KR20140074616A - 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 시스템 - Google Patents

차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법, 장치 및 시스템을 개시하고 있다. 본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 방법은 상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하는 정보 수신 단계, 상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정 단계, 상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 데이터를 전송하기 위해 채널 및 채널에서의 점유 시간을 예약하는 채널 예약 단계 및 상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 중계 단말 또는 수신 단말로 전송하는 전송 단계를 포함한다. 따라서, 전송률이 낮은 단말들의 채널 점유 시간 증가로 발생하는 전체 시스템 성능 저하를 완화시킬 수 있다.

Description

차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 시스템{DATA TRANSMISSION APPARATUS, METHOD AND SYSTEM IN VEHICULAR ADHOC NETWORKS}
본 발명은 협력 통신 프로토콜에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 애드혹 네트워크(VANET: Vehicular Ad-Hoc Network) 환경에서 낮은 전송률을 가진 단말의 채널 점유 시간 증가로 인해 발생하는 전체 시스템의 성능 저하 문제를 해결하기 위한 협력 통신 프로토콜에 관한 것이다.
차량 애드혹 네트워크 (Vehicular Ad-Hoc Network)는 차량과 차량 또는 차량과 기지국간의 통신을 목적으로 하는 통신 네트워크이다. 이러한 통신 환경은 교통안전, 엔터테인먼트 등의 서비스를 제공하여 차량 운전자에게 효율성 증진 및 편의를 향상시키는 ITS(Intelligent Transportation System)를 제공한다. 차량 애드혹 네트워크의 표준은 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)이며, 표준의 구성 중 IEEE 802.11p는 PHY/MAC 계층을 정의하고, IEEE 1609.4는 멀티채널 동작을 정의한다. IEEE 1609.4에 따르면, 차량 네트워크 환경에서 통신은 100ms의 Sync Interval을 기준으로 50ms씩 제어 채널 구간과 서비스 채널 구간으로 구성된다. 제어 채널 구간은 제어 채널에서 안전메시지와 제어 메시지를 교환하는 구간이며, 서비스 채널 구간은 데이터 교환을 원하는 차량들이 서비스 채널로 전환하여 데이터 교환을 수행하는 구간이다. 각 구간에서의 채널 접근 방식은 IEEE 802.11 기반의 랜덤 백오프 경쟁방식으로 이루어진다. WAVE에서의 채널은 총 7개이며, 1개의 제어 채널과 6개의 서비스 채널로 구성된다.
차량 애드혹 네트워크는 이동성이 많은 차량들이 단말로써 동작하기 때문에 네트워크 환경이 급격하게 변화하며, 잦은 링크 단절, 높은 패킷 손실률 등의 문제가 유발될 수 있다. 또한 채널접근 방식이 기존의 IEEE 802.11 기반의 랜덤 백오프 경쟁 방식으로 이루어지기 때문에 낮은 전송률을 가지는 단말의 채널 점유시간이 증가하게 된다. 낮은 전송률을 가지는 단말의 채널 점유시간 증가는 상대적으로 전송률이 높은 단말들의 채널 사용률이 감소하게 되어 단말간의 공평성(fairness)을 저해하고, 전체 시스템의 성능이 저하되는 성능이상 현상이 나타날 수 있다.
현재까지의 차량 애드혹 네트워크 환경의 표준은 협력 통신 방법을 정의하고 있지 않으며, 기존의 IEEE 802.11 무선랜 환경에서 고안된 협력통신 방법은 차량 애드혹 네트워크 환경의 멀티 채널을 고려하지 못하여 WAVE 표준에 직접 적용하기 어려운 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 협력 통신 방법을 차량 애드혹 네트워크 환경에 적용하여 각 단말의 전송률의 차이로 인한 성능 이상 문제를 해결하고 동시에 멀티 채널 환경에서 중계 단말의 존재를 파악하여 데이터를 전송하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 방법은 상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하는 위치 정보 수신 단계; 상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정 단계; 상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 데이터를 전송하기 위해 채널 및 채널에서의 점유 시간을 예약하는 채널 예약 단계; 및 상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 중계 단말 또는 수신 단말로 전송하는 전송 단계를 포함할 수 있다.
채널은 제어 정보 교환과 관련된 제어 채널 구간(CCH)과 데이터 교환과 관련된 서비스 채널 구간(SCH)을 포함하고, 상기 제어 채널 구간(CCH)을 테이블 갱신 구간과 채널 예약 구간으로 분할하여 사용할 수 있다.
상기 위치 정보 수신 단계는 상기 적어도 하나의 주변 차량 단말이 매 제어 채널 구간마다 주기적으로 전송하는 안전 메시지로부터 각 단말의 MAC 주소, 위치 정보 및 신호 세기를 수신하는 단계; 및 상기 수신된 정보를 기반으로 주변 차량 단말들의 정보를 기록하는 차량 노드 테이블을 작성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 협력 통신 수행 여부 결정 단계는 상기 차량 노드 테이블에 기록된 주변 차량 단말들의 협력 통신 전송 시간을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 협력 통신 전송 시간과 직접 통신 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 협력 통신 수행 여부 결정 단계는 상기 차량 노드 테이블에 기록된 적어도 하나의 주변 차량 단말들에 대해 협력 통신 전송 시간 계산을 수행하여 가장 짧은 협력 통신 전송 시간을 갖는 단말을 최종 중계 단말로 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 채널 예약 단계는 채널 예약 구간에서 수신 단말을 선택하여 랜덤 백오프 경쟁 기반으로 수신 단말에게 전송할 것을 알리는 전송 준비 프레임(cR: Cooperative Ready to send)을 전송하는 단계; 및 상기 수신 단말로부터 전송이 가능함을 알리는 전송 가능 확인 프레임(cC: Cooperative Clear to send)을 수신하는 단계를 포함하되, 협력 통신을 수행하도록 결정된 경우, 상기 전송 준비 프레임에 중계 단말의 MAC 주소 및 데이터를 전송할 서비스 채널 정보 및 예약 시간 정보를 포함시켜 전송할 수 있다.
상기 채널 예약 단계에서, 상기 주변 차량 단말들이 각각의 단말들의 채널 예약 과정을 오버 히어링(overhearing)하여 각 채널에서 데이터를 전송하는 단말들의 MAC 주소 정보, 전송 방식 및 순서 관련 정보를 획득할 수 있다.
