[논문]VANET에서의 효율적인 긴급 메시지 전송 기법

황정희; 최종원

doi:10.12815/kits.2012.11.4.086

문제 정의

성능비교를 위해 네트워크 시뮬레이터인 ns-2를 사용하였다. 본 논문에서는 2차선과 4차선 도로의 환경에서 차량이 지나가는 경우의 메시지 전송에 대하여 실험을 하였다. 2차선의 경우 사고 난 하나의 차선을 제외한 나머지 차선을 이용할 수 있기 때문에 차선 변경을 위한 메시지 전송이 가능하며, 후위 차량은 사고가 난 메시지를 수신 받으면 사고가 났다는 것을 인식할 수 있다.
본 논문에서는 테이블 기반 방식을 이용하여 메시지를 브로드캐스트하고 테이블 갱신을 메시지 전송 성공률을 이용하여 갱신하는 방법을 제안한다. 기존의 테이블에 메시지 전송 성공률을 추가하여 브로드캐스트 메시지에 전송 성공률을 포함하여 이웃 노드에게 전송하여 이웃 노드들이 자신의 테이블을 갱신하도록 한다.
본 절에서는 본 논문에서 제시한 효율적인 긴급 메시지 전송 기법에 대한 성능비교를 기술한다.
기존 테이블 기반 방식은 전송 지연시간을 고려하지 않아 메시지 전송 시간이 오래 걸릴 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 거리가 아닌 메시지의 전송 성공률을 나타내는 Receive_Hop을 기반으로 테이블을 갱신하는 방법을 제안한다. 거리뿐만 아니라 Receive_Hop를 기반으로 테이블을 갱신한다면 먼 거리에 있어도 전송 성공률이 높은 차량을 선택하여 더 빠르고 신속하게 브로드캐스트 메시지를 전송할 수 있다.

가설 설정

<그림 6>은 2차선에서 긴급 상황을 감지한 차량의 무선 충돌 경고 메시지를 보내기 시작하여 해당 메시지가 차선의 가장 끝에 있는 차량에 전달 될 때까지의 수신율이다. 응급상황에서 발생한 메시지를 보내는 소스 노드는 1번 노드로 가정하고 실험을 하였다. 차량의 수는 4대, 10대, 20대, 40대, 60대로 증가시켜서 실험을 하였으며 노드의 이동방향은 모두 동일한 방향으로 가정하였다.
4차선에서 이동의 방향은 모두 동일하며 차량의 수는 2차선보다 더 많은 차량으로 실험을 하였다. 차량의 수는 20대, 40대, 60대, 80대로 증가하여 실험을 하였으며 응급메시지의 소스 노드는 역시 1번 노드로 가정하였다.
응급상황에서 발생한 메시지를 보내는 소스 노드는 1번 노드로 가정하고 실험을 하였다. 차량의 수는 4대, 10대, 20대, 40대, 60대로 증가시켜서 실험을 하였으며 노드의 이동방향은 모두 동일한 방향으로 가정하였다.

