[논문]차량 네트워크를 위한 긴급메시지 브로드캐스트 기법

박정화; 강문수

doi:10.9717/kmms.2012.15.3.372

차량 네트워크를 위한 긴급메시지 브로드캐스트 기법
An Emergency Message Broadcast Scheme for Vehicular Networks 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.15 no.3, 2012년, pp.372 - 379

초록
AI-Helper

본 논문에서는 차량 네트워크를 위한 긴급메시지 브로드캐스트 방안으로 긴급이벤트가 발생되는 즉시 긴급메시지를 최대한 신속하고 정확하게 전파하기 위하여 필요한 브로드캐스트 기법에 대해서 연구하였다. 제안하는 프로토콜은 차량간 그룹을 형성하여 일정거리에 위치한 모든 차량들에게 긴급메시지를 전달하는 브로드캐스트 형태의 프로토콜로써 차량 안전관련 상황이 발생하였을 때, 이 사실을 일정거리 안에 있는 후위 차량들에게 효과적으로 전달하기 위한 긴급메시지 전달 방법이다. 이는 차량간 그룹을 이용하여 긴급 메시지를 후위로 전파하는 방식으로써 형성된 그룹 안에서 선정된 대표차량에 의해서만 재전송을 수행하기 때문에 불필요한 전송을 최소화할 수 있으며 긴급메시지의 충돌 가능성 또한 낮출 수 있게 된다. 시뮬레이션 결과 제안한 방식을 이용하여 긴급메시지를 전파했을 경우 기존의 차량간 프로토콜에 비해 비교적 훨씬 적은 양의 패킷으로 빠른 시간 안에 효과적으로 긴급메시지를 전파할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a group based propagation method for multi-hop transmission, in order to deliver an emergency message to the reasonable size of vehicle troop. A group head is selected in considering of the position information of vehicles and radio transmission range. With benefits of the group based transmission, it is possible to minimize the unnecessary transmissions and the possibility of message collisions. We evaluate the performance of the proposed scheme compared with conventional schemes. Simulation results show that the message propagation performance is so stable regardless of vehicle's congestion degree.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 그룹 개념을 이용하는 브로드캐스트 방법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 차량 네트워크를 위한 긴급메시지 브로드캐스트 방안으로 긴급이벤트가 발생되는 즉시 긴급메시지를 최대한 신속하고 정확하게 전파하기 위하여 필요한 브로드캐스트 기법에 대해서 연구하였다. 차량간 그룹을 이용하여 긴급메시지를 전파하는 방식인 제안한 방식에서는 긴급메시지에 전송 노드의 이동벡터와 Point의 위치 값을 포함하여 전송하게 되면 수신한 노드들은 자신의 이동벡터와 그 위치 값을 비교하여 그룹을 형성해 나간다.

가설 설정

시뮬레이션이 시작하면 차량들은 같은 길이의 도로의 서로 다른 위치에서 시작한다고 가정하고, 차량의 수가 증가할수록 차량의 밀집도 또한 증가하게 된다고 가정하였다. 시뮬레이션이 진행되는 동안 움직이는 차량들은 고속도로에서 이동하도록 제한된 공간에서 움직이며, 모든 차량들은 같은 방향으로 이동하지만 각각 다른 속도로 이동하며 주기적인 변속을 수행하도록 하였다.
제안된 프로토콜은 이동 중인 차량간의 무선 통신을 가정하고 있기 때문에 노드들의 이동 패턴이 MANET(Mobile Ad hoc Network)에서의 노드의 이동 패턴과는 다르게 설정한다[7]. 즉, 고속도로 이동 패턴으로 가정하였다. 고속도로 이동성 모델은 차량의 고속도로 위에서의 움직임을 모델링한 것으로써 본 논문에서는 도로 위의 차량들이 양방향으로 움직일 수 있도록 모델링한 것이 아니라 단방향인 편도 4차선 도로로 모델링하였다.