상기 전송 단계는 협력 통신을 수행하도록 결정된 경우, 협력 통신을 위해 선택된 중계 단말이 협력 통신이 가능한지 알아보기 위한 중계 선택 프레임(RS: Relay Selection)을 전송하는 단계; 상기 선택된 중계 단말로부터 중계 가능 확인 프레임(RA: Realy Available)을 수신하는 단계; 및 상기 선택된 중계 단말로 데이터를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 중계 선택 프레임은 상기 선택된 중계 단말의 MAC 주소 정보, 서비스 채널 정보, 송신/중계 단말 간 데이터 전송률, 중계/수신 단말 간 데이터 전송률 정보를 포함할 수 있다.
상기 전송 단계는 일정 시간 동안 상기 중계 가능 프레임을 수신하지 않는 경우, 협력 통신이 불가능하다고 판단하고, 직접 통신 방식으로 데이터를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
협력 통신을 통해 데이터를 전송하는 경우, 상기 예약된 점유 시간 내에서 다수 개의 데이터 패킷을 협력 통신을 통해 전송할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 장치는 상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하는 정보 수신부; 상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정부; 및 상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 중계 단말 또는 수신 단말로 전송하는 전송부를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 시스템은 상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하고, 상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정하여 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 송신 단말; 상기 송신 단말로부터 협력 통신 가능 여부를 알기 위한 프레임 교환을 수행하여 데이터를 중계하는 중계 단말; 및 상기 송신 단말 또는 상기 중계 단말로부터 데이터를 수신하는 수신 단말을 포함할 수 있다.
상기 중계 단말은 상기 송신 단말로부터 협력 통신이 가능한지 알아보기 위한 중계 선택 프레임(RS: Relay Selection)을 수신하고, 상기 수신된 중계 선택 프레임에 대응하여 협력 통신이 가능하다고 판단되는 때, 중계 가능 확인 프레임(RA: Realy Available)을 상기 송신 단말로 전송할 수 있다.
상기 중계 선택 프레임은 상기 중계 단말의 MAC 주소, 서비스 채널 정보, 송신/중계 단말 간 데이터 전송률, 중계/수신 단말간 데이터 전송률 정보를 포함할 수 있다.
상기 중계 확인 프레임은 상기 중계 단말의 MAC 주소 정보를 포함할 수 있다.
상기 수신 단말은 상기 송신 단말로부터 전송할 것을 알리는 전송 준비 프레임(cR: Cooperative Ready to send)을 수신하고, 상기 수신된 전송 준비 프레임에 포함된 정보를 기반으로 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송해도 좋다는 전송 가능 확인 프레임(cC: Cooperative Clear to send)을 전송할 수 있다.
상기 전송 가능 확인 프레임은 협력 통신을 수행하는 경우, 중계 단말의 MAC 주소 및 서비스 구간에서 데이터를 전송할 채널 정보를 포함하고, 직접 통신을 수행하는 경우, 서비스 구간에서 데이터를 전송할 채널 정보만을 포함할 수 있다.
상기 수신 단말은 데이터를 정상적으로 수신받은 경우, 데이터를 수신받았음을 알리는 애크(ACK: Acknowledgement) 프레임을 전송하고, 상기 애크(ACK) 프레임을 통해 상기 네트워크에 속한 주변 단말은 데이터 전송 과정이 완료된 것으로 판단하고, 일정 시간 후 다음 예약 순서에 해당하는 단말 간 데이터 전송을 수행할 수 있다.
상기 주변 단말은 상기 애크(ACK) 프레임을 기반으로 2 개의 SIFS(Short IFS) 시간 후 다음 예약 순서에 해당하는 단말 간 데이터 전송을 수행할 수 있다.
본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법, 장치 및 시스템에 따르면, 전송률이 낮은 단말들의 채널 점유 시간 증가로 발생하는 전체 시스템 성능 저하를 완화시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법, 장치 및 시스템에 따르면, 표준에서 정의된 안전 메시지를 통해 주변 단말의 정보를 획득하기 때문에 중계 단말을 선정하기 위한 정보 수집 시의 오버헤드(Overhead)가 감소하며, 더욱이 멀티 채널 환경에서 채널을 선택하여 각 채널의 점유 시간을 선택하고, 전환된 채널에서 중계 단말의 존재 여부를 확인할 수 있으므로 멀티 채널 환경에 죄적화된 협력 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다.
마지막으로, 본 발명의 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법, 장치 및 시스템에 따르면, 협력 통신과 직접 통신의 데이터 전송 시간을 비교하여 더 전송할 패킷이 있을 경우 예약 시간 내에서 추가적으로 데이터를 전송할 수 있도록 함으로써 협력통신의 장점을 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 차량 애드혹 네트워크를 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법을 통해 각 단말들이 안전 메시지를 통해 중계 단말을 선정하고 이를 기반으로 직접 통신 또는 협력 통신을 통해 데이터를 전송하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 따른 단말이 수신한 안전 메시지 정보를 기반으로 주변 단말들의 정보를 기록하는 차량 노드 테이블을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법 협력 통신 수행 여부 결정 단계를 구체적으로 나타낸 상세흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 협력 통신을 위해 수신 단말과 주고 받는 컨트롤 프레임을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 협력 통신을 위해 중계 단말과 주고 받는 컨트롤 프레임을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 따라 송신 단말, 중계 단말 및 수신 단말이 주고 받는 신호를 순차적으로 설명하기 위한 흐름도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법과 종래 방식의 처리율을 비교한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 차량 애드혹 네트워크(100)를 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크(100)는 송신 단말(10), 중계 단말(20) 및 수신 단말(30)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차랑 애드 혹 네트워크(100) 시스템은 협력 통신을 통해 데이터를 전송할 수 있다. 협력 통신은 송신 단말(10)과 수신 단말(30) 간의 직접적인 데이터 전송보다 더 빠르게 데이터를 전송할 수 있도록 중계 단말(20)을 이용하여 송신 단말(10)이 중계 단말(20)로 데이터를 전송하면, 중계 단말(20)은 수신 단말(30)로 데이터를 전달한다. 즉, 송신 단말(10)로부터 직접 수신 단말(30)로 데이터를 전송하는 방식을 직접 통신 방식이라고 하고, 송신 단말(10)이 중계 단말(20)로, 중계 단말(20)이 데이터를 수신받아 수신 단말(30)로 전송하는 방식을 협력 통신 방식이라고 할 수 있다.
본 발명의 명세서에 걸쳐, 협력 통신과 관련된 용어로, 송신 단말(10)은 송신자, 소스 노드와 동일하게 사용될 수 있고, 중계 단말(20)은 중계자, 릴레이, 릴레이 노드로, 수신 단말(30)은 수신자 또는 목적지 노드와 같은 말과 혼용될 수 있다.
