[논문]IEEE WAVE 기반의 무선 네트워크를 위한 핸드오버 프로토콜

최정욱; 이혁준; 최용훈; 정영욱

IEEE WAVE 기반의 무선 네트워크를 위한 핸드오버 프로토콜
A Handover Protocol for the IEEE WAVE-based Wireless Networks 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.10 no.1, 2011년, pp.76 - 83

최정욱 (광운대학교 컴퓨터공학과) , 이혁준 (광운대학교 컴퓨터공학과) , 최용훈 (광운대학교 정보제어공학과) , 정영욱 (광운대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

ITS(Intelligent Traffic System) 통신을 위한 국제표준인 IEEE WAVE(Wireless Access for Vehicular Environment) 규격은 핸드오버 기능을 제공하지 않는다. 본 논문에서는 IEEE WAVE 기반의 고속도로 통신 네트워크에서 웹 페이지, CCTV 동영상 비디오클립 등의 멀티미디어 기반 서비스를 제공하기 위한 능동적(proactive) 핸드오버 프로토콜을 제안한다. 제안하는 핸드오버 프로토콜은 핸드오버 시작 전에 기존의 RSU에게 범위 이탈을 알림으로써 OBU(On-Board Unit)로 향하는 데이터를 다음 RSU로 전달하여 사전캐싱을 하도록 한 후, OBU의 범위내 진입시 최종적으로 OBU에게 전송하여 핸드오버 과정을 완료한다. 시뮬레이션을 통해 본 핸드오버 프로토콜이 처리량과 전송성공률 그리고 핸드오버 지연시간 측면에서 우수함을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The IEEE WAVE-based communication systems do not provide handover services since most of the application layer messages of a small amount containing text data that are related to safe driving. Multimedia data service such as web pages and CCTV video clips, however, require a seamless handover for continuation of a session via multiple RSUs. In this paper, we propose a new proactive handover protocol based on IEEE WAVE. According to the proposed handover protocol, the OBU notifies the old RSU of its departure from the coverage such that the old RSU forwards to the new RSU the data heading towards the OBU to be cached for the further delivery upon its entry into the new RSU's coverage. The simulation results are presented which shows the performance of the proposed protocol in terms of throughput, delivery ratio and handover delay.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 OBU가 oRSU와 연결을 해제하기 이전에 핸드오버를 할 것을 알려주어 자신에게 전송되는 데이터를 nRSU로 전송하는 방법으로 데이터 손실을 방지하고 핸드오버로 인한 RSU의 성능 저하를 줄일 수 있는 새로운 핸드오버 기법을 제안한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
<그림 4>는 RSU간의 간격을 변화시키면서 프로토콜의 성능을 측정한 결과이다. 이 실험에서는 두 RSU간의 전송 중첩 범위의 변화가 두 프로토콜에 어떠한 영향을 끼치는지를 알 수 있다. <그림 4>를 보면 중첩되지 않는 2,000m 지점부터 제안하는 프로토콜이 처리량, 전송성공률 그리고 핸드오버지연 측면에서 더 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.

가설 설정

제안하는 핸드오버 프로토콜은 고속도로 상에서의 ITS서비스를 위한 네트워크에 적용되는 것을 가정하고 있다. 즉, <그림 2>에서처럼 RSU가 노변을 따라 일정한 간격을 두고 분포되어 있으며 규칙적인 식별체계를 가지고 있어, 각 OBU는 항상 다음 접속대상 RSU를 인지할 수 있다.