제안 방법

2차선에서 응급 메시지를 브로드캐스트하여 전송하였을 경우 차량의 수를 변화시키면서 요구 기반 방식과 테이블 기반을 변형한 Receive_Hop으로 테이블을 갱신하는 방식을 이용하여 메시지의 전송률을 비교하였다. <그림 6>은 2차선에서 긴급 상황을 감지한 차량의 무선 충돌 경고 메시지를 보내기 시작하여 해당 메시지가 차선의 가장 끝에 있는 차량에 전달 될 때까지의 수신율이다.
2차선의 경우 사고 난 하나의 차선을 제외한 나머지 차선을 이용할 수 있기 때문에 차선 변경을 위한 메시지 전송이 가능하며, 후위 차량은 사고가 난 메시지를 수신 받으면 사고가 났다는 것을 인식할 수 있다. 2차선의 실험을 기반으로 4차선으로의 실험을 진행하였으며, 4차선에서는 2차선보다 차량의 수가 증가시켜 실험을 진행했다.
실험은 크게 두 가지 상황으로 나누어서 진행하였고, 한 가지는 2차선에서 차량이 이동하는 경우이고 다른 하나는 4차선에서 차량이 이동하는 경우이다. 각 경우별로 요구 기반 방식과 테이블 기반을 변형한 방식으로 메시지를 브로드캐스트하고 테이블을 갱신하는 방식을 적용하여 실험을 하였다. 차량 수를 변화시켜 차량의 수에 따른 메시지의 전송률과 지연시간을 비교하였다.
긴급 메시지를 전송해야하는 차량은 이웃차량 리스트를 따라 충돌 경고를 보낸다. 각 차량은 자신의 이웃 리스트와 충돌 경고에 포함되어 있는 메시지의 이웃리스트를 비교하여 공유 이웃을 파악하고 최소의 공유 이웃을 가진 차량은 재방송을 한다. 공유 노드의 수는 두 노드 사이의 거리를 변경함으로써 이루어진다.
자신의 통신 반경 범위 안에 있는 차량들과 주기적인 위치정보 교환을 통해 같은 도로를 달리지 않는 차량, 같은 도로를 달리고 있으면서 자신의 앞에 있는 차량, 같은 도로를 달리고 있으면서 자신의 뒤에 있는 차량 이렇게 세 가지로 이웃 차량을 구분해 놓는다. 그 후 자신의 앞 방향과 뒤 방향에 대해 각각 가장 멀리 있는 두 차량을 경계선(border) 차량으로 설정하고 이 차량의 ID를 포함한 메시지를 브로드캐스트한다. 선택된 차량을 제외한 모든 차량은 메시지를 듣기만 하고 선택된 경계선 차량만 메시지를 다시 브로드캐스트하여 정보를 효과적으로 전파한다.
본 논문에서는 테이블 기반 방식을 이용하여 메시지를 브로드캐스트하고 테이블 갱신을 메시지 전송 성공률을 이용하여 갱신하는 방법을 제안한다. 기존의 테이블에 메시지 전송 성공률을 추가하여 브로드캐스트 메시지에 전송 성공률을 포함하여 이웃 노드에게 전송하여 이웃 노드들이 자신의 테이블을 갱신하도록 한다. 이 제안 방법을 사용하면 거리가 멀지만 메시지 전송 성공률이 클 경우 테이블 갱신을 메시지 전송 성공률로 한다면 멀리 있는 노드에게 짧은 지연시간으로 메시지를 더 빠르게 메시지를 전송할 수 있다.
30 sec로 간격을 두어 전송을 하였고 최소 메시지 전송크기는 20bytes로 최대 전송 메시지는 10000 bytes로 제한하였다. 라우팅 프로토콜은 DSDV와 AODV를 기반으로 실험을 하였다. 구체적인 성능 평가를 위한 실험 환경은 <표 3>과 같다.
본 논문에서 고려한 상황은 단방향으로 2차선과 4차선을 고려하였다. 이러한 환경은 고속도로의 양방향 차선에서 서로 다른 방향의 차량에는 메시지를 전송하지 않는 다는 것을 기반으로 실험을 한 것이다.
본 논문에서 제안한 기법은 테이블 기반으로 메시지를 전송하는 기법을 제안한다. 테이블 기반 방식은 각 노드로부터 망 내의 모든 다른 노드의 최근 라우팅 정보를 관리한다.
실험은 크게 두 가지 상황으로 나누어서 진행하였고, 한 가지는 2차선에서 차량이 이동하는 경우이고 다른 하나는 4차선에서 차량이 이동하는 경우이다. 각 경우별로 요구 기반 방식과 테이블 기반을 변형한 방식으로 메시지를 브로드캐스트하고 테이블을 갱신하는 방식을 적용하여 실험을 하였다.
그러나 거리를 기반으로 메시지를 전송하게 될 경우 네트워크 상황에 따라 메시지를 전송 받지 못하는 경우가 있다. 이런 경우를 고려하여 테이블을 갱신할 때 거리가 아닌 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하는 방법을 제안하였다.
TRADE[12]는 차량 간 통신을 하기 위해 이웃 차량의 위치정보를 이용한다. 자신의 통신 반경 범위 안에 있는 차량들과 주기적인 위치정보 교환을 통해 같은 도로를 달리지 않는 차량, 같은 도로를 달리고 있으면서 자신의 앞에 있는 차량, 같은 도로를 달리고 있으면서 자신의 뒤에 있는 차량 이렇게 세 가지로 이웃 차량을 구분해 놓는다. 그 후 자신의 앞 방향과 뒤 방향에 대해 각각 가장 멀리 있는 두 차량을 경계선(border) 차량으로 설정하고 이 차량의 ID를 포함한 메시지를 브로드캐스트한다.
제안한 방법에서 메시지 전송 성공률로 테이블을 갱신하게 되면 거리가 멀더라도 메시지 전송 성공률이 높다면 더 빠르게 메시지를 전송할 수 있다고 판단하여 테이블을 갱신하는데 메시지 전송 성공률을 사용하였다. 제안한 테이블 갱신 방법은 노드가 증가함에 따라 메시지 전송 회수의 증가로 수신율에서는 약간 낮지만, 메시지 평균 지연시간에 있어서는 더 적은 지연시간을 가지고 있었다.
각 경우별로 요구 기반 방식과 테이블 기반을 변형한 방식으로 메시지를 브로드캐스트하고 테이블을 갱신하는 방식을 적용하여 실험을 하였다. 차량 수를 변화시켜 차량의 수에 따른 메시지의 전송률과 지연시간을 비교하였다.
시뮬레이션 범위는 가로 1km, 세로10m ~ 20m의 도로로 하였으며 2개의 차선과 4개의 차선을 만들었다. 차량의 간격은 5m로 배치하였으며 차량은 같은 방향으로 진행하고 속도는 시속 60Km로 하고 시뮬레이션 시간은 20초로 실행하였다. 메시지 전송 간격은 0.

