KR20140042532A - 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치로, 안테나로부터 입력되는 신호로부터 현재 채널 사용 여부를 판단하는 채널 모니터링부와, 상기 채널 모니터링부에 의한 모니터링 결과를 통해 현재 채널의 혼잡 상황 여부를 판단하는 혼잡 상황 판단부와, 위성으로부터 입력되는 신호를 이용하여 현재 위치 정보를 발생시키는 GPS 수신부와, 상기 GPS 수신부로부터 출력되는 현재 위치에 따라 시간 프레임 내에 정해진 전송 구간 정보를 포함하는 채널 구성 정보를 생성하는 채널 구성 관리부와, 상기 혼잡 상황 판단부로부터 현재 채널이 혼잡 상황이라고 판단될 경우, 채널 구성 관리부로부터 입력되는 채널 구성 정보에 전송 구간에 상위로부터 수신된 메시지를 전송하도록 제어하는 채널 접근 제어부를 포함한다.

Description

차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치 및 방법{Apparatus and Method for Controlling Congestion in Communication between Vehicles}
본 발명은 차량 통신 기술에 관한 것으로, 특히 차량 통신에서 발생되는 혼잡을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 교통 사고를 줄이고 효율적인 도로 운영을 위한 방법으로 차량간 통신(V2V) 및 차량-기지국간 통신(V2I)이 주목을 받고 있으며, IEEE를 중심으로 WAVE라는 차량간 통신 표준이 제정되었다.
WAVE 표준에서는 기존 무선랜(Wireless LAN)의 표준인 IEEE 802.11 CSMA/CA 방식을 MAC 프로토콜로 정의하고 있다. CSMA/CA 방식을 이용한 차량간 통신은 각 차량들이 전송하기 위해 서로 경쟁(contention)하고, 경쟁에서 이긴 차량이 무선 채널을 획득하여 전송을 시작하는 방식이다. 경쟁에서 이기지 못한 차량은 자신의 경쟁 윈도우(contention window)를 증가시키고 다시 경쟁에 참여하게 된다.
한편, CSMA/CA 방식의 특성상 프레임을 전송하는 단말의 수가 증가함에 따라 네트워크 전송률(throughput)은 증가하게 되는데, 전송률이 일정 수준 이상이 되면 감소하게 된다. 이는 두 대 이상의 차량의 단말들에서 동시에 전송할 경우 전송 충돌(collision)이 발생되는데, 프레임을 전송하는 단말이 증가하게 될수록 충돌도 많아지기 때문이다. 따라서 프레임을 전송하는 차량의 수가 증가하게 되면 전송된 메시지의 충돌 횟수가 증가하게 되어 전송된 메시지의 전달이 제대로 이루어지지 않게 된다.
WAVE MAC 프로토콜에서 프레임 전송은 유니캐스트 또는 브로드캐스트로 전송된다. 유니캐스트 방식은 전송되는 메시지의 목적지가 정해져 있고 전송 실패시 재전송할 수 있는 절차를 제공한다. 그러나 브로트캐스트 방식에서는 전송 실패를 알 수 있는 절차가 없어 전송 실패한 프레임의 재전송을 할 수 없게 된다.
차량간 통신을 이용하여 자기 차량의 정보(속도, 위치 등)를 주기적으로 전송하고 인근 차량들은 이 정보를 이용하여 충돌 방지 서비스에 활용할 수 있다. 이러한 서비스를 위해 미국에서는 Basic Service Message(BSM) 형식을 정의하고 있고 유럽에서는 Cooperative Awareness Message(CAM)을 정의하고 있다. 이런 메시지는 주기적으로 발생되며 브로드캐스트된다. 따라서 위에서 언급한 것처럼 차량의 수가 증가하게 되면 CSMA/CA의 특성상 전송된 메시지의 충돌 횟수가 증가하게 되어 전송된 메시지의 전달이 제대로 이루어지지 않게 된다. 또한, CSMA/CA 방식의 문제점으로 hidden node problem을 들 수 있는데, 이러한 Hidden node로 인한 충돌 문제도 고려되어야 한다.
따라서, 충돌 방지 서비스와 같이 안전과 관련된 서비스를 지원하기 위해서는 차량의 증가에 따른 전송 실패를 피하기 위한 혼잡 제어가 필요하게 된다.
