[논문]차량 간 통신을 이용한 저비용 사고 위험 방지 기술에 관한 연구

이지훈; 김대엽

doi:10.9717/kmms.2012.15.10.1221

차량 간 통신을 이용한 저비용 사고 위험 방지 기술에 관한 연구
A Study on Low-Overhead Collision Warning Scheme using Vehicle-to-Vehicle Communications 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.15 no.10, 2012년, pp.1221 - 1227

이지훈 (상명대학교 정보통신공학과) , 김대엽 (수원대학교 정보보호학과)

초록
AI-Helper

차량 간 통신 기술을 적용한 차량의 안전 시스템은 시시각각 변하는 정보를 주변 차량으로 신속히 전파될 수 있기 때문에 사고 발생 위험 최소화 및 추돌 사고의 확산을 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 차량간 통신 지원을 위해 IEEE 802.11 DCF 기반 Flooding 기법을 활용한 정보 전달 기술을 활용하는 방안이 제시되고 있지만, 차량 밀도가 높아짐에 따라 채널 접근 권한 획득 확률이 낮아짐에 따라 전송 효율이 낮아지는 단점을 노출하고 있다. 따라서, 본 논문은 이러한 문제점을 개선하기 위해 각 차량들이 현재 주행상태에 따른 위험도를 감지하고 이에 근거하여 메시지 전송 빈도를 적응적으로 조절하게 하여 메시지 교환 효율을 증대시키는 방안을 제안한다. 또한, 제안 방안의 성능 검증을 위해 시뮬레이션을 통해 기존 Flooding 기반 방안과의 비교 분석을 수행한다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is expected that the vehicle safety systems using vehicle-to-vehicle communication can reduce the possibility of vehicle collision and prevent the chain crash by promptly delivering the status of neighboring vehicles. Many IEEE 802.11 DCF based Flooding schemes have been proposed, but they may generally expose the problems that the transmission efficiency is sharply declined as the vehicle density has increased and then is related to the low possibility of the channel access. Therefore, this paper proposes a collision prevention scheme using adaptively controlling the frequency of the message exchanges based on the current status of neighboring vehicles. Moreover, it is shown from simulation that the proposed scheme provides the performance gains over the existing Flooding based scheme.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러므로, 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선할 수 있는 V2V 통신 기반의 사고방지 기술에 대해 설명하며. 이는 각 차량들이 현재 주행상태에 따른 위험도를 파악하고 이에 근거하여 메시지의 전송 빈도를 적절히 조절하는 기술을 제안한다.
본 논문 이러한 V2V 통신 기반 서비스 가운데 위험 상황에 따른 주행로 변경 및 예상 충돌 방지를 위한 기술에 집중하며, 이를 통해 주변 위치에 차량들이 존재하는지를 판단하여 충돌 위험시 운전자에게 주행로 변경 등 예상 위험 경로를 적절히 제공할 수 있다. 또한 피할 수 없는 충돌에 대해 미리 경고함으로써 에어백, 전방범퍼, 안전벨트를 미리 제어할 수 있도록 준비하여 차량과 운전자의 충격을 최소화하는데 도움을 줄 수 있다.
본 논문은 각 차량들이 주행 환경에 따른 예상 위험도의 산정을 통해 비콘 메시지의 전송 주기를 효율적으로 조절하는 기술을 제안하며, 제안 방안이 갖는 특징은 다음과 같다. 각 차량 간 신속하고 원활하게 메시지를 교환하고 불필요한 전송 전력의 낭비를 최소화할 수 있으며, 메시지의 중복 송수신을 효과적으로 방지하여 차량 시스템의 과부하를 경감할 수 있다.
본 논문은 차량 간 근거리 통신을 활용하여 주행 차량 간 메시지를 효율적으로 교환하여 각종 사고를 예방할 수 있는 기술을 제시하며 구체적인 동작과정은 다음과 같다.
그러므로, 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선할 수 있는 V2V 통신 기반의 사고방지 기술에 대해 설명하며. 이는 각 차량들이 현재 주행상태에 따른 위험도를 파악하고 이에 근거하여 메시지의 전송 빈도를 적절히 조절하는 기술을 제안한다. 즉, 위험도가 증가하는 경우에는 메시지 교환 빈도를 증가시킴으로써 운전자 및 차량 내부 시스템이 적절한 조치를 취할 수 있도록 유도하며, 반대로 위험도의 상태가 상대적으로 높지 않은 경우에는 이를 적절히 낮춤으로써 필요 이상의 메시지 교환 발생을 방지할 수 있다.