제안 방법

즉, 고속도로 이동 패턴으로 가정하였다. 고속도로 이동성 모델은 차량의 고속도로 위에서의 움직임을 모델링한 것으로써 본 논문에서는 도로 위의 차량들이 양방향으로 움직일 수 있도록 모델링한 것이 아니라 단방향인 편도 4차선 도로로 모델링하였다.
고속도로의 경우 대부분 양방향 도로이지만, 본 시뮬레이션에서 사용한 고속도로 이동성 모델은 도로 위의 차량들이 양방향으로 움직일 수 있도록 모델링한 것이 아니라 단방향인 편도 4차선 도로로 모델링하여 시뮬레이션을 하였다. 향후 연구로서 추가적으로 실제 고속도로 모델인 양방향 도로를 이용한 시뮬레이션을 수행할 것이다.
긴급메시지는 전달 홉 수를 "5"로 제한하였으며, 또한 제안하는 방식의 프로토콜의 성능을 평가하기 위해서 긴급메시지는 긴급이벤트가 발생한다는 가정 하에 시뮬레이션이 진행되는 동안 동일 차량에서 임의의 시간 간격으로 총 10회 발생시켜 시뮬레이션 하였다.
이는 어떤 후위 차량을 차량간 그룹 헤드로 선정하느냐에 따라서 긴급메시지의 전송 지연시간이 달라질 수 있기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 긴급메시지가 발생한 소스차량을 기준으로 설정된 Point와 자신의 현재 위치의 직선거리에 비례하게 재전송 타이머를 설정하여, Point로부터 가장 가까운 위치에 있는 차량을 차량간 그룹 헤드로 선정한다. 제안하는 프로토콜은 다음과 같이 단계별로 동작한다.
이처럼 기존의 차량간 메시지 전달 프로토콜들은 순수 브로드캐스트 방식을 사용하여 긴급메시지를 전송하기 때문에 무선 네트워크의 단점이 그대로 반영되어 잦은 충돌 현상으로 인해 신뢰성이 떨어지게 된다. 따라서 본 논문에서는 실시간으로 차량간 그룹을 형성하는 그룹 개념을 이용하여 발생된 긴급메시지를 후위로 전파하는 브로드캐스트 방법을 제안한다.
차량간 그룹은 차량이 이동하는 도로에 따라 무선 전송 범위에 의해서 임시적으로 형성되는 그룹으로써 고속으로 이동하는 차량의 특성상 그룹에 포함된 차량 멤버들 사이에서 주기적으로 정보를 교환하게 되면 매우 비효율적이게 된다. 따라서 이웃 차량과의 추가적인 정보 교환 없이 본 논문에서는 각 차량이 자신의 위치정보만을 이용하여 차량간 그룹을 형성하도록 하였다.
이는 위치정보를 이용하여 가장 먼 곳에 위치한 차량을 재전송 차량으로 선정함으로써 긴급메시지의 전송을 담당하는 한 개의 차량만이 메시지를 재전송하게 되므로 NB(Naive Broadcasting)와 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜에 비해 긴급메시지의 중복 수신이나 불필요하게 발생하는 메시지의 수를 상대적으로 줄일 수 있게 된다. 마지막으로 제안한 방법을 사용하게 되면 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜의 약 40%수준의 패킷만을 사용하여 긴급메시지를 후위로 전파하게 된다. 또한 DDT(Distance Defer Transmission) 프로토콜과 비교했을 때에도 마찬가지로 더 적은 패킷만을 사용하여 메시지를 후위로 전파한다는 것을 그림 3에서 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 홉 수를 “5”로 제한하여 시뮬레이션 하였다.
본 시뮬레이션은 동일한 조건하에서 30번을 각각 수행하여 평균을 시뮬레이션 결과 그래프로 제시하고 있다. 본 시뮬레이션에서는 제안된 프로토콜의 성능을 평가하기 위해서 전방으로부터 받은 모든 메시지를 무조건 후방으로 재전송하는 지향성 브로드캐스트 프로토콜인 NB(Naive Broadcasting) 프로토콜과 랜덤 기반 선택적 재전송 방식을 사용하는 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜과 위치정보를 활용하는 DDT(Distance Defer Transmission) 프로토콜을 각각 비교하여 성능을 비교/평가한다[5,7,8,10,12].
시뮬레이션이 시작하면 차량들은 같은 길이의 도로의 서로 다른 위치에서 시작한다고 가정하고, 차량의 수가 증가할수록 차량의 밀집도 또한 증가하게 된다고 가정하였다. 시뮬레이션이 진행되는 동안 움직이는 차량들은 고속도로에서 이동하도록 제한된 공간에서 움직이며, 모든 차량들은 같은 방향으로 이동하지만 각각 다른 속도로 이동하며 주기적인 변속을 수행하도록 하였다. 긴급메시지는 전달 홉 수를 "5"로 제한하였으며, 또한 제안하는 방식의 프로토콜의 성능을 평가하기 위해서 긴급메시지는 긴급이벤트가 발생한다는 가정 하에 시뮬레이션이 진행되는 동안 동일 차량에서 임의의 시간 간격으로 총 10회 발생시켜 시뮬레이션 하였다.
이렇게 다중 홉 전송 상황에서 차량의 수가 증가하게 되면 브로드캐스트 폭풍 현상이 발생하게 되는데 이를 개선하고자 제안된 알고리즘이 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜이다.
제안하는 프로토콜은 차량간 그룹을 형성하여 일정거리에 위치한 모든 차량들에게 긴급메시지를 전달하는 브로드캐스트 형태의 프로토콜로써 차량 안전관련 상황이 발생하였을 때 이 사실을 일정거리 안에 있는 후위 차량들에게 효과적으로 전달하기 위한 긴급메시지 전달 방법이다. 이 프로토콜의 가장 중요한 기능은 수신한 긴급메시지를 어떤 기준에 의해서 어느 차량이 재전송할 것인지를 결정하는 것이다.
본 논문에서는 차량 네트워크를 위한 긴급메시지 브로드캐스트 방안으로 긴급이벤트가 발생되는 즉시 긴급메시지를 최대한 신속하고 정확하게 전파하기 위하여 필요한 브로드캐스트 기법에 대해서 연구하였다. 차량간 그룹을 이용하여 긴급메시지를 전파하는 방식인 제안한 방식에서는 긴급메시지에 전송 노드의 이동벡터와 Point의 위치 값을 포함하여 전송하게 되면 수신한 노드들은 자신의 이동벡터와 그 위치 값을 비교하여 그룹을 형성해 나간다. 이처럼 형성된 그룹을 이용하여 통신을 수행함으로써 무선대역폭의 낭비를 줄여 패킷의 효율성을 높일 수 있으며 패킷의 충돌 가능성 또한 낮출 수 있게 된다.