또한 단말은 차량과 연관된 통신 장치로서 모든 차량 탑재 장치를 포함할 수 있고, 예컨대, 네비게이션 장치, 스마트 폰, 휴대 전화 단말, 휴대 정보 단말(PDA) 및 휴대용 PC 등을 포함할 수 있다. 다만, 반드시 상기한 장치에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신 단말(10)은 데이터를 전송할 시 상기 네트워크(100)(예컨대, 차량 애드혹 네트워크)에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 수신 단말(30)로 전송할 수 있다. 해당 데이터 전송 과정은 IEEE 1609.4 표준에서 정의된 서비스 채널 구간에서 이루어지게 된다. 본 발명에서는 무조건적으로 하나의 통신 방식만을 사용하여 데이터를 전송하는 것이 아니라, 경우에 따라 전송 효율을 고려하여 협력 통신과 직접 통신 중 적어도 어느 하나의 방식을 수행하여 데이터를 수신 단말(30)로 전송할 수 있다. 여기서, 전송 효율은 동일한 데이터를 전송하는데 걸리는 전송 시간을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신 단말(10)은 상기 네트워크(100) 내에 존재하는 다른 차량 단말들의 MAC 주소, 위치 정보 신호세기를 수신하여 주변 단말의 정보를 획득한다. 획득한 주변 단말 중 수신 단말(30)로의 데이터 전송에 적합한 중계 단말(20)을 선정할 수 있고, 직접 통신 시간과의 비교를 통해 효율적인 전송 방식을 채택하여 데이터를 수신 단말(30)로 전송할 수 있다. 이러한 방식은 종래 IEEE 802.11p 표준에서의 직접 통신만을 사용하여 전송하던 경우의 처리율에 비해 높은 처리율을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법은 주변 단말 정보 수신 단계(S210), 협력 통신 수행 여부 결정 단계(S220), 채널 예약 단계(S230) 및 데이터 전송 단계(S240)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 위치 정보 수신 단계(S210)에서, 데이터 전송 장치(미도시)(도 1의 송신 단말(10)일 수 있음)는 주변 차량 단말로부터 MAC 주소, 위치 정보 및 신호 세기를 수신한다. 이때, 테이블 갱신 구간에서 각 차량들이 IEEE 1609.4 표준에 따라 전송하는 안전 메시지를 활용하여 주변 차량 단말들의 위치 정보를 수집할 수 있다. 즉, 각 단말들이 매 제어 채널 구간마다 주기적으로 전송하는 안전메시지를 수신하여 MAC 주소, 위치 정보 및 신호 세기 정보를 수집할 수 있다. 각 단말이 전송하는 안전 메시지에는 차량의 위치 정보와 전송 단말의 MAC 주소를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 데이터 전송 장치는 주변 차량 단말들의 위치 정보를 수집하여 차량 노드 테이블을 작성할 수 있고, 상기 테이블에는 각 단말의 MAC 주소와 해당 단말이 전송한 안전 메시지의 신호 세기와 위치 정보가 저장된다.
그리고는, 협력 통신 수행 여부 결정 단계(S220)에서, 데이터 전송 장치는 작성된 차량 노드 테이블을 기반으로 중계 단말(20)을 선택한다. 중계 단말(20)의 선택은 위치 정보와 신호 세기 정보를 기반으로 수신 단말(30)로의 데이터 전송 효율을 고려하여 이루어질 수 있다. 데이터 전송 장치는 차량 노드 테이블에 기록된 모든 단말을 통한 협력 통신 전송 시간을 계산하고, 가장 짧은 협력 통신 전송 시간을 갖는 중계 단말을 최종 중계 단말로 선정한다. 이때, 가장 짧은 협력 통신 전송 시간을 갖는 중계 단말(20)이 다수개일 경우 임의로 하나의 단말을 선택하게 된다. 그리고는, 최종 중계 단말을 통한 협력 통신 전송 시간과 송신/수신 단말 간의 직접 통신 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정할 수 있다.
그리고, 채널 점유 시간 예약 단계(S230)에서, 송신 단말(10)은 서비스 채널 구간에서 데이터 전송을 위한 채널 예약 과정을 진행한다. 이는 IEEE 802.11p 랜덤 백오프(random backoff) 경쟁 기반으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 단계(S230)는 데이터 전송을 위해 단말들이 채널 사용 권한을 획득하는 과정으로 송신 및 수신 단말(10,30)이 전송 준비 프레임(cR: Cooperative Ready to send) 및 전송 가능 확인 프레임(cC: Cooperative Clear to send)을 교환하여 진행될 수 있다. 협력 통신의 경우, 상기 전송 준비 프레임(cR), 전송 가능 확인(cC) 프레임에 상기에 선택된 중계 단말(20)의 정보, 데이터를 전송할 서비스 채널 정보 및 데이터 전송 시간 정보를 포함시켜 전송할 수 있다. 직접 통신의 경우에는, 전송 준비 프레임(cR), 전송 가능 확인(cC) 프레임에 서비스 채널 정보를 포함시켜 전송할 수 있다. 채널 예약 과정을 통해 단말들은 직접 통신 전송 시간 만큼의 사용권한을 획득한다.
