노드의 고속 이동성과 네트워크 토폴로지의 빈번한 변화, 노드의 밀집도 급변 등의 차량 환경 고유의 특징을 가진다. 이러한 VANET의 특징들은 MANET의 네트워크 토폴로지 기반 프로토콜의 성능을 저하시키는 주요 원인이 된다. 본 발명은 적응형 거리기반 방송 알고리즘을 사용한 긴급경고메시지 방송 프로토콜에 관한 것이다. 적응형 거리기반 방송 알고리즘은 긴급경고메시지 전송 노드의 전송영역의 가장 자리에 노드가 위치하지 않더라도 릴레이 사이의 거리에 따라 방송 패킷의 대기시간을 변화시키기 때문에 네트워크 토폴로지의 상황에 맞게 대기시간을 변화시킬 수 있다. 본 발명에서의 AODAM 알고리즘은 VANET 환경에서 낮은 노드 밀도와 잦은 토폴로지 변화에서도 낮은 네트워크 부하와 짧은 긴급메시지 전달 시간을 가지는 것을 특징으로 한다.
차량간 통신 (VANET), 패킷 경로 제어 방법, 적응형 거리기반 방송 알고리즘, 긴급경고메시지

Description

이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법 {The Method for routing control of packet transmission in vehicular communications}
본 발명은 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 간 고속 이동 시 데이터를 ad-hoc 기반으로 전송 시에 최종 목적지까지 데이터가 전송되는데 걸리는 시간을 최소화하기 위해 거리를 이용한 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법에 관한 것이다.
VANET(Vehicular Ad-hoc Network)은 차량 간 무선통신을 기반으로 하는 모바일 애드 혹 네트워크(MANET: Mobile Ad-hoc Network)의 한 종류이다. VANET은 도로 주변의 기지국과 같은 기반시설의 도움 없이 차량 간의 자율적인 무선 통신을 통해 임시적인 네트워크 구성이 가능하다. 이를 통해 효율적인 교통흐름제어, 운전자의 안전 및 편의 그리고 자동차의 연비 및 성능 개선을 가져올 수 있다. 따라서 VANET은 지능형 자동차를 위한 ITS (Intelligent Transportation System)의 핵심 기술로 떠오르고 있다.
VANET과 MANET은 기반 네트워크 시설의 도움 없이 이동 노드들 간의 자율적인 네트워크 구성이 가능하다는 공통점을 가진다. 그러나, VANET은 MANET과 달리 노드의 고속이동성, 네트워크 토폴로지의 급변, 차량의 밀집도 등 차량환경 고유의 특징을 가진다. 이러한 특징들은 잦은 네트워크 단절(Network Fragmentation), 짧은 링크 생존시간 (LinkLifeTime), 낮은 패킷 도착률(Packet Derivery Ratio), 라디오 간섭 (Radio Interference) 등의 문제를 가져온다. 이러한 이유들로 인하여, 기존의 MANET 환경을 위한 라우팅 기법들을 VANET에 그대로 적용하는 것은 어렵다.
VANET의 궁극적 목적은 차량운전의 안전성 개선이라 할 수 있다. 이를 위해서는 신속하고 정확하게 위험 상황을 위험지역 내에 있는 차량에 알려 사전에 위험에 대처할 수 있도록 해야 한다. 특히, 다수의 차량에게 긴급경고메시지(EWM:Emergency Warning Message)를 패킷으로 전달할 수 있는 방법으로 방송(Broadcasting) 방식이 효과적이다. 방송방식은 송신노드가 네트워크 내의 모든 노드에게 패킷을 전송할 수 있는 방법으로 긴급경고메시지를 위험지역에 있는 다수의 차량에게 전송할 수 있다. 긴급경고메시지를 방송하기 위한 가장 간단한 방법으로 플러딩 (Flooding)을 이용하는 방법들이 많이 제안되어 왔다. 그러나 차량의 밀집도와 이동성이 높은 VANET 환경에서는 높은 대역폭 낭비와 전송지연시간 증가 등으로 인한 성능 저하를 가져온다.