대상 데이터

긴급이벤트가 발생하여 생성된 긴급메시지를 전달하고자 하는 소스차량은 자신의 차량의 이동속도, 이동방향, 현재 자신의 위치 값을 근거로 무선도달 거리 이내에 Point를 설정하게 된다. 본 논문에서는 Point의 위치를 소스차량 후면의 150m 부근에 설정하였다. 본 논문에서 임의로 지정한 Point의 위치인 150m는 GPS를 기반으로 설정된 값이다.

성능/효과

이는 NB(Naive Broadcasting) 프로토콜이 모든 차량들이 최소 1회의 재전송을 수행함으로써 중복된 긴급메시지의 수가 증가하기 때문에 유효메시지의 비율이 떨어지는 것이다. 그리고 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜의 경우에는 NB(Naive Broadcasting) 프로토콜보다는 괜찮은 성능을 보이고 있으나 제안하는 방식보다는 낮은 효율을 보인다. 또한 위치정보를 활용하는 DDT(Distance Defer Transmission) 프로토콜의 경우에는 긴급메시지의 재전송을 담당하는 한 개의 차량만이 재전송을 수행함으로써 긴급메시지의 중복 수신이나 불필요한 메시지의 수를 줄일 수 있었음에도 불구하고 차량의 수가 많아질수록 유효메시지의 비율이 감소하는 경향을 보여 효율이 낮아 보인다.
이처럼 형성된 그룹을 이용하여 통신을 수행함으로써 무선대역폭의 낭비를 줄여 패킷의 효율성을 높일 수 있으며 패킷의 충돌 가능성 또한 낮출 수 있게 된다. 시뮬 레이션 결과 제안한 방식을 이용하여 긴급메시지를 전파하게 되면 비교적 훨씬 적은 양의 패킷으로 기존의 차량간 프로토콜에 비해 효과적으로 긴급메시지를 전파할 수 있게 된다. 특히 전송할 수 있는 패킷의 수를 줄임으로써 네트워크의 신뢰성을 높일 수 있으며, 차량의 수의 증가에도 변함없이 거의 일정한 성능을 보여줌으로써 기존의 비교 대상의 프로토콜들보다 비교적 좋은 성능을 보인다.
본 논문에서는 홉 수를 “5”로 제한하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과 NB(Naive Broadcasting) 프로토콜의 경우에는 전방으로부터 받은 메시지를 무조건 후방으로 재전송하는 지향성 브로드캐스팅 방식을 사용하기 때문에 빈번한 메시지의 충돌에 따른 재전송으로 인하여 최종 홉까지 도달하는데 걸리는 소요시간이 IB (Intelligent Broadcasting) 프로토콜 보다 상대적으로 더 높게 나타난다. 이렇게 다중 홉 전송 상황에서 차량의 수가 증가하게 되면 브로드캐스트 폭풍 현상이 발생하게 되는데 이를 개선하고자 제안된 알고리즘이 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜이다.
하지만 기존의 세 프로토콜 모두 차량의 수가 80대 이상으로 증가하면서 부터는 큰 차이를 보이지 않고 비슷한 성능을 보인다. 제안하는 방식의 경우에는 차량의 수가 비교적 적어 차량의 밀집도가 낮을 때에는 약간 높은 지연시간을 보이다가 차량의 수가 증가함에 따라 오히려 지연시간이 줄어드는 현상이 나타난다. 이는 차량의 수가 적어 차량들의 사이가 많이 떨어져 있을 때에는 Point와 차량들의 위치 차이가 상대적으로 커지기 때문에 지연시간이 길어지는 것이며, 반면에 차량의 수가 증가하여 차량의 밀집도가 높아지게 되면 Point와 차량간 그룹 헤드 사이의 거리가 줄어들기 때문에 상대적으로 낮은 지연시간을 갖게 되는 것이다.
특히 전송할 수 있는 패킷의 수를 줄임으로써 네트워크의 신뢰성을 높일 수 있으며, 차량의 수의 증가에도 변함없이 거의 일정한 성능을 보여줌으로써 기존의 비교 대상의 프로토콜들보다 비교적 좋은 성능을 보인다.