마지막으로, 채널 예약 구간이 종료되면, 데이터 전송 단계(S240)에서, 데이터 전송 장치는 예약 단계(S230)에서 결정된 서비스 채널로 전환한다. 그리고는, 데이터 전송 장치는 각 채널에서 예약된 순서로 데이터 전송이 이루어진다. 각 단말들은 예약 수행시에 컨트롤 프레임 교환에서 채널 정보와 오버히어링(Overhearing)을 통해 다른 단말들의 예약 정보를 획득함으로써 자신이 어떤 채널에서 몇 번째로 데이터 전송을 수행할지 알 수 있게 된다. 즉, 특정 채널에서 세 번째로 예약 한 경우 첫 번째와 두 번째 예약과정에서 전송 준비(cR), 전송 가능 확인(cC) 프레임에 포함된 듀레이션 시간만큼의 시간이 지난 후 혹은 각각의 데이터 전송 과정에서 수신 단말(30)의 애크(ACK)가 모두 전송 된 이후에 데이터 전송을 시작하여 예약한 점유시간 만큼을 사용하게 된다. 데이터 전송 장치는 전송 방식이 협력통신일 경우 데이터를 전송하기에 앞서, 멀티채널 환경인 차량 애드혹 네트워크에서 중계 단말(20)이 같은 서비스 채널로 전환하여 중계가 가능한지 알기 위해, 중계 선택 프레임(RS: Relay Selection) 컨트롤 프레임을 상기 협력 통신 수행 여부 결정 단계(S220)에서 선정된 최종 중계 단말에게 전송한다. 중계 단말(20)은 송신 단말(10)과 같은 서비스 채널로 전환하여 중계가 가능한 상황이면 중계 가능 확인 프레임(RA: Relay Available)으로 응답하고, 이때, 데이터 전송 장치는 중계 단말(20)로 데이터를 전송하여 협력 통신이 이루어진다. 반면, 중계 단말(20)이 다른 채널로 전환하여 데이터를 전송할 수 없거나 수신한 중계 선택 프레임(RS)에 기록된 송신/중계 단말 간 전송률, 중계/수신 단말 간 전송률을 지원할 수 없는 경우, 중계 가능 확인 프레임(RA)을 전송하지 않고, 일정 시간 동안 중계 가능 프레임(RA)을 수신하지 못한 경우, 중계 단말(20)의 동작 불가로 판단하고 직접 통신을 통해 데이터를 전송한다. 또한, 협력 통신 수행 여부 결정 단계(S220)에서 직접 통신을 수행하도록 결정된 경우에는 중계 선택(RS), 중계 가능 확인(RA) 프레임의 교환 없이 직접 통신을 통해 데이터를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 협력 통신을 통해 서비스 채널에서 데이터를 전송하는 경우, 채널 예약을 통해 사용권한을 획득한 직접 통신 전송 시간과 비교하여 다수 개의 데이터 패킷을 한꺼번에 전송할 수 있다. 즉, 다수 개의 데이터를 협력 통신을 통해 전송할 때 걸리는 시간을 계산하여 이를 채널예약을 통해 점유된 직접 통신 시간과 비교하고, 직접 전송 시간 내에서 전송할 수 있는 최대의 데이터 패킷을 한꺼번에 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법을 통해 각 단말들이 안전 메시지를 통해 중계 단말(20)을 선정하고 이를 기반으로 직접 통신 또는 협력 통신을 통해 데이터를 전송하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법을 통한 협력 통신 MAC 프로토콜의 전체적인 동작을 확인할 수 있다. 협력 통신 MAC 프로토콜은 IEEE 1609.4에서 정의된 바와 같이 제어 채널(CCH: Control Channel) 구간과 서비스 채널(SCH: Service Channel) 구간을 포함하고, 표준과 다르게 제어 채널(CCH) 구간을 테이블 갱신 구간과 채널 예약 구간으로 나누어 활용할 수 있다. 테이블 갱신 구간의 시작에는 GPS가 있는 차량 단말들이 경쟁 기반으로 TA(Timing Advertisement) 프레임을 전송하여 GPS가 없는 차량 단말들의 시간 동기를 맞추게 된다. 또한, 테이블 갱신 구간에서는 각 차량들이 주기적으로 전송하는 안전 메시지의 수신을 통해 주변 차량 단말들의 정보를 획득하는 구간으로 활용할 수 있다. 해당 메시지 수신을 통해 각 단말은 차량 노드 테이블(310)을 생성할 수 있다. 차량 노드 테이블(310)은 안전메시지에 포함된 단말의 MAC 주소, 전송 단말 신호 세기 및 전송 단말의 위치 정보를 포함할 수 있다. 채널 예약 구간은 작성된 차량 노드 테이블(310)을 바탕으로 중계 단말(20)을 선택하고, 서비스 채널(SCH) 구간에서 데이터 전송을 예약하기 위해 사용한다. 이때, 채널 예약은 전송 준비(cR), 전송 가능 확인(cC) 프레임의 교환을 통해 이루어진다.
도 3에서 첫 번째 전송 준비(cR) 프레임은 서비스 채널 1의 정보를 담아 전송하였고, 이를 수신한 수신 단말(30)은 전송 전송 가능 확인(cC) 프레임을 전송하여 예약을 완료한다. 예약이 완료되면, AIFS(Arbitration IFS) 후에 같은 방식으로 서비스 채널 2 및 3에 대한 예약이 진행된다. 서비스 채널(SCH) 구간에서는 예약된 채널을 통해 각 단말의 데이터 전송이 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 예약이 완료된 후, 서비스 채널(SCH) 1에서는 협력 통신 방식으로 데이터 교환이 이루어진다. 협력 전송의 경우, 중계 단말(20)이 협력 통신이 가능한 상황인지 알기 위해 송신 단말(10)이 중계 단말(20)의 주소 정보를 포함한 중계 선택 프레임(RS: Relay Selection)을 전송한다. 중
중계 단말(20)이 같은 채널로 전환한 상황이라면, 중계 가능 확인 프레임(RA: Relay Available)을 전송하여 응답한다. 중계 선택(RS), 중계 가능 확인(RA) 프레임 교환이 끝나면 송신 단말(10)은 협력 통신으로 데이터를 전송하기 위해 데이터를 중계 단말(20)로 전송하고, 중계 단말(20)은 송신 단말(10)의 데이터를 수신 단말(30)로 전달한다. 서비스 채널 1(SCH 1)에서는 상술한 협력 통신의 방법으로 송신/중계/수신 단말간의 데이터 전송이 이루어진다. 협력 통신으로 데이터 전송할 때는 협력 전송 시간과 직접 전송 시간을 비교하여 전송하는 데이터 프레임의 양을 결정한다. n개의 데이터 프레임을 협력 통신을 통해 전송하였을 때 직접 통신 전송 시간보다 짧다면, n개의 데이터 프레임을 전송할 수 있다. 수신 단말(30)은 정상적으로 데이터를 수신했을 경우, 애크(ACK: Acknowledgement)를 전송하여 데이터 교환을 완료한다. 만약, 서비스 채널 2(SCH 2)에서와 같이, 중계 단말(20)이 다른 채널로 전환하여 일정시간 동안 중계 가능 확인(RA) 프레임이 오지 않는다면 송신 단말(10)은 협력통신이 불가능한 것으로 판단하고, 직접 통신 방식으로 데이터를 전송한다. 서비스 채널 3(SCH 3)의 첫 번째 데이터 전송은 직접 통신으로 데이터를 전송하고 있다. 직접 전송인 경우 송신 단말(10)은 즉시 데이터를 수신 단말(30)에게 전송하고, 애크(ACK)를 기다리게 된다. 수신 단말(30)의 애크(ACK)가 전송되면, 2개의 SIFS(Short IFS) 후에 다음 예약에 대한 데이터 전송이 진행된다. 서비스 채널 3(SCH 3)에서는 직접 전송 다음으로 2개의 프레임을 전송하는 협력전송이 이루어지고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 따른 송신 단말(10)이 수신한 안전 메시지(400) 정보를 기반으로 주변 단말들의 정보를 기록하는 차량 노드 테이블(310)을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차랑 노드 테이블(310)은 전송 단말의 MAC 주소, 전송 단말의 신호 세기 및 전송 단말의 위치 정보를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 송신 단말(10)은 주변 차량 단말로부터 각각 안전 메시지(400)를 수신한다. 수신된 안전 메시지(400)에 포함된 전송 단말의 주소를 추출하고, 신호 세기를 계산하며, 전송 단말의 위치 정보를 추출하여 차량 노드 테이블(310)을 생성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법 협력 통신 수행 여부 결정 단계를 구체적으로 나타낸 상세흐름도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 협력 통신 수행 여부 결정 단계는 협력 통신 전송 시간 계산 단계(S510), 최종 중계 단말 선택 단계(S520), 전송 시간 비교 단계(S530), 통신 방식 결정 단계(S540,S550)를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 데이터 전송 장치(미도시)(송신 단말(10)을 의미할 수 있음)는 상기 차량 노드 테이블(310)을에 기록된 단말들에 대한 협력 통신 전송 시간을 계산한다(S510). 협력 통신 전송 시간은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, TRT는 협력 통신 전송 시간, TRS는 중계 선택(RS) 프레임 전송 시간, TRA는 중계 가능 확인(RA) 프레임 전송 시간, TS,R은 송신/중계 단말간 데이터 패킷 전송 시간, TR,D는 중계/수신 단말간 데이터 패킷 전송 시간, TACK는 애크(ACK) 프레임 전송 시간, TSIFS는 SIFS 시간을 나타낸다. 이를 통해 송신/수신 단말이 중계 노드를 통한 협력 통신으로 데이터를 전송할 때 소요되는 시간 TRT를 산출할 수 있다.
