[논문]차량 간 통신 환경에 적합한 방향성 안테나를 이용한 상태관리 MAC Protocol

박상욱; 정성대; 정종인; 이상선

차량 간 통신 환경에 적합한 방향성 안테나를 이용한 상태관리 MAC Protocol
A State Management MAC Protocol for Vehicle to Vehicle Communication Using Directional Antenna 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.33 no.5A, 2008년, pp.526 - 535

박상욱 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학과 유비쿼터스 통신 연구실) , 정성대 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학과 유비쿼터스 통신 연구실) , 정종인 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학과 유비쿼터스 통신 연구실) , 이상선 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학과 유비쿼터스 통신 연구실)

초록
AI-Helper

최근 Mobile Ad-hoc 네트워크의 다양한 연구범위 중에서 방향성 안테나를 사용하여 네트워크 throughput을 증대시키는 MAC 프로토콜들이 연구 되고 있다. 현재까지 제안된 방향성 안테나용 MAC 프로토콜은 일반적인 Mobile Ad-hoc환경에서 spatial reuse의 향상과 통신 대역폭 종가 등의 장점을 가졌다. 하지만 이러한 Mobile Ad-hoc 네트워크에서 연구되었던 방향성 안테나 프로토콜들이 실제 차량환경에서는 어떻게 동작하는지에 대한 연구는 미흡한 실정이며 방향성 안테나를 사용하면서 나타나는 또 다른 문제점인 Deafness 현상도 차량환경에 Mobile Ad-hoc 네트워크를 적용하는데 있어서 문제점으로 지적되고 있다. 따라서 본 논문에서는 방향성 안테나 MAC 프로토콜들이 차량주행 환경에서 어떻게 동작하는지 기존에 제안되었던 방향성 안테나용 MAC 프로토콜(D-MAC)들을 차량 주행 환경에서 분석하여 문제점을 도출하고 도출된 문제점을 바탕으로 차량 간 통신을 위한 새로운 방향성 안테나용 MAC 프로토콜을 제안하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, several MAC protocols using the directional antennas have been proposed for wireless mobile ad hoc networks. In the theory, it can improve spatial reuse and communication throughput in the Mobile Ad-hoc networks. But, or However even though direction transmissions using the Directional MAC protocol(D-MAC) are expected to provide significant improvements, they causes other problems such as deafness problem and fairness problem. In this paper, we analyze the D-MAC protocol in Mobile Ad-hoc network for Vehicle to vehicle(V2V) communication. Through the results of the analysis, We the fundamental problem of D-MAC protocol and finally we suggest new D-MAC protocol for V2V networks.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 Mobile Ad-hoc 네트워크에서 방향성 안테나를 사용한 MAC Protocol들을 소개하고 기존에 연구되었던 방향성 안테나용 MAC Protocol 을 차량환경에 적용하였을 때의 문제점을 분석하여 차량 환경에 보다 적합한 새로운 방향성 안테나를 이용한 MAC Protocol을 제안하였다. 시뮬레이션 결과 DMAC/NT Protocol이 멀티 홉 시나리오에서 DRTS-DCTS-DDATA-DACK를 사용하는 DMAC Protocol보다 10.
본 논문에서는 앞서 소개한 두 가지 프로토콜을 좀 더 자세한 내용 파악을 위해 장단점을 들어 n장에서 소개하고자 한다.

가설 설정

각각의 모든 노드들은 이웃노드들의 정확한 위치정보를 알고 있다는 가정 하에 DMAC/NT의 전송원리는 기본적으로 D-MAC과 같다. 하지만 D-MAC 프로토콜과 다르게 방향성 안테나 사용 시 자신에해당되지 않은 패킷 수신시 방향성 안테나 각도에 대한 NAV 상태 설정 대신에 NAV Table을 사용중卜 여 이웃 노드들의 NAV 상태를 유지함으로써 주변 노드들의 통신 상태를 확인한다.
이때 방향성 안테나가 가지는 안테나 이득을 Gd(> G°) 이라 한다. 현재 발표된 대부분의 방향성 안테나 MAC Protocole 위에서 설명한 방향성 안테나를 사용하여 동작한다는 것을 가정하고 있으며 우리가 본 논문을 통해 제안하고자 하는 새로운 방향성 안테나 MAC 프로토콜에서도 동일한 안테나를 사용하여 신호 수신시에는 전 방향 안테나 패턴으로 신호를 수신하고 신호 송신 시에는 방향성으로 전송하는 것을 가정한다