본 발명은 차량 간 무선통신 환경인 VANET 환경에서 긴급경고메시지 등의 전송지연시간에 민감한 메시지를 사고발생 주변의 이웃차량들에게 신속히 전송하여 연쇄사고를 방지하기 위한 것으로 차량 간 메시지를 신속하게 먼거리까지 전송할 수 있는 경로 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은, 서비스 영역에 존재하는 다수의 이동 차량에 대한 통신 서비스를 제공하는 네트워크 환경에서의 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법에 있어서, 송신노드와 릴레이노드 차량 간의 거리를 구하는 단계, 서비스 범위 안에 위치한 차량의 대수로 나타내어지는 밀집도를 구하는 단계 및 상기 차량 간의 거리와 상기 밀집도를 이용하여 릴레이노드의 재전송지연 시간을 적응적으로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법을 제시한다.
또한 본 발명에서는 릴레이노드의 재전송지연 시간(
Figure 112009008176409-PAT00001
)은 다음과 같은 수학식에 의해 적응적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법을 제시한다.
Figure 112009008176409-PAT00002
Figure 112009008176409-PAT00003
Figure 112009008176409-PAT00004
: n번째 시간에서 주기 T동안의 최대 전송 대기 시간
Figure 112009008176409-PAT00005
: 노드의 전송반경
Figure 112009008176409-PAT00006
: 송신노드와의 거리
Figure 112009008176409-PAT00007
: max_defer_time을 적응적으로 결정하는 주기
Figure 112009008176409-PAT00008
: n번째 시간에서 주기 T동안의 평균 릴레이노드 사이의 거리
Figure 112009008176409-PAT00009
: 최대 전송 거리(일반적으로, 300m)
n:
Figure 112009008176409-PAT00010
차량간 통신에서 긴급경고메시지를 신속하고 효과적으로 방송하는 방식에있어서 가장 효율이 좋은 거리 기반 브로드 캐스팅 기법인 ODAM을 기반으로 릴레이 노드 간의 거리에 따라서 defer_time을 변화시켜 종단 간 지연시간을 줄이는 효과가 있다.
아울러 본 발명에서는 종래 기술인 ODAM기법의 높은 패킷 전달율을 유지하면서 지연시간에 대해서 약 26%의 성능향상의 효과와 동일 거리에 대해 수행되는 hop 수를 최소화하여 네트워크의 부하를 낮추는 효과가 있다.
ODAM (Optimized Dissemination of Alarm Messages)은 GPS를 이용하여 각 노드의 위치를 알 수 있는 라우팅 경로 설정 방식이고 이 방법에서의 각 노드들은 유일한 ID를 가지고 있다. ODAM은 응급메세지을 전파하기 위해 기본적으로 위치기반과 플러딩 기반의 방송 방식을 사용한다. 응급메세지를 전송받은 노드는 즉시 재전송하는 것이 아니라 송신노드와의 거리를 기반으로 거리에 따른 재전송 시간(defer time)을 계산한다.
거리에 따른 재전송 시간은 응급 메세지를 전파한 노드와 수신노드의 거리가 멀수록 짧은 값을 가지게 된다. 거리에 따른 재전송 시간이 만료된 노드는 다음 응급 메세지 전파를 담당하는 릴레이 노드로 선정된다. 응급 메세지를 두번 수신한 노드는 자신보다 소스와의 거리가 먼 수신 노드(거리에 따른 재전송 시간이 짧은 노드)가 있는 것을 인식하고 응급 메세지 전파를 중단한다. 이로 인해 노드의 밀도가 높더라도 메시지 중복을 줄일 수 있고 짧은 전파지연 시간에 안정적으로 응급 메세지을 전파할 수 있다.
아래 수학식 1은 ODAM의 거리에 따른 재전송 시간를 구하는 것을 나타낸다. 그리고 ODAM은 위치정보를 이용하여 위험지역의 범위를 설정한다. 위험지역은 응급 메세지 전파가 유효한 영역을 나타내며 이 영역 외의 노드들은 응급 메세지 전파에 관여하지 않는다. 이를 통해 불필요한 메시지교환을 방지하고 네트워크 부하를 줄인다.
Figure 112009008176409-PAT00011
Figure 112009008176409-PAT00012
: 임의의 시점 x에 예상되는 재전송 시작 시간
Figure 112009008176409-PAT00013
: 최대 전송 대기 시간
Figure 112009008176409-PAT00014
: 노드의 전송반경
Figure 112009008176409-PAT00015
: 송신노드와의 거리
Figure 112009008176409-PAT00016
전파 시간의 2배
ODAM은 노드의 밀도가 높고 전송 반경이 긴 경우(Dense topology case)에는 낮은 네트워크 부하와 높은 응급 메세지 전파율을 나타낸다. 하지만 밀도가 낮고 전송반경이 짧은 경우(Sparse topology case)에는 네트워크 단절이 자주 발생하게 되고 네트워크 단절이 발생한 노드 이후로는 응급 메세지 전파가 불가능 하며 이를 극복할 수 있는 방법이 없다.