대상 데이터

시뮬레이션 범위는 가로 1km, 세로10m ~ 20m의 도로로 하였으며 2개의 차선과 4개의 차선을 만들었다. 차량의 간격은 5m로 배치하였으며 차량은 같은 방향으로 진행하고 속도는 시속 60Km로 하고 시뮬레이션 시간은 20초로 실행하였다.

성능/효과

<그림 10>은 4차선에서의 요구 기반 방식과 테이블 기반 방식을 변형한 방식의 메시지 수신율이다. 2차선보다 차량의 수가 증가하여 차량이 증가할수록 수신율이 약간씩 더 떨어지고 있는 것을 확인 할 수 있다. 4차선에서도 제안한 방식보다 기존의 요구 기반 방식이 평균 9%의 수신율의 차이가 보였으며, 차량의 수를 증가하더라도 제안한 기법보다 수신율이 조금 더 높게 나타났다.
2차선보다 차량의 수가 증가하여 차량이 증가할수록 수신율이 약간씩 더 떨어지고 있는 것을 확인 할 수 있다. 4차선에서도 제안한 방식보다 기존의 요구 기반 방식이 평균 9%의 수신율의 차이가 보였으며, 차량의 수를 증가하더라도 제안한 기법보다 수신율이 조금 더 높게 나타났다. 이는 메시지전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하면서 생기는 전송 회수의 증가로 인해 제안한 방식의 전송률 기존의 요구 기반 방식보다 수신율이 약간 낮게 나타났다.
<그림 8>는 긴급 상황을 감지한 차량의 무선 충돌 경고 메시지를 보내기 시작하여 해당 메시지가 차선의 가장 끝에 있는 차량에게 전달되는데 걸리는 평균 지연시간을 비교한 결과이다. 그래프를 보면 요구 기반 방식보다 제안한 테이블 기반 변형 방식에서의 지연시간이 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 지연시간은 짧게는 0.
<그림 7>은 이 차선에서 차량의 수를 증가시켜가며 메시지의 수신율을 비교한 결과이다. 그래프를 보면 요구 기반 방식이 제안 기법보다 더 많은 수신율을 보였다. 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하면서 생기는 전송 회수의 증가로 인해 제안한 방식의 전송률 기존의 요구 기반 방식보다 수신율이 약간 낮게 나타났다.
실험 결과 제안한 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지 전송 성공률로 테이블을 갱신하는 방법을 사용하였을 경우 메시지의 전송 회수를 기반으로 테이블을 갱신하기 때문에 메시지의 전송 회수가증가할수록 전송률이 떨어지기 때문에 요구 기반 방식보다 수신율이 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 긴급 상황에 처한 노드에서 가장 뒤쪽에 있는 노드에게로 긴급 상황을 알리는 메시지를 보내는데 걸리는 평균 지연시간을 시뮬레이션 해 본 결과 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지를 전송하면 전송 성공률이 높은 노드를 선택할 수 있기 때문에 요구 기반 방식보다 지연시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 고속의 차량들이 안전거리를 지키지 않고 차량 사이의 거리를 좁게 유지하여 달리고 있지 않다면 운전자의 시야에만 의존하는 경우보다 제안된 방식의 메시지 전달방법을 사용하면 더 적은 지연시간으로 신속하게 차량들에게 메시지를 전달할 수 있다
그래프를 보면 요구 기반 방식이 제안 기법보다 더 많은 수신율을 보였다. 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하면서 생기는 전송 회수의 증가로 인해 제안한 방식의 전송률 기존의 요구 기반 방식보다 수신율이 약간 낮게 나타났다.
실험 결과 제안한 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지 전송 성공률로 테이블을 갱신하는 방법을 사용하였을 경우 메시지의 전송 회수를 기반으로 테이블을 갱신하기 때문에 메시지의 전송 회수가증가할수록 전송률이 떨어지기 때문에 요구 기반 방식보다 수신율이 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 긴급 상황에 처한 노드에서 가장 뒤쪽에 있는 노드에게로 긴급 상황을 알리는 메시지를 보내는데 걸리는 평균 지연시간을 시뮬레이션 해 본 결과 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지를 전송하면 전송 성공률이 높은 노드를 선택할 수 있기 때문에 요구 기반 방식보다 지연시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
<그림 10>은 4차선에서 요구 기반 방식보다 제안한 테이블_기반 변형한 방식에서의 지연시간이 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 적게는 0.
기존의 테이블에 메시지 전송 성공률을 추가하여 브로드캐스트 메시지에 전송 성공률을 포함하여 이웃 노드에게 전송하여 이웃 노드들이 자신의 테이블을 갱신하도록 한다. 이 제안 방법을 사용하면 거리가 멀지만 메시지 전송 성공률이 클 경우 테이블 갱신을 메시지 전송 성공률로 한다면 멀리 있는 노드에게 짧은 지연시간으로 메시지를 더 빠르게 메시지를 전송할 수 있다.
4차선에서도 제안한 방식보다 기존의 요구 기반 방식이 평균 9%의 수신율의 차이가 보였으며, 차량의 수를 증가하더라도 제안한 기법보다 수신율이 조금 더 높게 나타났다. 이는 메시지전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하면서 생기는 전송 회수의 증가로 인해 제안한 방식의 전송률 기존의 요구 기반 방식보다 수신율이 약간 낮게 나타났다.
제안한 방법에서 메시지 전송 성공률로 테이블을 갱신하게 되면 거리가 멀더라도 메시지 전송 성공률이 높다면 더 빠르게 메시지를 전송할 수 있다고 판단하여 테이블을 갱신하는데 메시지 전송 성공률을 사용하였다. 제안한 테이블 갱신 방법은 노드가 증가함에 따라 메시지 전송 회수의 증가로 수신율에서는 약간 낮지만, 메시지 평균 지연시간에 있어서는 더 적은 지연시간을 가지고 있었다. 이는 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하여가장 짧은 시간을 가지고 있는 차량에게 메시지를 전송하기 때문에 요구 기반 방식보다 지연시간이 짧다.