이를 구체적으로 살펴보면, 협력 통신 전송 시간을 중계 선택(RS), 중계 가능 확인(RA) 프레임 전송 시간, 송신/중계/수신 단말 간의 데이터 패킷 전송 시간, 애크(ACK) 프레임 전송 시간 및 SIFS 시간의 합으로 계산된다. 송신/중계 단말 간의 데이터 패킷 전송 시간과 중계/수신 단말 간의 데이터 패킷 전송 시간을 각각 TS,R, TR,D로 정의하며 해당 값들은 데이터 전송률(R)을 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Dpayload는 데이터 패킷의 비트 단위 크기, RS,R 및 RR,D는 송신/중계 단말 간의 데이터 패킷 전송률 및 중계/수신 단말 간의 데이터 패킷 전송률을 의미한다.
데이터 전송 장치는 상기 계산을 차량 노드 테이블에 기록된 단말들에 대해 수행하여 협력 통신 전송 시간을 각각 산출해낸다.
그리고는, 상기 다수 개의 협력 통신 전송 시간 중 가장 짧은 협력 통신 전송 시간을 갖는 단말을 최종 중계 단말로 선정한다(S520). 이때 가장 짧은 협력 통신 전송 시간을 갖는 단말이 다수개 존재할 경우 임의로 하나의 단말을 최종 중계 단말로 선택하게 된다. 즉, 가장 전송 효율이 좋은 단말을 최종 중계 단말로 선정한다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00003
여기서, TRTi는 단말 i를 통한 협력 통신 전송 시간, i는 단말, N은 차량 노드 테이블에 기록된 단말의 집합을 의미한다. 상기 수학식 3을 통해 차량 노드 테이블(310)에서 최소 전송 시간을 갖는 단말을 최종 중계 단말로 선택한다.
그리고는, 최종 중계 단말의 협력 통신 전송 시간과 직접 통신 전송 시간을 비교한다(S530). 직접 통신 전송 시간을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, TDT는 직접 통신 전송 시간, RS,D은 데이터 전송률을 나타낸다. 즉, 두 단말간의 데이터 전송 시간을 구하기 위해, 데이터 전송률(R)을 파악해야 하고, 이를 위해 단말간의 거리를 계산한다. 두 단말 간의 거리는 신호 세기와 위치 정보를 기반으로 계산되어질 수 있고, 그에 따른 R을 결정할 수 있다. 거리에 따른 데이터 전송률은 다음의 표 1을 바탕으로 구할 수 있다.
Figure pat00005
상기 표 1을 통해 구해진 전송률 RS ,D을 이용하여 데이터 패킷 전송 시간을
Figure pat00006
로 구할 수 있다. 즉, 직접 통신 시간은 데이터 패킷 전송 시간과 애크(ACK) 프레임 전송 시간 및 SIFS 시간을 더하여 계산된다.
이렇게 구해진 직접 통신 전송 시간과 최종 중계 단말의 협력 통신 전송 시간을 비교하여, 직접 통신 전송 시간이 더 빠른 경우, 직접 통신으로 데이터를 전송하도록 결정한다(S540). 반대로, 협력 통신 전송 시간이 더 빠를 경우, 데이터 전송 방식을 협력 통신으로 결정한다(S550).
데이터 전송 방식을 결정한 송신 단말(10)은 서비스 채널 구간에서 데이터를 전송하기 위해 채널 예약 구간 동안 채널 예약 과정을 수행한다. 채널 예약 과정은 전송 준비(cR), 전송 가능 확인(cC) 컨트롤 프레임을 통해 이루어진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 협력 통신을 위해 수신 단말(30)과 주고 받는 컨트롤 프레임(610,620)을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 송신 단말(10)은 채널 예약을 위해 수신 단말(30)과 전송 준비(cR) 및 전송 가능 확인(cC) 프레임(610,620)을 주고 받는다. 도 6에서 상기 컨트롤 프레임의 필드 위쪽에 표시된 숫자는 바이트 단위의 필드 크기를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 채널 예약 과정은 전송 준비(cR) 및 전송 가능 확인(cC) 프레임(610,620)을 통해 이루어진다. 송신 단말(10)은 랜덤 백오프 경쟁 기반으로 전송 준비(cR) 프레임(610)을 전송하며, 협력 통신인 경우 전송 준비(cR) 프레임(610)에 중계 단말의 정보와 서비스 채널 구간에서 사용할 채널 정보를 포함시킨다(도 6 참조). 예컨대, 협력 통신 수행시의 cR 프레임(610)은 프레임 컨트롤, 듀레이션(길이), 송신 단말 주소, 수신 단말 주소, 중계 단말 주소, 채널 ID 및 CRC 필드를 포함할 수 있다. 즉, 송신 단말 주소, 수신 단말 주소와 더불어, 중계 단말 주소가 각각 6 바이트로서 포함되어 있다. 직접 통신인 경우, 상기 전송 준비(cR) 프레임(610)에서 중계 단말 정보가 없고, 서비스 채널(SCH) 정보만이 포함될 수 있다. 전송 준비(cR) 프레임(610)을 수신한 수신 단말(30)은 전송 가능 확인(cC) 프레임(620)으로 응답한다. 마찬가지로 협력 통신 수행시의 전송 가능 확인(cC) 프레임(620)은 프레임 컨트롤, 듀레이션(길이), 송신 단말 주소, 수신 단말 주소, 중계 단말 주소, 채널 ID 및 CRC 필드를 포함할 수 있다. 전송 가능 확인(cC) 프레임(620) 역시 직접 전송인 경우, 채널 정보만을 포함할 수 있다.