제안 방법

용량을 개선시킨 프로토콜이다. CTS와 DATA 전송 시 BTr (Receive busy tone) 과 BTt(Transmit busy tone) 의 2가지의 Busy Tone 신호를 발생 시켜 데이터를 수신시에는 BTr을 on 시키고 데이터를 송신 시에는 BTt를 on 시켜 자신의 이웃한 노드들이 송신 중인지 수신중인지를 판단하고 노드자신이 현재 데이터 송. 수신이 가능한지 확인한다.
나타냈다 RI-DMAC는 각각의 노드가 자신에게 데이터 전송을 원하는 노드들의 목록을 작성하고 그러한 목록에 따라 우선순위를 가지고 패킷전송을 실시한다. 각각의 노드는 다른 노드들과 통신 중에서도 자신에게로 패킷 전송을 원하는 노드들의 ID와 패킷 길이, 수신된 시간 등을 Polling Table로써 관리하고 이러한 Table 정보를 바탕으로 다음 통신의 통신 우선순위를 결정하는 프로토콜이다[기.
따라서 우리는 방향성 안테나의 각도에 NAV 값을 설정하는 방법 대신 CSMWCA의 방식과 같이 MAC의 상태를 관리하는 방법을 사용하였다, 하지만 CSMA/CA의 방법과 같이 M仏C의 상태를 하나만 관리한다면 이웃한 노드들이 통신 중에 다른 노드들과 통신을 할 수 없기 때문에 노드 내부에 이웃 노드들에 따라 상대적으로 NAV상태를 관리하는 NAV Table을 만들었다.
또한, 기존 프로토콜들이 가진 문제점을 분석하여 Mobile ad-hoc 네트워크 구성을 위한 요구사항을 도출하고 m장에서 보다 더 효율적인 새로운 방향성 안테나 MAC 프로토콜을 제안한다. IV장에서는 제안한 프로토콜을 차량환경에 적용 및 검증하기 위해 시뮬레이션 환경을 구현하여 검증하고자 한다.
본 논문에서 제시할 프로토콜의 기존 연구라 할 수 있으며 DBTMA/DA 프로토콜은 D-MAC 에서의 Deafhess 문제를 예방하기 위해서 방향성 안테나 MAC protocol 에 DBTMA(Diiectional Busy Tone-Based MAC Protocol)을 적용한 protocol이며回, 기본적으로 6*6 mesh topology를 가지고 평가를 하였으며, DD, DO, OD, OO (D: Directional Antenna, O: OmniDirectional Antenna) 의 4 가지 scheme을 통해 성능을 비교하였고, 그 결과 DD 형태의 scheme이 가장 좋은 Throughput을 나타냈다 RI-DMAC는 각각의 노드가 자신에게 데이터 전송을 원하는 노드들의 목록을 작성하고 그러한 목록에 따라 우선순위를 가지고 패킷전송을 실시한다. 각각의 노드는 다른 노드들과 통신 중에서도 자신에게로 패킷 전송을 원하는 노드들의 ID와 패킷 길이, 수신된 시간 등을 Polling Table로써 관리하고 이러한 Table 정보를 바탕으로 다음 통신의 통신 우선순위를 결정하는 프로토콜이다[기.
성능분석은 네트워크의 전체 효율 판단을 위한 CBR throughput 측정과 매체 접근시간에 따른 지 연지 터의 측정을 통해 차량 통신환경에서 방향성 안테나를 사용한 MAC 프로토콜들이 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다.
시나리오( i)는 노드①이 노드②를 경유하여 노드 ③으로 CBR을 전송하는 2흡 CBR 전송 시나리오이다 앞에서 언급하였듯이 노드②가 노드③으로패킷을 전송하는 중에 노드①이 Deafness problem 을 겪어 long time back-off에 빠지거나 RTS 최대전송 횟수를 넘겨 패킷 drop이 발생할 수 있는 시나리오를 구성하였다 각 노드간의 거리는 250m이고 CBR 전송주기를 5msec~0.25msec로 변경하면서 IEEE 802.11과 DRTS-DCTS-DATA-DACK 의 DMAC 그리고 제안한 DMAC/NT을 비교하여 데이터 throughput 과 jitter를 측정하였다. 그림 10은 CBR 전송 주기에 따른 시나리오(i)의 throughput 결과를 나타내며 그림 11은 jittei를 나타낸다.
시나리오(ii)는 방향성 안테나를 이용한 MAC Protocol 의 최대 장점인 Spatial reuse를 고려한 시나리오로써 실제 차량환경에서 빈번히 일어나는 도로 주행 토폴로지를 구현하였다.
시뮬레이션 시간은 30s로 하였고 사용된 응용인 CBR의 패킷 크기는 512bytes로 고정하였으며 각각의 노드 간거리는 250m이다 또한 해당 CBR의 트래픽을 시뮬레이션 시간동안 계속해서 발생시킴으로써 토폴로지 상의 노드들이 경쟁하는 환경을 구성하였다.
지금까지 Mobile Ad-hoc 네트워크를 실현하기 위한 노력2로 IEEE 802.11을 기반으로 방향^ 안테나를 사용한 Directional MAC(D-MAC) 프로토콜들이 제안되었고 이 장에서는 기존에 제안된 D-MAC 프로토콜들에 대해 분석한다
기본적으로 D-MAC과 같다. 하지만 D-MAC 프로토콜과 다르게 방향성 안테나 사용 시 자신에해당되지 않은 패킷 수신시 방향성 안테나 각도에 대한 NAV 상태 설정 대신에 NAV Table을 사용중卜 여 이웃 노드들의 NAV 상태를 유지함으로써 주변 노드들의 통신 상태를 확인한다.