본 발명에서는 ODAM 방식에서 노드 간의 밀집도가 낮았을 때 종단간의 지연시간이 길어지는 문제점을 해결하여, 종단간의 지연시간을 줄이기 위해서 릴레이노드 차량간의 거리와 차량의 밀집도에 따라서
Figure 112009008176409-PAT00017
을 적응적으로 변화시키는 AODAM(Adaptive ODAM)을 제안하였다.
본 발명에서의 AODAM 프로토콜에서는 긴급경고메시지(Emergency Warning Message)의 max_defer_time을 거리에 따라 적용하여, 릴레이 노드간의 거리에 따라서 defer_time을 적응적으로 적용하는 알고리즘을사용하였으며 알고리즘의 순서는 아래와 같다.
1: 사고차량이 응급메시지를 전송
2: ODAM 기법에 따라서 릴레이 노드 선정
3: 릴레이 노드가 응급메시지를 재전송
4: 릴레이 노드가 ACK 패킷을 이전 릴레이노드에게 전송 (ACK 패킷은 릴레이 노드간의 거리와 차량의 진행 방향에 대한 정보를 포함)
5: 송신노드와 이전 릴레이노드가 다음 릴레이노드로부터 ACK 패킷을 수신받지 못하면, 송신노드나 이전 릴레이노드는 응급 메시지를 재전송
6: 릴레이노드는 10초사이의 평균 릴레이 노드사이의 거리를 계산하여, 릴레이 노드간의 거리를 저장하는 테이블에 저장
7: 릴레이노드는 수학식 2에 따라
Figure 112009008176409-PAT00018
을 수정 (릴레이노드는 실제 전송거리는 수정하지 않음)
8: 릴레이노드는 수정된
Figure 112009008176409-PAT00019
에 의해서 수학식 3과 같이 계산된
Figure 112009008176409-PAT00020
시점에 응급메시지를 전송
Figure 112009008176409-PAT00021
Figure 112009008176409-PAT00022
: n번째 시간에서 주기 T동안의 최대 전송 대기 시간
T : max_defer_time을 적응적으로 결정하는 주기
Figure 112009008176409-PAT00023
: n번째 시간에서 주기 T동안의 평균 릴레이노드사이의 거리
Figure 112009008176409-PAT00024
: 최대 전송 거리(일반적으로, 300m)
Figure 112009008176409-PAT00025
수학식 2와 수학식 3을 이용하여 도 1과 같이 긴급경고메시지의 재전송시간의 그래프를 그렸을 때, 기존의 ODAM 알고리즘의 거리에 따른 재전송시간(100)보다 AODAM의 재전송시간(110)이 모든 거리에 대해 짧음으로서 지연시간이 ODAM 알고리즘에 비해서 AODAM 알고리즘을 이용한 긴급경고메시지의 지연시간이 더 낮음을 예상할 수 있다.
본 발명에서 AODAM 라우팅 프로토콜의 성능을 측정하기 위해 Qualnet 시뮬레이터(버전 4.5.1) 상에서 프로토콜을 구현하였다. 모의실험 환경에 대한 파라미터는 표 1과 같다.
Parameter Value
단위 공간에 속한 차량의 수 2, 4, 6, 8 (1km 구간)
도로의 폭 20m
전파 모델 Two-ray ground reflection
매체 접근 제어 프로토콜 (MAC) IEEE 802.11e
메시지의 형태 긴급경고메시지 (EWM)
패킷 전송 속도 10 packets/sec
차량의 이동 모델 Highway mobility scenario
모의실험 시간 900 초 ( 15 분)
라우팅 프로토콜 ODAM, AODAM
이와 더불어 성능을 검증하기 위해 도 2와 같이 2차선을 가지는 고속도로에서 특정한 자동차의 이동 패턴을 가지는 2에서 8개까지의 노드를 사용하여 모의 실험을 하였다. 표 1의 파라미터 중에서 차량의 밀집도는 1km의 고속도로에 차량의 수가 2에서 8개까지의 차량변화를 주어 시뮬레이션을 하였다.