다시 도 3으로 돌아가면, 첫 번째 전송 준비(cR) 프레임(610)은 서비스 채널 1의 정보를 담아 전송하였고, 이를 수신한 수신 단말(30)은 전송 가능 확인(cC) 프레임(620)을 전송하여 예약을 완료할 수 있다. 주변 단말들은 상기 예약 과정을 오버히어링(Overhearing)함으로써 각 채널에서 데이터를 전송하는 단말들의 정보와 전송 방식 및 순서를 파악할 수 있다. 해당 예약 과정을 통해 각 단말들은 선택한 서비스 채널(SCH)에서 직접 통신 시의 데이터 전송 시간만큼 채널 접근 권한을 얻게 된다.
예약 구간이 종료되면, 서비스 채널 구간이 시작되며, 각 채널에서는 예약된 순서를 바탕으로 데이터 전송이 이루어진다. 도 3에서 서비스 채널 1의 경우 가장 먼저 예약된 단말이 협력 통신으로 데이터를 교환한다. 협력 통신의 경우, 멀티채널인 차량 애드혹 네트워크 환경을 고려하여 송신 단말(10)은 중계 단말(20)이 협력 통신이 가능한 상황인지 알기 위해 중계 선택(RS) 및 중계 가능 확인(RA) 컨트롤 프레임의 교환을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 협력 통신을 위해 중계 단말(30)과 주고 받는 컨트롤 프레임을 나타낸 도면이다. 송신 단말(10)은 협력 통신을 위해 중계 단말(20)과 중계 선택(RS) 및 중계 가능 확인(RA) 프레임(710,720)을 주고 받는다. 도 7에서 상기 컨트롤 프레임(710,720)의 필드 위쪽에 표시된 숫자는 바이트 단위의 필드 크기를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 송신 단말(10)은 협력 전송을 위해 중계 단말(20)의 주소 정보를 포함한 중계 선택(RS) 프레임(710)을 중계 단말(20)로 전송한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 중계 선택(RS) 프레임(710)은 프레임 컨트롤, 듀레이션, 송신 단말 주소, 수신 단말 주소, 중계 단말 주소, 송신/중계 단말 데이터 전송률, 중계/수신 단말 데이터 전송률 및 CRC 필드를 포함할 수 있다. 상기 전송률 정보는 각각 1 바이트의 크기를 가질 수 있다. 중계 단말(20)이 같은 채널로 전환한 상황이라면, 상기 중계 선택(RS) 프레임(710)을 수신한 뒤 해당 프레임에 기록된 전송률 정보를 바탕으로 협력 통신 전송 시간을 다시 계산하여 중계가 가능한 상황인지 판단하며, 중계가 가능할 경우 중계 선택(RS) 프레임에 응답하여 중계 가능 확인(RA) 프레임(720)을 전송할 수 있다. 중계 가능 확인(RA) 프레임(720)은 프레임 컨트롤, 듀레이션, 송신 단말 주소, 수신 단말 주소, 중계 단말 주소 및 CRC 필드를 포함할 수 있다. 중계 선택(RS), 중계 가능 확인(RA) 프레임 교환이 끝나면 송신 단말(10)은 데이터를 중계 단말(20)로 전송하여 협력 통신을 수행한다. 중계 단말(20)은 데이터를 다시 수신 단말(30)에게 전송하고, 수신 단말(30)은 애크(ACK) 프레임을 전송하여 데이터를 수신 받았음을 알린다. 애크(ACK) 프레임이 전송되면, 주변 단말들은 데이터 전송 과정이 끝난 것으로 판단하고, 2개의 SIFS 시간 후, 다음 예약 순서에 해당하는 단말 간의 데이터 전송 과정을 시작한다.
다시 도 3으로 돌아가서, 서비스 채널 2에서와 같이 중계 단말(20)이 다른 채널로 전환하여 일정 시간 동안 중계 가능 확인(RA) 프레임(720)을 전송하지 않는 다면, 송신 단말(10)은 협력 통신이 불가능한 것으로 판단하고, 직접 통신 방식으로 데이터를 전송하고, 수신 단말(30)은 데이터를 수신한 뒤, 애크 (ACK) 전송하고 다시 다음 예약의 데이터 전송 과정이 진행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 협력 통신과 함께 전송 시간을 기반으로 데이터 전송량을 결정할 수 있다. 즉, 협력 통신을 통해 전송을 수행할 때, 예약된 직접 전송 시간 내에서 협력 통신을 통해 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 시간이 존재하는 것을 의미하며, 이를 활용하여 협력 통신시에 송신 단말(10)이 더 전송할 데이터가 있으면, 예약 과정을 통해 획득한 직접 통신 전송 시간 내에서 최대한 많은 데이터를 전송할 수 있도록 하였다. 다수의 데이터를 전송할 때 걸리는 전송 시간을 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00007
여기서, n은 전송할 데이터 패킷의 개수를 의미한다. 즉 다수개의 데이터 패킷을 협력 통신을 통해 전송할 때, 걸리는 시간은 중계 선택(RS), 중계 가능 확인(RA) 프레임 전송 시간과 n 개의 데이터 패킷이 송신/중계, 중계/송신 단말을 통해 전송할 때의 걸리는 시간(nTS,R, nTR,D) 및 애크(ACK) 프레임 전송 시간과 SIFS 시간의 합으로 계산된다.
상기 수학식 6을 활용하여 다수의 데이터를 협력 통신으로 전송하는데 걸리는 시간을 계산하고, 예약된 직접 통신 전송 시간과 비교하여 다수 개의 데이터를 한꺼번에 전송할 수 있다.