이론/모형

수 있을 것이다. 본 논문에서는 이러한 외부적 환경 요소의 영향성을 최소한으로 줄이기 위해 도로 환경, 차량의 종류 및 크기, 기후 조건 등의 환경 변수들을 모두 동일한 조건으로 설정하였고, 차량 간 상대속도와 방향성은 토폴로지의 변화에 직접적인 영향을 끼치는 요소이므로 시뮬레이션 구성 시 차량 간의 상대속도 와 방향성의 요소를 고려하여 토폴로지를 설계하였다 성능 분석을 위한 시뮬레이터는 Qualnet 3.9를 사용하였다(2),

성능/효과

" data-before="있다" data-ocr-fix="">있다. 기존 DMAC을 2가지 안테나를 이용한 D/OPCS (Directional / Omnidirectional Physical Carrier Sensing) 형태의 scheme과 RI-DMAC을 비교하였으며, 그 결과로 RI-DMAC/} DMAC와 OPCS(Omnidirectional Physical Carrier Sensing) 보다 좀 더 낮은 delay 를볼 수가 있었다
따라서 NAV 값이 완벽하지 않은 노드가 통신 중인 노드로 계속해서 RTS를 전송하게 되고 이러한 결과로 IEEE 802.11에 비해 DMAC/NT 도 Deafw%현상을 겪을 수 있다. 하지만 시나리오( i) 에서 우리는 방향성 안테나의 장점인 Spati시 reuse 를 고려하지 않았다.
통신기술이 필요할 것이다. 따라서 본 논문에서는 차후 ns의 통신으로 사용될 수 있는 IEEE 802.11을 사용하여 차량환경에서 필요한 통신기술의 문제점 분석과 새로운 형태의 프로토콜을 제시하였고 시뮬레이션을 통해 제안한 프로토콜이 차량환경에서 우수한 성능을 나타내는 것을 검증하였다.
방향성 안테나 중에서도 NAV Table을 사용한 DMAC/NT가, DMAC보다 상대 속도가 빨라질 수록 상대적으로 높은 throughput 을 보였다. 시나리오 (ii)에서 DMAC Protocol 적용 시에는 이동성을 가진 노드⑤가 노드①과의 통신에서 통신반경을 벗어나 다른 노드를 이용해서 패킷을 전송하는 멀티홉의 위치로 이동하였을 때 즉, 노드②와 노드③의 중간위치나 노드③과 노드④의 중간위치로 이동하였을 때는 노드⑤는 노드①과의 통신을 위해서 중간 노드들을 이용하여야한다.
그림 10은 CBR 전송 주기에 따른 시나리오(i)의 throughput 결과를 나타내며 그림 11은 jittei를 나타낸다. 시나리오 결과 Deafhess 현상을 겪지 않는 전방향성 안테나를 사용하는 IEEE 802.11이 전체 血oughput에서 가장 우수한 성능을 보였다.
