차세대 ITS 환경에서는 도로에서 주행 중인 차량을 대상으로 하여 도로변에 RSE와 차량에는 OBU를 설치하여 고속 패킷 V2I 및 V2V 통신 기능, 보안 및 인증 기능, 기지국 셀 간 핸드 오버 기능 지원을 필요로 한다. 이에 따라, 이러한 서비스를 가능하게 하는 무선 통신 기술 역시 최대 200km/h의 차량 속도를 지원하고, 1km의 통신 거리를 가지며, 텍스트, 이미지, 동영상 등 멀티미디어 데이터 전송이 가능하도록 데이터 전송속도를 최소 10Mbps까지 지원하는 한편, 높은 통신 신뢰성을 갖도록 발전하고 있다. 본 논문에서는 IEEE 802.11p PHY/MAC을 기반으로 하는 WAVE 통신시스템을 구현하고, 차세대 ITS 환경에 부합하는지의 여부를 평가하였다.
차세대 ITS 환경에서는 도로에서 주행 중인 차량을 대상으로 하여 도로변에 RSE와 차량에는 OBU를 설치하여 고속 패킷 V2I 및 V2V 통신 기능, 보안 및 인증 기능, 기지국 셀 간 핸드 오버 기능 지원을 필요로 한다. 이에 따라, 이러한 서비스를 가능하게 하는 무선 통신 기술 역시 최대 200km/h의 차량 속도를 지원하고, 1km의 통신 거리를 가지며, 텍스트, 이미지, 동영상 등 멀티미디어 데이터 전송이 가능하도록 데이터 전송속도를 최소 10Mbps까지 지원하는 한편, 높은 통신 신뢰성을 갖도록 발전하고 있다. 본 논문에서는 IEEE 802.11p PHY/MAC을 기반으로 하는 WAVE 통신시스템을 구현하고, 차세대 ITS 환경에 부합하는지의 여부를 평가하였다.
Next-Generation ITS environment requires high-speed data packet transmission, security, authentication, and hand-over supportable for driving vehicle on road by installing RSEs and OBUs. Therefore, wireless communication technology for next-generation ITS services are advancing to 200km/h maximum sp...
Next-Generation ITS environment requires high-speed data packet transmission, security, authentication, and hand-over supportable for driving vehicle on road by installing RSEs and OBUs. Therefore, wireless communication technology for next-generation ITS services are advancing to 200km/h maximum speed supportable, 1km communication radius, minimum 10Mbps hish-speed datarate for multimedia data(such as text, images, movie clips and so on) supportable, high reliability. In this paper, we implemented WAVE communication system which based on IEEE 802.11p PHY/MAC and evaluated that the system meets next-generation ITS environments.
Next-Generation ITS environment requires high-speed data packet transmission, security, authentication, and hand-over supportable for driving vehicle on road by installing RSEs and OBUs. Therefore, wireless communication technology for next-generation ITS services are advancing to 200km/h maximum speed supportable, 1km communication radius, minimum 10Mbps hish-speed datarate for multimedia data(such as text, images, movie clips and so on) supportable, high reliability. In this paper, we implemented WAVE communication system which based on IEEE 802.11p PHY/MAC and evaluated that the system meets next-generation ITS environments.
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문제 정의
WAVE 규격은 최대 200km/h에서도 데이터 통신이 가능한데, 이를 위해 기본 채널 대역폭이 절반(20MHz-> 10MHz)으로 줄었으며, 이는 데이터 전송속도를 반으로 줄이는 대신 통신의 신뢰성을 높이고, 채널 점유 경쟁을 줄이는데 목적이 있다.
본 논문에서는 스마트 하이웨이를 위한 스마트 WAVE 통신 시스템을 설계하고 시작품을 제작하여 성능을 평가하였다. 제작된 시작품이 OFDM PHY와 MAC 규격을 만족하는지의 여부를 확인하기 위하여 RF부를 구성하여 스펙트럼 송신과 수신한 결과를 벡터 분석을 실시한 결과, IEEE 802.
본 논문에서는 이러한 스마트하이웨이에서 요구하는 차세대 ITS 환경에 부합하는 IEEE 802.11p PHY/MAC 기반의 WAVE 복합기지국 통신 시스템을 구현하고, 통신 성능을 평가하였다.
제안 방법
WAVE 통신모듈의 성능 평가는 IEEE 802.11 규격과 IEEE 802.11p의 규격의 성능 파라미터 지표에 따랐으며, 국내에는 아직 WAVE를 위해 할당된 주파수가 제정되지 않은 이유로 미국에서 제정된 주파수인 5.850GHz~5.925GHz 사이의 주파수를 시험 주파수로 설정하고 시험하였다. 규격에 부합하는 송수신기의 성능을 평가하기 위해서는 벡터 기반의 스펙트럼 분석기(Vector Spectrum Analyzer, VSA)와 신호발생기(Vector Signal Generator, VSG)가 필수적이다.