가설 설정

본 논문에서는 일반 도로 및 고속도로 등 여러 차량들이 다중 차선으로 나뉘어 같은 방향으로 주행하는 환경을 가정한다. 이 때 도로위의 차량들을 그림 2와 같이 자신을 중심으로 한 일정 반경 내에서 공통 채널에 접근하여 비콘 (Beacon) 메시지를 전송할 수 있다.
이 때 도로위의 차량들을 그림 2와 같이 자신을 중심으로 한 일정 반경 내에서 공통 채널에 접근하여 비콘 (Beacon) 메시지를 전송할 수 있다. 이 때 비콘 메시지에는 자차의 식별자 (ID), 위치 및 속도 등을 포함할 수 있으며, 전송 반경보다 더 먼 곳의 차량들로부터는 메시지가 수신될 수 없음을 가정한다.

제안 방법

무선 전송 범위는 DSRC [1]에서 제안한 것처럼 300 미터로 규정하였으며, 기본 비콘 메시지 주기는 100ms로 하였다. MAC 프로토콜은 IEEE 802.11 DCF를 근간으로 하였으며 그 위에 제안 방안을 추가하였다. 제안 방안의 효율성을 검증하기 위해 차량 수의 변화에 따른 제어 메시지 오버헤드를 평가하였다.
제안 방안의 효율성을 검증하기 위해 차량 수의 변화에 따른 제어 메시지 오버헤드를 평가하였다. 또한, 특정 차선에서의 사고 알람에 의해 해당 차선에 있는 차량에서 사고를 감지하여 차량 속도를 감소시키는데 걸리는 시간을 측정하기 위해 사고 알림 메시지 전송이 완료되는 시간을 측정하여 제안 방안의 전송 효율을 검증하였다.

대상 데이터

11b 규격을 따르며, 11Mbps의 채널 비트율을 갖는다. 무선 전송 범위는 DSRC [1]에서 제안한 것처럼 300 미터로 규정하였으며, 기본 비콘 메시지 주기는 100ms로 하였다. MAC 프로토콜은 IEEE 802.

데이터처리

본 절에서는 제안한 방식과 Flooding 기반의 기존 시스템을 시뮬레이션을 사용하여 비교 분석하여 평가한다. 무선 채널 특성은 802.
11 DCF를 근간으로 하였으며 그 위에 제안 방안을 추가하였다. 제안 방안의 효율성을 검증하기 위해 차량 수의 변화에 따른 제어 메시지 오버헤드를 평가하였다. 또한, 특정 차선에서의 사고 알람에 의해 해당 차선에 있는 차량에서 사고를 감지하여 차량 속도를 감소시키는데 걸리는 시간을 측정하기 위해 사고 알림 메시지 전송이 완료되는 시간을 측정하여 제안 방안의 전송 효율을 검증하였다.