본 발명은 차량 통신에 있어 차량의 증가에 따른 네트워크 전송률 저하를 극복하는 혼잡 제어 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명은 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치로, 안테나로부터 입력되는 신호로부터 현재 채널 사용 여부를 판단하는 채널 모니터링부와, 상기 채널 모니터링부에 의한 모니터링 결과를 통해 현재 채널의 혼잡 상황 여부를 판단하는 혼잡 상황 판단부와, 위성으로부터 입력되는 신호를 이용하여 현재 위치 정보를 발생시키는 GPS 수신부와, 상기 GPS 수신부로부터 출력되는 현재 위치에 따라 전송 가능 전송 구간 정보를 포함하는 채널 구성 정보를 생성하는 채널 구성 관리부와, 상기 혼잡 상황 판단부로부터 현재 채널이 혼잡 상황이라고 판단될 경우, 채널 구성 관리부로부터 입력되는 채널 구성 정보에 전송 가능 시간에 상위로부터 수신된 메시지를 전송하도록 제어하는 채널 접근 제어부를 포함한다.
본 발명은 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법으로, 전송할 메시지가 존재함에 따라 통신 채널이 혼잡 상황인지를 판단하는 단계와, 상기 판단 결과 혼잡 상황일 경우, 현재 위치에 따라 전송 가능 전송 구간에 메시지를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 혼잡 상태시 기존 방식에 비해 채널 접근을 분산할 수 있게 된다. 따라서, contention의 가능성을 줄이게 되고 이에 따른 전송 실패를 줄이게 되어 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 전송 출력과 전송 구간을 조절하여 hidden node problem도 해결할 수 있게 된다.
도 1은 단말수 변화에 따른 전송량(throughput)의 변화를 도시한 도면이다.
도 2는 Hidden node problem을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 채널 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따라 채널이 할당되는 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 히든 노드 문제 해결을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 단말수 변화에 따른 전송량(throughput)의 변화를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, WAVE MAC 프로토콜의 경우 프레임을 전송하는 단말의 수가 증가함에 따라 전송률(throughput)이 증가하다, 일정 수준 이상이 되면 전송률(throughput)이 저하된다.
이는 단말의 수가 증가함에 따라 무선 접속을 시도하는 단말들간의 프레임 충돌로 인한 전송 실패가 발생하기 때문이다.
도 2는 Hidden node problem을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 차량 A, B 및 C가 있다. 차량 A의 통신 반경은 실선, 차량 B의 통신 반경은 점선과 같다고 했을 때, 차량 A가 메시지를 전송하면 차량 B는 이를 수신할 수 있지만 차량 C는 차량 A가 메시지를 전송했는지를 알 수가 없다. 따라서, 차량 C는 무선 채널이 사용되지 않는 것으로 판단하여 메시지를 전송할 수 있다. 이 경우 차량 A와 C가 동시에 메시지를 전송하게 되면 두 메시지는 충돌하게 되고 결국 차량 B는 제대로 된 메시지를 수신하지 못하게 된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 충돌로 인해 차량간 통신에 있어 전송량이 저하되는 문제점을 극복하기 위해, 무선 채널을 일정 시간 단위(time frame)으로 구분하고, 각 시간 단위에 대해 각 차량의 단말들은 자신이 위치에 따라, 전송 구간을 달리함으로써, 무선 채널에 인가되는 프레임의 수를 조절하는 혼잡 제어 기능을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 채널 구성도이다.
도 3을 참조하면, 채널은 일정 간격으로 반복되는 시간 프레임(time frame)으로 구성된다. 하나의 시간 프레임(time frame)은 복수개의 전송구간으로 구분된다. 기본적으로 단일 전송 구간 내에서는 CSMA/CA 방식으로 채널 접근 제어를 한다. 전술한 CSMA/CA 방식의 단점을 극복하기 위하여 단일 전송구간은 일정 간격을 가지는 시간 슬롯(time slot)으로 구성될 수 있다. 단일 전송 구간이 타임 슬롯(time slot)으로 구성되는 경우, 각 타임 슬롯(time slot)은 TDMA 방식으로 운영된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치는 채널 모니터링부(410), 혼잡 상황 판단부(420), 채널 접근 제어부(430), GPS 수신부(440) 및 채널 구성 관리부(450)를 포함한다.