도 3으로 돌아가서, 서비스 채널 3에서 두 번째 데이터 전송 과정은 2개의 데이터 패킷을 전송하는 협력 통신이 수행된다. 이러한 협력 통신 방법을 통해 협력 통신시의 이득을 극대화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 협력 통신을 통해 데이터를 전송하는 방법에 따른 송신 단말(10), 중계 단말(20) 및 수신 단말(30)이 주고 받는 신호를 순차적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 송신 단말(10)은 주변 단말(중계 단말(20) 및 수신 단말(30)을 포함함)들로부터 안전 메시지를 수신한다(S810, S820). 그리고, 수신된 안전 메시지를 기반으로 차량 노드 테이블을 생성한다(S830). 송신 단말(10)은 생성된 차량 노드 테이블을 기반으로 협력 통신 수행 여부를 결정한다(S840). 협력 통신 수행 여부의 결정은 차량 노드 테이블에 기록된 단말들의 협력 통신 전송 시간을 계산하여 가장 짧은 전송 시간을 갖는 최종 중계 단말의 협력 통신 전송 시간과 직접 통신 전송 시간과의 비교를 통해 이루어진다.
협력 통신 수행 여부 결정 수행 후, 채널 예약을 위해 송신 단말(10)은 수신 단말(30)로 전송 준비(cR) 프레임을 전송한다(S850). 수신 단말(30)은 채널 예약이 가능하다고 판단되면, 전송 준비(cR) 프레임에 대한 응답으로 전송 가능 확인(cC) 프레임을 전송한다(S860).
채널 예약이 완료되면, 선택한 중계 단말을 통해 협력 통신이 가능한지 알아보기 위해 중계 단말(20)로 중계 선택 프레임(RS)을 전송한다(S870). 송신 단말과 같은 채널로 전환한 중계 단말(20)은 중계 선택 프레임(RS)을 수신하고, 중계 가능 프레임(RA)을 송신 단말(10)로 전송한다(S880). 이때, 다른 채널로 전환한 상태라면, 상기 중계 가능 확인(RA) 프레임을 응답하지 않을 수 있고, 송신 단말(10)은 일정 시간 중계 가능 확인(RA) 프레임을 수신하지 못하면, 협력 통신이 불가능하다고 판단하고 직접 통신을 수행한다.
송신 단말(10)이 중계 가능 확인(RA) 프레임을 수신하는 경우, 협력 통신을 통해 데이터를 전송한다. 먼저, 중계 단말(20)로 데이터를 전송하고(S890), 중계 단말(20)은 송신 단말(10)의 데이터를 수신 단말(30)로 전송한다(S900). 수신 단말(30)은 정상적으로 데이터를 수신한 경우, 애크(ACK) 프레임을 전송한다(S910). 이때, 경우에 따라 직접 통신 전송 시간 내에 다수의 데이터 패킷을 협력 통신으로 전송할 수 있는 경우, 한꺼번에 다수의 데이터 패킷을 송신 단말(10)에서 중계 단말(20)로, 중계 단말(20)에서 수신 단말(30)로 전송할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법과 종래 방식의 처리율을 비교한 도면이다. 성능 평가를 진행하기 위해 모든 노드들은 항상 전송할 패킷을 가지고 있으며, 노드간 채널 상황은 대칭이고, 전송되는 패킷은 동일한 우선순위를 가지며, 안전 메시지는 테이블 갱신 구간에서 모든 노드들이 한 개씩 전송한다고 가정한다. 성능 평가에서 사용된 환경 변수들은 다음과 같다.
Figure pat00008
본 발명의 협력통신을 기반으로 하는 데이터 전송 방법이 협력통신을 통해 어느 정도의 성능을 향상시키는지 확인하기 위해 기존의 IEEE 802.11p 방식에서 수정을 가한 방법과의 비교를 진행하였다. 수정된 IEEE 802.11p 전송 방법은 제어 채널 구간을 안전메시지 전송구간과 채널 예약 구간으로 나누어서 사용하며 채널 예약구간에서 수행된 예약 결과를 바탕으로 서비스 채널 구간 동안 데이터 전송이 이루어지는 방식이다.
도 9는 본 발명의 협력통신 MAC 프로토콜을 적용한 데이터 전송 방법과 수정된 IEEE 802.11p 방식(종래 방식)의 처리율(throughput) 성능을 비교한 그래프로서, 네트워크 내의 단말의 수를 10개에서 120개까지 증가시켜가며 성능을 측정하였으며, 단말들은 임의로 배치되도록 하였다. 수정된 IEEE 802.11p 방식은 기존 표준에서 한 동기 구간을 제어 채널(CCH) 구간과 서비스 채널(SCH) 구간으로 나누어 제어 채널에서 제어 및 안전메시지를 송신/수신하고 서비스 채널에서 단말들이 데이터를 전송하는 방법을 제어 채널 구간을 안전메시지 전송 구간과 채널 예약 구간으로 나누어 동작하도록 하였다. 안전메시지 전송 구간에서는 안전메시지를 각 단말들이 안전메시지를 전송하고, 채널 예약 구간에서는 각 서비스 채널(SCH)에서 데이터 전송을 위해 예약을 통해 해당 채널에서의 전송시간을 획득하는 예약 과정을 수행한다. 그 후 서비스 채널(SCH)에서는 예약된 순서에 따라 데이터 전송이 이루어지게 된다. 단, 수정된 IEEE 802.11p 방식에서는 협력통신을 고려하지 않고 직접 통신 방법으로만 단말 간의 데이터를 주고 받게 된다.