본 논문에서도 역시 WAVE 규격을 만족하는 시스템의 구현을 위해 OFDM 기술을 도입하였는데, 이 OFDM은 다중 반송파 전송방식(MCM, Multi Carrier Modulation)으로서, 단일 반송파 전송방식에 비해 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 높다는 점이 주요한 단점 중 하나이지만[13], 스마트하이웨이에서의 복합기지국과 같은 RSE는 상시 전원이 연결되어 있는 관계로 충분한 전력 공급이 가능하여 PAPR은 크게 문제가 되지 않는다. 또한, OFDM은 ISI를 갖는 다중 경로 페이딩 채널에서 채널 용량을 이론적으로 최대화 할 수 있고[14] 적응변복조(AMC, Adaptive Modulation Coding) 등을 사용함으로써 성능 개선이 가능하다.
수신기의 성능은 증폭기의 동작 범위(Dynamic Range)의 설계 범위에 따라 최소 수신 감도와 최대 수신 감도에 대해 PER(Percent Error Rate)를 산출하여 규격에 부합하는지를 평가한다. 이때의 PER은 컨 덕션(conduction) 상태에서 케이블 손실을 고려하여 수신 감도와 동일한 신호 크기의 dot11p 패킷을 송출하고 10dB 수준의 잡음을 의도적으로 유입시켜 가상적으로 AWGN 채널을 형성한 뒤 측정한다.
이때 성능을 평가하는 주요 기준은 EVM(Error Vector Magnitude), 성상도, 스펙트럼 마스크, LO 누설, 스펙트럼 평탄도 등의 파라미터가 규격 내에 들어오는지의 여부를 측정하여 판단하게 된다. 기저대역에서의 성능평가가 만족스럽다고 판단되면 RF로 상향 변환하여 성능을 측정하게 된다.
수신기의 성능은 증폭기의 동작 범위(Dynamic Range)의 설계 범위에 따라 최소 수신 감도와 최대 수신 감도에 대해 PER(Percent Error Rate)를 산출하여 규격에 부합하는지를 평가한다. 이때의 PER은 컨 덕션(conduction) 상태에서 케이블 손실을 고려하여 수신 감도와 동일한 신호 크기의 dot11p 패킷을 송출하고 10dB 수준의 잡음을 의도적으로 유입시켜 가상적으로 AWGN 채널을 형성한 뒤 측정한다.
대상 데이터
그림 8에 각각 BPSK, QPSK, 16-QAM으로 변조방식을 달리하여 송신한 결과를 보였다. 이때 사용한 시험 데이터는 슈도-랜덤(Psudo-Random) 데이터로 채워진 1,000 바이트 길이의 IEEE 802.11 패킷을 사용하였다.
성능/효과
Wi-Fi가 주로 실내용으로 고정된 환경에서의 빠른 데이터 전송을 하는 것이 목표라면, WAVE는 시시각각 변화하는 옥외용 환경에서 Wi-Fi에 비해 속도는 이론적으로 1/2이지만, 한번 통신 시 정확하게 전달하는 것을 목표로 하고 있다. 또한, ITS환경의 요구사항을 반영하여 DSRC가 최대 약 200m의 통신 반경을 갖던 것을 LOS(Line-Of-Sight)가 보장되는 환경에서 최대 1km까지 지원하도록 통신 반경 범위를 개선하였다.
이를 위해, 차세대 ITS 서비스에 따른 통신 기능의 공통 요구사항 분석 결과, 차량과 인프라 간(V2I, Vehicle to Infrastructure), 보안 및 인증 기능, 기지국셀 간 핸드오버 기능이 필요한 것으로 나타났다. 또한, 통신 성능 요구 사항으로는 차량 이동 속도 최대 200km/h에서의 통신 가능과 셀 당 최소 1km 이상의 통신 영역(통신 반경 기준 0.5km 이상), 문자, 이미지, 동영상의 정보 제공이 가능할 것, 최소 10Mbps 이상의 데이터 전송 속도, 100ms 이내의 링크 접속 시간, 10% 이하의 패킷 손실율(Packet Error Rate) 확보가 필요한 것으로 분석되었다[2]
11p 규격에서 정의한 항목 별 측정치를 나타낸다. 실험 결과, 규격과 비교하였을 시 유사한 수준이거나 다소 우수한 성능을 보였다. 송신기의 신호 품질을 나타내는 지표로서, EVM(Error Vector Magnitude)과 주파수 오차, 심볼 클럭, RMS 위상잡음을 주로 측정하는데 이 값들이 높으면 높을수록 송신기의 성능이 열화 되었다고 판단한다.
이를 위해, 차세대 ITS 서비스에 따른 통신 기능의 공통 요구사항 분석 결과, 차량과 인프라 간(V2I, Vehicle to Infrastructure), 보안 및 인증 기능, 기지국셀 간 핸드오버 기능이 필요한 것으로 나타났다. 또한, 통신 성능 요구 사항으로는 차량 이동 속도 최대 200km/h에서의 통신 가능과 셀 당 최소 1km 이상의 통신 영역(통신 반경 기준 0.