제안 방법

11의 핸드오버 동작이 시작되면 MS는 기존 AP와의 연결을 끊기 위해 새로운 AP에게 재결합 메시지를 전송한다. MS로부터 재결합 메시지를 받은 AP는 기존의 AP에게 IEEE 802.11f Move-Notify 메시지를 송신하여 예전 AP에 임시로 저장 되어 있는 해당 MS로 전달되어야 할 데이터를 자신에게 전송해 줄 것을 요청하며 예전 AP가 해당 MS에게 할당한 자원을 해제하도록 한다. 새로운 AP로부터 Move-Notify 메시지를 받은 기존 AP 는 요청받은 데이터를 새로운 AP로 전송하며 MS에게 할당한 자원을 회수 한다.
실험에서 발생하는 트래픽은 비디오 스트리밍을 위한 트래픽과 일반 범용 데이터 트래픽을 상정한 CBR트래픽 2가지의 다운링크 트래픽이다. 노변장치 사이의 거리를 변화하는 실험은 전송범위의 중첩이 일어나지 않는 임계 거리인 2000m를 기준으로 5m씩 중첩 범위를 조절하여 1,990m, 1,995m, 2,000m, 2,005m, 2,010m 의 5가지 값을 적용하고 FER은 0~0.5사이의 확률을 적용한다.
시뮬레이션 시나리오는 고속도로에서 주행하는 차량(OBU) 과 고속도로 주변의 노변장치(RSU), 노변장치와유선으로 연결된 한 개의 스위치로 구성된다. 실험은 RSU간의 거리와 프레임에러율(FER)가 변화할 때 제안하는 핸드오버 방식(proactive)과 802.11p w/poll방식(reactive)의 핸드오버 프로토콜의 평균 패킷 전송지연, 처리량, 핸드오버 지연시간, 전송성공률을 측정하여 비교분석하는 방법으로 진행되었다.
제안하는 방법의 단점으로는 결합해제 메시지가 손실될 경우에는 oRSU에서의 핸드오버 중인 OBU 로의 패킷 식별이 불가능하다는 것이며, 이 경우에는 폴링방식을 적용하여 핸드오버를 시도한다. <그림 3>은 제안하는 핸드오버 프로토콜에서의 메시지 교환을 나타낸 것이다.
제안하는 핸드오버 프로토콜에서는 OBU가 핸드오버를 결정하면 SCH에서 oRSU에게 결합해제 (disassociation) 메시지를 전송한다. 결합해제 메시지를 받은 oRSU는 해당 OBU로의 전송을 중단하여 재전송 등으로 인한 대역폭의 낭비를 막고 해당 OBU로 전송해야 할 패킷들을 OBU가 이동할 nRSU로 전송하여 OBU가 nRSU로부터 WSA 메시지를 수한한 후, SCH에서 패킷을 이어 받을 수 있도록 한다.
제안하는 핸드오프 프로토콜의 동작을 검증하기 위해 NS-2.28의 IEEE 802.11e MAC의 추가모듈을 수정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 시나리오는 고속도로에서 주행하는 차량(OBU) 과 고속도로 주변의 노변장치(RSU), 노변장치와유선으로 연결된 한 개의 스위치로 구성된다.
차량의 속도는 160Km/h를 기준으로 10%범위 내의 임의의 값으로 설정하고 각 차량의 거리는 해당 속도에 대한 안전거리인 160m를 기준으로 10m 범위 내의 임의의 값으로 설정하였다. 차량 탑재 장치와 노변 장치 모두 1,000m의 전송 범위를 가진다.
본 논문에서는 WAVE기반의 통신에서도 응용의 특성에 따라서는 핸드오버 기법이 필요할 수 있다는 것을 보였다. 핸드오버 기법을 제안하기 위한 사전 연구 조사에서 IEEE 802.11p 표준에 대하여 분석하였으며 이를 바탕으로 새로운 L2 고속핸드오버 기술을 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 프로토콜의 동작 및 유효성을 검증하였으며 시뮬레이션 결과 제안하는 핸드오버 프로토콜이 끊김 없는 서비스 제공이 가능한 핸드오버를 수행할 수 있다는 것을 확인하였다.

대상 데이터

11e MAC의 추가모듈을 수정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 시나리오는 고속도로에서 주행하는 차량(OBU) 과 고속도로 주변의 노변장치(RSU), 노변장치와유선으로 연결된 한 개의 스위치로 구성된다. 실험은 RSU간의 거리와 프레임에러율(FER)가 변화할 때 제안하는 핸드오버 방식(proactive)과 802.