후속연구

향후 연구로서 추가적으로 실제 고속도로 모델인 양방향 도로를 이용한 시뮬레이션을 수행할 것이다. 또한 본 프로토콜의 효율성을 객관적으로 평가하기 위해서 네트워크 시뮬레이션을 통한 정량적 비교가 조금 더 필요하며, 실제 교통 데이터를 활용하여 다양한 도로 상황을 고려하여 범용적인 특징을 가질 수 있는 프로토콜로 개선할 필요성이 있다. 이 뿐만 아니라 다양한 mobility model 환경을 고려한 성능평가 또한 이루어져야 할 것으로 보인다[12,13,14].
고속도로의 경우 대부분 양방향 도로이지만, 본 시뮬레이션에서 사용한 고속도로 이동성 모델은 도로 위의 차량들이 양방향으로 움직일 수 있도록 모델링한 것이 아니라 단방향인 편도 4차선 도로로 모델링하여 시뮬레이션을 하였다. 향후 연구로서 추가적으로 실제 고속도로 모델인 양방향 도로를 이용한 시뮬레이션을 수행할 것이다. 또한 본 프로토콜의 효율성을 객관적으로 평가하기 위해서 네트워크 시뮬레이션을 통한 정량적 비교가 조금 더 필요하며, 실제 교통 데이터를 활용하여 다양한 도로 상황을 고려하여 범용적인 특징을 가질 수 있는 프로토콜로 개선할 필요성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량안전통신에서 브로드캐스트 형태의 전파방법을 사용하는 이유는 무엇인가?	도로를 주행하는 차량들 사이에서 사고, 긴급 정지, 장애물 출현 등의 안전과 관련된 긴급 정보를 전송하는 차량 간 통신기술은 차량안전통신(VSC) 서비스의 기반이 된다[1]. 차량안전통신(VSC)은 상호 연계성이 없는 차량들 사이에서 운용되기 때문에 브로드캐스트 형태의 전파방법을 사용한다. 순수 브로드캐스트 서비스를 사용하게 되면 메시지의 잦은 충돌과 그에 따른 전송 지연으로 인해 차량안전통신(VSC)의 요구사항을 만족하지 못하게 된다.
	TRADE(TRAck DEtection) 프로토콜의 단점은 무엇인가?	먼저 TRADE(TRAck DEtection) 프로토콜에서는 각 노드가 이웃 노드들의 위치에 따라 미리 전방그룹, 후방그룹 그리고 나머지 그룹으로 나눈 뒤, 각 그룹의 노드들 중 가장 멀리 있는 차량에게 재전송의 역할을 부여하는 방식을 사용하고 있다[9]. 하지만 이는 이웃 노드들과의 주기적인 위치교환을 반드시 필요로 하게 되는 단점이 있다. 이를 개선하고자 메시지가 전송되는 순간의 전송자의 위치를 고려하면서 각자가 재전송에 대한 결정을 내리는 DDT(Distance Defer Transmission) 프로토콜이 제안되었으나, 이는 각 노드가 재전송 결정을 내리는데 방향성을 고려하고 있지 않고 있으며 뿐만 아니라 불필요한 중복 전송의 여지가 포함되어 있어서 여전히 문제점이 발생한다[10].
	NB에서 차량의 수가 증가하게 되면 브로드캐스트 폭풍 현상이 발생하는 이유는 무엇인가?	전형적인 지향성 브로드캐스트 프로토콜인 NB (Naive Broadcasting)에서는 전방으로부터 받은 모든 메시지를 무조건 후방으로 재전송하는 지향성 브로드캐스팅 방법을 사용하기 때문에 차량의 수가 증가하게 되면 브로드캐스트 폭풍 현상이 발생하게 된다[5,6]. 이러한 문제를 해결하고자 제안된 프로토콜이 IB(Intelligent Broadcasting) 프로토콜이다[4,6].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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