후속연구

긴급 상황에 처한 노드에서 가장 뒤쪽에 있는 노드에게로 긴급 상황을 알리는 메시지를 보내는데 걸리는 평균 지연시간을 시뮬레이션 해 본 결과 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지를 전송하면 전송 성공률이 높은 노드를 선택할 수 있기 때문에 요구 기반 방식보다 지연시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 고속의 차량들이 안전거리를 지키지 않고 차량 사이의 거리를 좁게 유지하여 달리고 있지 않다면 운전자의 시야에만 의존하는 경우보다 제안된 방식의 메시지 전달방법을 사용하면 더 적은 지연시간으로 신속하게 차량들에게 메시지를 전달할 수 있다
이러한 환경은 고속도로의 양방향 차선에서 서로 다른 방향의 차량에는 메시지를 전송하지 않는 다는 것을 기반으로 실험을 한 것이다. 그러나 도로의 교통 상황은 여러 경우가 있으며 현실의 교통 상황 또한 다양하기 때문에 다양한 교통 환경과 도로 형태에 대하여 제안된 방식의 연구 할 필요가 있다. 또한 도로의 모양이 직선만 있는 것이 아니기 때문에 도로의 모양에 대한 연구가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량 간 브로드캐스트 통신 방식은 안전 서비스 특징에 따라 어떻게 분류되는가?	차량 간 브로드캐스트 통신 방식은 안전 서비스의 특징에 따라 다음과 같은 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 주기적 브로드캐스트(Periodic Broadcast)와 이벤트 기반 브로드캐스트(Event_driven Broadcast)로 분류할 수 있으며, 주기적 브로드캐스트는 자신의 상태 정보를 포함한 안전 메시지를 주기적으로 인접차량들에게 전달하는 방식이다. 이벤트 기반 브로드캐스트는 위험 상황을 발생 시 사고예방 및 경고를 목적으로 하는 안전메시지를 주변 차량에게 전달하는 방식이다[6, 7].
	VANET이란?	VANET(Vehicular Ad Hoc Network)은 무선 네트워크 기술을 통합하여 차량 간 무선 통신을 가능하도록 하는 새로운 기술로써 지능형 교통 시스템(ITS: Intelligent Transportation System) 이 가능할 수 있도록 하며, IVC (Inter-vehicular Communications) 또는 V2V(Vehicular to Vehicular Communication) 이라고 한다[1, 2].
	VANET은 어떤 기능을 수행하는가?	VANET은 MANET(Mobile Ad Hoc Network)의 한 분야이며, 차량의 응급한 상황에 대한 메시지를 후위 차량(노드)들에게 전송하고, 더불어 주변 환경의 상황을 인식하거나 인터넷 서비스를 지원하기도 한다. VANET에서 가능한 통신 방식은 차량과 차량 사이의 통신(V2V) 또는 차량과 외부 인터넷의 통신(V2R)로 나눌 수 있다[4].

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