성능/효과

<그림 4>를 보면 중첩되지 않는 2,000m 지점부터 제안하는 프로토콜이 처리량, 전송성공률 그리고 핸드오버지연 측면에서 더 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다. 2000m 지점부터 제안하는 프로토콜의 평균 전송지연이 IEEE 802.11p w/poll 방식 보다 약 0.2초가량 증가하는 것을 볼 수 있는데 이는 OBU가 핸드오버 전의 oRSU로부터 버퍼링된 데이터를 전송받음으로써 발생되는 현상이다. 버퍼링 되었던 데이터를 nRSU로 포워딩 하여 전달 받는 방법을 이용하면 평균전송지연은 다소 증가될 수 있으나 oRSU에서 손실될 수 있는 패킷들을 nRSU를 통하여 수신할 수 있기 때문에 처리량이 증가하며 전송성공률 또한 증가하여 핸드오버 과정에서의 패킷 손실을 최소화 할 수 있음을 알 수 있다.
FER의 증가는 두 프로토콜 모두의 성능에 영향을 미치게 되지만를 보면 FER이 증가하더라도 제안하는 프로토콜의 핸드오버지연, 전송성공률, 처리량은 802.11p w/poll방식보다 우수한 성능을 보임을 알수 있다.
. 176]Km/h로 이동할 경우 oRSU로부터 벗어나 nRSU의 전송범위로 들어가기 전까지의 이동시간이 약 200ms가량 소요되므로 이를 감안하면 제안하는 프로토콜은 전파범위에 진입한 뒤 약 50ms 이내에 패킷을 수신할 수있다고 볼 수 있기 때문에 본 프로토콜은 핸드오버시의 끊김 없는 데이터 전송이 가능하다고 할수 있다.
11p 의 기본 메커니즘 때문이다. 결과적으로 제안하는 프로토콜은 802.11p w/poll방식보다 핸드오버 동작을 빠르게 수행하여 성능을 향상 시킬 수 있지만 802.11p 기본 메커니즘을 거스를 수는 없기 때문에 손실되는 WSA의 패킷의 수가 일정량 이상으로 증가하게 되면(FER 0.5) 성능이 급감한다. 그러나 이런 경우에도 802.
이 실험에서는 두 RSU간의 전송 중첩 범위의 변화가 두 프로토콜에 어떠한 영향을 끼치는지를 알 수 있다. <그림 4>를 보면 중첩되지 않는 2,000m 지점부터 제안하는 프로토콜이 처리량, 전송성공률 그리고 핸드오버지연 측면에서 더 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다. 2000m 지점부터 제안하는 프로토콜의 평균 전송지연이 IEEE 802.
2초가량 증가하는 것을 볼 수 있는데 이는 OBU가 핸드오버 전의 oRSU로부터 버퍼링된 데이터를 전송받음으로써 발생되는 현상이다. 버퍼링 되었던 데이터를 nRSU로 포워딩 하여 전달 받는 방법을 이용하면 평균전송지연은 다소 증가될 수 있으나 oRSU에서 손실될 수 있는 패킷들을 nRSU를 통하여 수신할 수 있기 때문에 처리량이 증가하며 전송성공률 또한 증가하여 핸드오버 과정에서의 패킷 손실을 최소화 할 수 있음을 알 수 있다. 제안 하는 프로토콜은 핸드오버지연 측면에서도 우수한 성능을 나타낸다.
본 논문에서는 WAVE기반의 통신에서도 응용의 특성에 따라서는 핸드오버 기법이 필요할 수 있다는 것을 보였다. 핸드오버 기법을 제안하기 위한 사전 연구 조사에서 IEEE 802.
11p 표준에 대하여 분석하였으며 이를 바탕으로 새로운 L2 고속핸드오버 기술을 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 프로토콜의 동작 및 유효성을 검증하였으며 시뮬레이션 결과 제안하는 핸드오버 프로토콜이 끊김 없는 서비스 제공이 가능한 핸드오버를 수행할 수 있다는 것을 확인하였다.
버퍼링 되었던 데이터를 nRSU로 포워딩 하여 전달 받는 방법을 이용하면 평균전송지연은 다소 증가될 수 있으나 oRSU에서 손실될 수 있는 패킷들을 nRSU를 통하여 수신할 수 있기 때문에 처리량이 증가하며 전송성공률 또한 증가하여 핸드오버 과정에서의 패킷 손실을 최소화 할 수 있음을 알 수 있다. 제안 하는 프로토콜은 핸드오버지연 측면에서도 우수한 성능을 나타낸다. 2,010m 지점을 보면 RSU간의 거리가 10m 떨어져 있을 때 약 250ms의 핸드오버지연을 가지는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEEE WAVE는 무엇을 핵심 기술로 하고 있는가?	IEEE WAVE는 ITS 통신을 위한 국제표준으로 차량에 탑재되는 On-Board Unit(OBU)과 노변에 설치되는 Road-Side Unit(RSU) 간의 빠른 링크 연결과고속전송을 핵심 기술로 하고 있다. IEEE WAVE는 물리계층 및 MAC 계층 프로토콜인 IEEE 802.
	IEEE WAVE 통신 규격이 핸드오버 기능을 지원하지 않는 이유는 무엇인가?	11 MAC을 고속의 링크 연결이 가능하도록 수정한 프로토콜을 채택하고 있다[1]. IEEE WAVE 통신 규격은 최대 1,400 바이트 크기의 ITS 관련 텍스트 정보를 실시간 전송하는 것을 주 응용 서비스로 하여 개발되었기 때문에 OBU가 인접한 두 RSU 간을 이동하는 동안에도 지속적으로 데이터 전송이 가능한 핸드오버 기능을 지원하지 않는다. 그러나 향후 ITS서비스가 도로상의 CCTV 비디오 스트림 영상이나 WWW 기반의 첨단 서비스를 제공하게될 것으로 예측되고 있어, RSU 간 고속 L2 핸드오버 기능의 필요성이 대두되고 있다.
	IEEE 802.11p의 제어 채널 구간과 서비스 채널 구간은 각각 얼마로 정의되어 있는가?	11p의 제어 채널은 시스템 제어와 안전 관련 메시지 전용이며, 서비스 채널은 안전과 관련되지 않은 데이터 패킷을 교환하기 위해 사용한다. 제어채널 구간(CCH Interval)과 서비스 채널 구간(SCH Interval)은 각각 50ms로 정의되어 있다<그림 1>. WAVE의 차량탑재(OBU)는 매 제어 채널 구간 동안에는 제어채널에 머물러 있으면서 WAVE 제어 패킷 및 안전 관련 메시지들을 수신하고, 서비스채널 구간 동안에는 안전과 관련되지 않은 데이터를 서비스 채널에서 송신하거나 수신한다.

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