채널 모니터링부(410)는 WAVE 안테나로부터 수신되는 신호를 판단하여 현재 채널이 사용중인지 아닌지를 판단하고, 이 결과를 혼잡상황 판단부(420)에 전달한다.
혼잡상황 판단부(420)는 채널 모니터링부(410)에서 전달되는 정보를 바탕으로 현재 채널이 혼잡 상황인지를 판단한다. 예컨대, 단위 시간당 채널이 점유된 시간을 계산하여 소정 임계치 이상인 경우, 채널 혼잡 상황으로 판단할 수 있다. 이러한 채널 혼잡 상황을 판단하는 구체적인 알고리즘은 본 발명의 요지에 해당하지 않으므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 혼잡상황 판단부(420)는 주기적으로 혼잡 상황 여부를 판단하여 이를 채널 접근 제어부(430)로 알려줄 수 있다.
GPS 수신부(430)는 위성으로부터 입력되는 GPS 신호를 이용하여 현재 위치 정보와 PPS(Pulse Per Second) 신호를 발생시키고, 이를 채널 구성 관리부(440)로 전달한다. PPS 신호는 매 1초마다 발생하게 되므로, 이 신호를 이용하여 채널 구성 관리부(440)는 도 3에 도시된 바와 같은 채널을 구성한다. 각 노드가 메시지를 전송할 수 있는 전송구간과 전송할 수 없는 전송 구간을 구분하고, 이 정보를 채널 접근 제어부(450)로 전달한다.
시간 프레임(Time frame)의 길이 및 메시지 전송 가능 전송 구간 선정 등은 미리 세팅된 값을 이용하여 설정한다.
채널 접근 제어부(450)는 혼잡상황 판단부(420)와 채널 구성 관리부(440)로부터 입력되는 정보를 바탕으로 채널 접근을 제어한다. 즉, 혼잡 상황 판단부(420)로부터 혼잡 상황임이 보고되면, 채널 접근 제어부(450)는 채널 구성 관리부(440)에 의해 전송되는 채널 구성 정보에 따라 현재 위치에 설정된 전송 구간에 채널 접근을 시도하여, 상위로부터 전달되는 메시지를 전송한다. 그러나, 혼잡 상황 판단부(420)로부터 혼잡 상황이 아닌 것으로 보고될 경우, 채널 접근 제어부(450)는 채널 구성 정보와 상관없이 채널 접근을 시도하여, 상위로부터 전달되는 메시지를 전송한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치(이하 '혼잡 제어 장치'로 칭함)는 510 단계에서 전송할 메시지가 존재하는지를 인식함에 따라, 520 단계에서 채널 혼잡 상황인지를 판단한다. 일 실시 예에 따라, WAVE 안테나로부터 수신되는 신호를 판단하여 현재 채널이 사용중인지 아닌지를 판단하고, 단위 시간당 채널이 점유된 시간을 계산하여 소정 임계치 이상인 경우, 채널 혼잡 상황으로 판단할 수 있다.
520 단계의 판단 결과 혼잡 상황이 아니라고 판단될 경우, 혼잡 제어 장치는 530 단계에서 채널에 접근하여 메시지를 전송한다. 이때 채널 접근은 CSMA/CA 방식을 사용한다.
그런데, 520 단계의 판단 결과 혼잡 상황이라고 판단될 경우, 혼잡 제어 장치는 540 단계에서 현재 위치에서 시간 프레임(time frame)내에서 정해진 해당 전송 구간인지를 확인한다. 일 실시 예에 따라, 위성으로부터 입력되는 GPS 신호를 이용하여 현재 위치 정보를 획득하고, 현재 위치에서 전송할 수 있는 전송 구간인지를 판단한다. 여기서, 시간 프레임(Time frame)의 길이 및 메시지 전송 가능 구간 선정 등은 미리 세팅된 값을 이용하여 설정한다.
540 단계의 판단 결과 현재 위치에서 전송 가능한 전송 구간이 아닐 경우, 혼잡 제어 장치는 550 단계에서 메시지 전송을 대기한다.