도 2의 (210) 차량은 송신노드로 사고를 목격하고 긴급경고메시지를 주변에 방송하며 이 메시지는 (220)과 (230) 차량들이 수신하게되고 수신한 차량 중 위치정보 등으로 송신노드로부터 가장 멀리 떨어져 있는 수신노드인 (230) 차량이 릴레이노드로 동작하여 긴급경고메시지를 자신의 주변에 재전송한다.
모의실험의 결과로부터 표 2는 긴급경고메시지를 수신한 차량의 비율을 차량 밀집도에 따라 정리한 것이다. 표로부터 1km반경 내에 차량이 2대일 경우에 기존의 ODAM 알고리즘의 긴급경고메시지의 수신율은 70%를, 본 발명의 AODAM 알고리즘의 긴급경고메시지의 수신율은 75%를 보임으로서 약 5%의 패킷 수신율이 증가하였으며, 1km반경 내에 차량이 4~8대 일 때의 경우에는 기존의 ODAM 알고리즘과 본 발명에서의 수신율은 거의 비슷하였다.
Protocol 전송거리
차량밀집도 		150 200~350
ODAM 2 cars
per 1km lane		 70% 100%
A-ODAM 75% 100%
ODAM 4 cars
per 1km lane		 97% 100%
A-ODAM 97% 100%
ODAM 6~ 8 cars
per 1km lane		 99% 100%
A-ODAM 99% 100%
도 3은 전송률(packet/sec)에 대한 ODAM과 AODAM에서의 평균지연시간을 나타내고 있다. 1초당 전송하는 패킷의 수를 1~8개로 변화시켰을 때, 1초에 1~4개의 패킷을 발생시키는 경우에는 본 발명이 기존의 ODAM의 지연시간과 비슷하였고, 1초에 8개의 긴급경고메시지를 발생시켰을 경우에는 약 26%의 낮은 지연시간을 가진다. 전송률이 1~4일 경우에는 ODAM 알고리즘과 AODAM 알고리즘의 지연시간에 있어서의 성능차이가 없지만, 전송률이 높아지게 되면 지연시간 측면에 있어서 AODAM 알고리즘의 지연시간이 더 낮아짐을 의미한다.
다시 말해서 본 발명에서의 AODAM 프로토콜이 ODAM과 비슷한 높은 패킷 전달율을 가지면서 지연시간에 있어서 더 나은 성능을 보이는 것을 모의실험으로부터 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명에서의 AODAM 방식과 종래의 ODAM 방식에서의 재전송 시간을 도시하는 도면
도 2는 본 발명의 모의실험에서 사용된 차량간 통신 환경 모델을 도시하는 도면
도 3은 모의실험을 통한 본 발명에서의 AODAM 방식과 종래의 ODAM 방식에서의 전송 패킷률에 따른 긴급경고메시지 전송 지연 특성을 도시하는 도면

Claims (2)

  1. 서비스 영역에 존재하는 다수의 이동 차량에 대한 통신 서비스를 제공하는 네트워크 환경에서의 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법에 있어서,
    송신노드와 릴레이노드 차량 간의 거리를 구하는 단계;
    서비스 범위 안에 위치한 차량의 대수로 나타내어지는 밀집도를 구하는 단계; 및
    상기 차량 간의 거리와 상기 밀집도를 이용하여 릴레이노드의 재전송지연 시간을 적응적으로 변화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    릴레이노드의 재전송지연 시간()은 다음과 같은 수학식에 의해 적응적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 이동 차량간 패킷 전달 경로 제어 방법.
    Figure 112009008176409-PAT00026
    Figure 112009008176409-PAT00027
    Figure 112009008176409-PAT00028
    : n번째 시간에서 주기 T동안의 최대 전송 대기 시간
    Figure 112009008176409-PAT00029
    : 노드의 전송반경
    Figure 112009008176409-PAT00030
    : 송신노드와의 거리
    T: max_defer_time을 적응적으로 결정하는 주기
    Figure 112009008176409-PAT00031
    : n번째 시간에서 주기 T동안의 평균 릴레이노드 사이의 거리
    Figure 112009008176409-PAT00032
    : 최대 전송 거리(일반적으로, 300m)
    n:
    Figure 112009008176409-PAT00033
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