처리율 성능은 4 개의 서비스 채널에서 이루어진 데이터 전송의 성능을 나타낸다. 도 9에서 나타난 바와 같이 본 발명의 협력통신 MAC 프로토콜을 적용한 데이터 전송 방법은 협력통신을 적용하지 않은 수정된 IEEE 802.11p와 비교하여 향상된 성능을 나타내었다. 본 발명의 데이터 전송 방법은 중계 단말을 통해 송신/수신 단말 간의 직접통신보다 빠르게 데이터를 전송한다. 또한 본 발명의 데이터 전송 방법은 협력통신을 수행할 때 예약된 직접통신 시간내에서 가능한 많은 데이터 패킷을 전송하여 수정된 IEEE 802.11p와 비교하여 많은 데이터 패킷을 전송할 수 있다. 이러한 이유로 본 발명의 전송 방법은 협력통신이 적용되지 않은 방법보다 처리율 성능을 평균 10% 정도 향상시키는 것을 확인할 수 있다. 이는 협력통신을 통해 전송률이 낮은 두 단말 간의 통신을 협력 통신으로써 성능을 향상시키고 저속 단말들의 채널 점유시간을 줄여 성능이상 문제를 해결할 수 있음을 나타낸다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하는 위치 정보 수신 단계;
    상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정 단계;
    상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 데이터를 전송하기 위해 채널 및 채널에서의 점유 시간을 예약하는 채널 예약 단계; 및
    상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 중계 단말 또는 수신 단말로 전송하는 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    채널은 제어 정보 교환과 관련된 제어 채널 구간(CCH)과 데이터 교환과 관련된 서비스 채널 구간(SCH)을 포함하고,
    상기 제어 채널 구간(CCH)을 테이블 갱신 구간과 채널 예약 구간으로 분할하여 사용하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주변 단말 정보 수신 단계는
    상기 적어도 하나의 주변 차량 단말이 매 제어 채널 구간마다 주기적으로 전송하는 안전 메시지로부터 각 단말의 MAC 주소, 위치 정보 및 신호 세기 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 정보를 기반으로 주변 차량 단말들의 정보를 기록하는 차량 노드 테이블을 작성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 협력 통신 수행 여부 결정 단계는
    상기 차량 노드 테이블에 기록된 주변 차량 단말들의 협력 통신 전송 시간을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 협력 통신 전송 시간과 직접 통신 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 협력 통신 수행 여부 결정 단계는
    상기 차량 노드 테이블에 기록된 적어도 하나의 주변 차량 단말들에 대해 협력 통신 전송 시간 계산을 수행하여 가장 짧은 협력 통신 전송 시간을 갖는 단말을 최종 중계 단말로 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크 에서의 데이터 전송 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 채널 예약 단계는
    채널 예약 구간에서 수신 단말을 선택하여 랜덤 백오프 경쟁 기반으로 수신 단말에게 전송할 것을 알리는 전송 준비 프레임(cR: Cooperative Ready to send)을 전송하는 단계; 및
    상기 수신 단말로부터 전송이 가능함을 알리는 전송 가능 확인 프레임(cC: Cooperative Clear to send)을 수신하는 단계를 포함하되,
    협력 통신을 수행하도록 결정된 경우, 상기 전송 준비 프레임에 중계 단말의MAC 주소 및 데이터를 전송할 서비스 채널 정보 및 예약 시간 정보를 포함시켜 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 채널 예약 단계에서,
    상기 주변 차량 단말들이 각각의 단말들의 채널 예약 과정을 오버 히어링(overhearing)하여 각 채널에서 데이터를 전송하는 단말들의 MAC 주소 정보, 전송 방식 및 순서 관련 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전송 단계는
    협력 통신을 수행하도록 결정된 경우, 협력 통신을 위해 선택된 중계 단말이 협력 통신이 가능한지 알아보기 위한 중계 선택 프레임(RS: Relay Selection)을 전송하는 단계;
    상기 선택된 중계 단말로부터 중계 가능 확인 프레임(RA: Realy Available)을 수신하는 단계; 및
    상기 선택된 중계 단말로 데이터를 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 중계 선택 프레임은 상기 선택된 중계 단말의 MAC 주소 정보, 서비스 채널 정보, 송신/중계 단말 간 데이터 전송률, 중계/수신 단말 간 데이터 전송률 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전송 단계는
    일정 시간 동안 상기 중계 가능 프레임을 수신하지 않는 경우, 협력 통신이 불가능하다고 판단하고, 직접 통신 방식으로 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    협력 통신을 통해 데이터를 전송하는 경우, 상기 예약된 점유 시간 내에서 다수 개의 데이터 패킷을 협력 통신을 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  11. 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 장치에 있어서,
    상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하는 위치 정보 수신부;
    상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정부; 및
    상기 협력 통신 수행 여부 결정에 따라 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 중계 단말 또는 수신 단말로 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  12. 차량 애드혹 네트워크에서 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 시스템에 있어서,
    상기 네트워크 내에 존재하는 적어도 하나의 주변 차량 단말로부터 주변 차량 단말 정보를 수신하고, 상기 수신된 주변 차량 단말 정보를 기반으로 협력 통신을 통한 데이터 전송 시간과 직접 통신을 통한 데이터 전송 시간을 비교하여 협력 통신 수행 여부를 결정하는 결정하여 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송하는 송신 단말;
    상기 송신 단말로부터 협력 통신 가능 여부를 알기 위한 프레임 교환을 수행하여 데이터를 중계하는 중계 단말; 및
    상기 송신 단말 또는 상기 중계 단말로부터 데이터를 수신하는 수신 단말을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 중계 단말은
    상기 송신 단말로부터 협력 통신이 가능한지 알아보기 위한 중계 선택 프레임(RS: Relay Selection)을 수신하고, 상기 수신된 중계 선택 프레임에 대응하여 협력 통신이 가능하다고 판단되는 때, 중계 가능 확인 프레임(RA: Realy Available)을 상기 송신 단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 중계 선택 프레임은 상기 중계 단말의 MAC 주소, 서비스 채널 정보, 송신/중계 단말 간 데이터 전송률, 중계/수신 단말간 데이터 전송률 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 중계 확인 프레임은 상기 중계 단말의 MAC 주소 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 수신 단말은
    상기 송신 단말로부터 전송할 것을 알리는 전송 준비 프레임(cR: Cooperative Ready to send)을 수신하고, 상기 수신된 전송 준비 프레임에 포함된 정보를 기반으로 협력 통신 또는 직접 통신을 통해 데이터를 전송해도 좋다는 전송 가능 확인 프레임(cC: Cooperative Clear to send)을 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전송 준비 프레임 및 상기 전송 가능 확인 프레임은
    협력 통신을 수행하는 경우, 중계 단말의 MAC 주소 및 서비스 구간에서 데이터를 전송할 채널 정보를 포함하고,
    직접 통신을 수행하는 경우, 서비스 구간에서 데이터를 전송할 채널 정보만을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 수신 단말은
    데이터를 정상적으로 수신받은 경우, 데이터를 수신받았음을 알리는 애크(ACK: Acknowledgement) 프레임을 전송하고,
    상기 애크(ACK) 프레임을 통해 상기 네트워크에 속한 주변 단말은 데이터 전송 과정이 완료된 것으로 판단하고, 일정 시간 후 다음 예약 순서에 해당하는 단말 간 데이터 전송을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 주변 단말은 상기 애크(ACK) 프레임을 기반으로 2 개의 SIFS(Short IFS) 시간 후 다음 예약 순서에 해당하는 단말 간 데이터 전송을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 시스템.
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