그러나, 540 단계의 판단 결과 현재 위치에서 전송 가능한 전송 구간일 경우, 즉 현재 위치에 할당된 전송 구간일 경우, 혼잡 제어 장치는 560 단계에서 채널 접근하여 메시지를 전송한다.
도 6은 본 발명에 따라 채널이 할당되는 일 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도로 위에 차량들이 존재하고, 하나의 시간 프레임(time frame)을 세 개의 전송 구간으로 나누어 운영한다고 가정한다. 즉, 하나의 시간 프레임(time frame)이 1번, 2번 및 3번 전송 구간으로 나뉘고, 차량의 위치에 따라 3개의 전송 구간 중 하나의 전송 구간에만 전송을 하게 된다. 지역 n, n+3, n+6에 있는 차량들은 1번 전송 구간을 이용하고, 지역 n+1, n+4에 있는 차량들은 2번 전송 구간을 이용하며, n+2, n+5에 있는 차량들은 3번 전송 구간을 이용하여 메시지를 전달할 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 일 실시 예일 뿐, 다양한 방법으로 채널 구성이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명에 따라 히든 노드 문제 해결을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 차량 A와 B는 동일한 전송 구간을 사용하여 메시지를 전송하고 통신 반경도 서로 겹치지 않도록 전송 출력을 제어한다. 따라서, hidden node가 발생하지 않게 되어 hidden node problem으로 인한 메시지의 손실을 극복할 수 있다.

Claims (12)

  1. 안테나로부터 입력되는 신호로부터 현재 채널 사용 여부를 판단하는 채널 모니터링부와,
    상기 채널 모니터링부에 의한 채널 사용 여부에 따라 현재 채널의 혼잡 상황 여부를 판단하는 혼잡 상황 판단부와,
    위성으로부터 수신되는 신호를 이용하여 현재 위치 정보를 발생시키는 GPS 수신부와,
    상기 GPS 수신부로부터 출력되는 현재 위치 정보에 따라 시간 프레임 내에 정해진 전송 구간 정보를 포함하는 채널 구성 정보를 생성하는 채널 구성 관리부와,
    상기 혼잡 상황 판단부로부터 현재 채널이 혼잡 상황이라고 판단될 경우, 채널 구성 관리부로부터 입력되는 채널 구성 정보를 참조하여 전송 구간 에 상위로부터 수신된 메시지를 전송하도록 제어하는 채널 접근 제어부를 포함함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼잡 상황 판단부는
    단위 시간당 채널이 점유된 시간이 소정 임계치 이상일 경우, 채널 혼잡 상황으로 판단함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 혼잡 상황 판단부는
    주기적으로 채널 혼잡 상황 여부를 판단하여 상기 채널 접근 제어부로 전송함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 채널 접근 제어부는
    상기 혼잡 상황 판단부에 의해 현재 채널이 혼잡 상황이 아니라고 판단될 경우, 상기 채널 구성 관리부로부터 전달되는 정보에 상관없이 상위로부터 수신된 메시지를 전송하도록 제어함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 채널 모니터링부는
    WAVE 표준 방식에 의한 신호를 수신함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 채널 구성 관리부는
    인접한 지역의 차량과 상이한 전송 구간에 채널 전송이 가능하도록 채널 구성 정보를 생성함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 장치.
  7. 전송할 메시지가 존재함에 따라 통신 채널이 혼잡 상황인지를 판단하는 단계와,
    상기 판단 결과 혼잡 상황일 경우, 현재 위치에 따라 시간 프레임 내에 정해진 전송 구간에 메시지를 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 판단하는 단계는
    안테나로부터 입력되는 신호로부터 현재 채널 사용 여부를 판단하는 단계와,
    상기 현재 채널 사용 여부에 따라 현재 채널의 혼잡 상황 여부를 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 혼잡 상황 여부를 판단하는 단계는
    단위 시간당 채널이 점유된 시간이 소정 임계치 이상일 경우, 채널 혼잡 상황으로 판단함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 혼잡 상황 여부를 판단하는 단계는
    주기적으로 반복됨을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 판단 결과 혼잡 상황이 아니라고 판단될 경우, 상위로부터 수신된 메시지를 전송하도록 제어함을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 채널 구성은
    인접한 지역의 차량과 상이한 전송 구간에 채널 전송이 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 차량 통신을 위한 혼잡 제어 방법.
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