본 논문에서는 스마트 하이웨이를 위한 스마트 WAVE 통신 시스템을 설계하고 시작품을 제작하여 성능을 평가하였다. 제작된 시작품이 OFDM PHY와 MAC 규격을 만족하는지의 여부를 확인하기 위하여 RF부를 구성하여 스펙트럼 송신과 수신한 결과를 벡터 분석을 실시한 결과, IEEE 802.11p PHY와 MAC 규격을 만족함을 확인하였다.
표 5는 각 변조 방식별 최소 수신 감도에서의 PER 측정 결과를 나타낸다. 측정결과, 규격 대비 약 1~2dB 정도 더 우수한 수신 성능을 보였으며, PER은 BPSK가 4%, QPSK가 10%로 나타났다. 이는 규격에는 준하지만 실제 통신에 있어서는 만족할만한 수준은 아니므로, 향후 PER을 보다 감소시키는 노력이 계속되어야 할 것으로 사료된다.
11 규격에서는 오차범위±10ppm 미만의 발진자를 사용하도록 권고한다[15] 실제로 개발 중 이 발진자의 발진 타입을 수정함으로써 EVM, 주파수 오차, RMS 위상 잡음의 성능 개선이 있었다. 표4의 측정결과를 보면 실제 신호와 성상도에는 큰 차이가 없었으나, EVM(Combined)은 약 8dB, 주파수 오차는 16kHz, 위상 잡음은 반 이상 줄어들었음을 알 수 있다.
후속연구
측정결과, 규격 대비 약 1~2dB 정도 더 우수한 수신 성능을 보였으며, PER은 BPSK가 4%, QPSK가 10%로 나타났다. 이는 규격에는 준하지만 실제 통신에 있어서는 만족할만한 수준은 아니므로, 향후 PER을 보다 감소시키는 노력이 계속되어야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WAVE 통신 시스템는 어떻게 나뉘는가?
구현된 WAVE 통신 시스템은 크게 CPU부, 모뎀부, 데이터 변환부, RF 부로 나뉜다.
WAVE 통신모듈의 성능 평가는 어떤 지표를 따랐는가?
WAVE 통신모듈의 성능 평가는 IEEE 802.11 규격과 IEEE 802.11p의 규격의 성능 파라미터 지표에 따랐으며, 국내에는 아직 WAVE를 위해 할당된 주파수가 제정되지 않은 이유로 미국에서 제정된 주파수인 5.850GHz~5.
모뎀부가 담당하는 역할은 무엇인가?
모뎀부는 FPGA로 구현되어 있으며, OFDM PHY (Physical layer)와 MAC(Medium Access Control) 계층이 포함된다. 기저 대역 및 RF를 제어하는 디지털 신호를 생성하거나 원천부호/복호화, 기저대역 변/복조 등의 역할을 담당한다.
참고문헌 (15)
지식경제부, "고속데이터 통신용 시스템 IC(최종보고서)", pp. 1, September. 2009
국토해양부(한국건설교통기술평가원), "SMART 도로-IT 기반 교통운영기술개발" (스마트하이웨이사업단 핵심 2과제) 1단계 보고서, pp. 222-227, may. 2009
국토해양부(한국건설교통기술평가원), "SMART 도로-IT 기반 교통운영기술개발" (스마트하이웨이사업단 핵심 2과제) 1단계 보고서, pp. 126-132, may. 2009
항공우주연구원, "위성항법기반 교통기술개발 (육상통신기술 워크숍) -첨단 차량-도로 기반 ITS 서비스 제공을 위한 우리의 과제", pp. 4-9, April. 2011
ASTM international, "Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Between Roadside and Vehicle Systems - 5 GHz Band Dedicated Short Range Communica-tions (DSRC) Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications", pp. 1, July. 2009
IEEE Computer Society, "IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and Metropolitan area networks - Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 6: Wireless Access in Vehicular Environments", July. 2010
IEEE Vehicular Technology Society, "IEEE Draft Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - P1609", April. 2010
IEEE Computer Society, "IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements part 11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications", July. 2007
항공우주연구원, "위성항법기반 교통기술개발 (육상통신기술 워크숍) -첨단 차량-도로 기반 ITS 서비스 제공을 위한 우리의 과제", pp. 17, April. 2011
Richard Van Nee and Ramjee Prasad, "OFDM for Wireless Multimedia Communications", Artech House, pp. 15-21, 2000
W.Hirt and J.L.Messey, "Capacity of the discrete-Time Gaussian Channel with Intersymbol Interference", IEEE Trans. on Information Theory, Vol.34, No.3, pp.380-388, May 1988
IEEE Computer Society, "IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements part 11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications", pp. 615, July. 2007
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