시뮬레이션 결과 DMAC/NT Protocol이 멀티 홉 시나리오에서 DRTS-DCTS-DDATA-DACK를 사용하는 DMAC Protocol보다 10.44% 의 높은 throughput 향상을 보였으며 방향성 안테나를 이용한 MAC Protocol 의 Spatical reuse의 장점을 활용한 이동성 모델에서도 DMAC/NT가 802.11보다 1530%, DMAC보다 5.30% 우수한 성능을 보였다. 이러한 결과는 기존의 방향성 안테나용 MAC Protocol에서 문제점으로 분석되었던 Deafness현상이나 방향성 안테나 각도에 따른 NAV Time 설정에 따른 단점을 새로 제안한 DMAC/NT가 보완하였다는 것을 보여준다.
시나리오 (ii)에서 DMAC Protocol 적용 시에는 이동성을 가진 노드⑤가 노드①과의 통신에서 통신반경을 벗어나 다른 노드를 이용해서 패킷을 전송하는 멀티홉의 위치로 이동하였을 때 즉, 노드②와 노드③의 중간위치나 노드③과 노드④의 중간위치로 이동하였을 때는 노드⑤는 노드①과의 통신을 위해서 중간 노드들을 이용하여야한다. 이 경우 이미 노드② 와 노드③이 통신 중이고 이들 노드가 통신 중인 것을 알지 못하는 노드⑤는 노드①로 패킷을 전송하기 위해 노드②와 노드③으로 RTS를 계속해서 전송하게 되고 이러한 RTS 전송으로 인해 Deafness 문제가 발생한다, 하지만 DMAC/NT의 경우에는 노드②와 노드③에서 전방향으로 전송되는 RTS와 CTS를 이용하여 노드⑤가 NAV Table 을 구성할 수 있기 때문에 Deafness현상을 예방할 수 있고 그 결과 수신 throughput0] DMAC보다 5.3% 우수한 성능을 보였다.
30% 우수한 성능을 보였다. 이러한 결과는 기존의 방향성 안테나용 MAC Protocol에서 문제점으로 분석되었던 Deafness현상이나 방향성 안테나 각도에 따른 NAV Time 설정에 따른 단점을 새로 제안한 DMAC/NT가 보완하였다는 것을 보여준다.

후속연구

각각의 노드가 자신에게 패킷전송을 원하는 노드들을 알고 있다면 D-MAC에서 발생한 Deafness 문제를 해결 할 수 있을 것이다. RI-DMAC⑸는 각각의 노드가 자신에게 데이터 전송을 원하는 노드들의 목록을 작성하고 그러한 목록에 따라 우선순위를 가지고 패킷전송을 실시한다.
향후 다양한 형태로 나타나게 될 ITS 및 텔레매틱스 서비스를 위해서는 기존의 노변장치 차량단말기 서비스형태가 아닌 차량 주행환경에 보다 적합한 통신기술이 필요할 것이다. 따라서 본 논문에서는 차후 ns의 통신으로 사용될 수 있는 IEEE 802.

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QualNet Forum http://www.scalable-networks.com/training_and_support/support/forums/index.php

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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