성능/효과

본 논문은 각 차량들이 주행 환경에 따른 예상 위험도의 산정을 통해 비콘 메시지의 전송 주기를 효율적으로 조절하는 기술을 제안하며, 제안 방안이 갖는 특징은 다음과 같다. 각 차량 간 신속하고 원활하게 메시지를 교환하고 불필요한 전송 전력의 낭비를 최소화할 수 있으며, 메시지의 중복 송수신을 효과적으로 방지하여 차량 시스템의 과부하를 경감할 수 있다. 마지막으로, WAVE, Wi-Fi 등 IEEE 802.
그림 6에서는 총 3개의 차선으로 이루어진 임의의 도로에서 랜덤하게 차량 사고를 발생시키고 이에 따라 발생되는 제어 메시지의 발생량을 측정하였다. 그림에서 보이는 바와 같이 제안 방안은 기존 Flooding 기반의 방안 대비 비콘 메시지 전송을 효율적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 제안 방안을 적용함으로써 차량 사고가 발생하는 차선에 위치한 차량에서만 비콘 메시지 발생을 증가하며 타 차선 내의 차량들은 상대적으로 비콘 메시지 전송 주기를 증가시킴으로써 전송 오버헤드 증가를 상쇄시킬 수 있다는 것과 전송 메시지 증가를 최소화함을 보여준다.
본 논문 이러한 V2V 통신 기반 서비스 가운데 위험 상황에 따른 주행로 변경 및 예상 충돌 방지를 위한 기술에 집중하며, 이를 통해 주변 위치에 차량들이 존재하는지를 판단하여 충돌 위험시 운전자에게 주행로 변경 등 예상 위험 경로를 적절히 제공할 수 있다. 또한 피할 수 없는 충돌에 대해 미리 경고함으로써 에어백, 전방범퍼, 안전벨트를 미리 제어할 수 있도록 준비하여 차량과 운전자의 충격을 최소화하는데 도움을 줄 수 있다.
각 차량 간 신속하고 원활하게 메시지를 교환하고 불필요한 전송 전력의 낭비를 최소화할 수 있으며, 메시지의 중복 송수신을 효과적으로 방지하여 차량 시스템의 과부하를 경감할 수 있다. 마지막으로, WAVE, Wi-Fi 등 IEEE 802.11 계열의 프로토콜에 적절히 호환하여 쉽게 구현될 수 있다.
그림에서 보이는 바와 같이 제안 방안은 기존 Flooding 기반의 방안 대비 비콘 메시지 전송을 효율적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 제안 방안을 적용함으로써 차량 사고가 발생하는 차선에 위치한 차량에서만 비콘 메시지 발생을 증가하며 타 차선 내의 차량들은 상대적으로 비콘 메시지 전송 주기를 증가시킴으로써 전송 오버헤드 증가를 상쇄시킬 수 있다는 것과 전송 메시지 증가를 최소화함을 보여준다.
이와 달리, 제안 방안은 차량 사고가 발생한 차선에 위치한 차량들만 전송 주기를 증가시켜 비콘 메시지의 충돌 확률을 낮춤과 동시에 차량 사고 감지 시간을 감소시킬 수 있었다. 이는 제안 방안이 차량 수의 증가와는 무관하게 차량 사고 정보를 빠르게 전달함에 따라 후속 사고의 재발 가능성을 낮출 수 있음을 의미한다.
따라서, 차량의 밀도가 높아짐에 따라 차량 감지 지연 시간도 함께 증가하게 된다. 이와 달리, 제안 방안은 차량 사고가 발생한 차선에 위치한 차량들만 전송 주기를 증가시켜 비콘 메시지의 충돌 확률을 낮춤과 동시에 차량 사고 감지 시간을 감소시킬 수 있었다. 이는 제안 방안이 차량 수의 증가와는 무관하게 차량 사고 정보를 빠르게 전달함에 따라 후속 사고의 재발 가능성을 낮출 수 있음을 의미한다.

후속연구

자동차는 도보와 달리 고속으로 주행하는 것이 특징이고 다양한 원인으로 운전자의 집중도가 저하될 위험이 높으므로 특정 지점의 차량 사고는 연쇄적인 추돌 사고로 이어질 가능성이 크다. 따라서 V2V 통신 기술을 적용한 차량의 안전 시스템은 시시각각 변하는 정보를 주변 차량으로 신속히 전파될 수 있기 때문에 사고 발생 위험 최소화 및 추돌 사고의 확산을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DCF 전송 방식은 어떤 방식인가?	11기반의 무선랜 기술을 다양한 차량들이 공통채널을 공유하는 DCF (Distributed coordination function) 전송 방식을 사용하여 기반 인프라가 없는 차량 간데이터 교환을 효율적으로 지원할 수 있다[1-3]. DCF 전송 방식은 각 노드의 공통 사용 가능 채널 (공유 채널)에 대한 경쟁을 기반으로 하는 것으로서 두 개 이상의 노드가 동시에 채널을 사용하고자 할때는 채널이 비었음을 감지한 후 각자의 대기 시간 (Contention window, CW)을 기다린 후에 임의의 시간에 채널에 접근함으로써 사용권한을 획득하게 된다. 이는 구현이 용이하고 일정한 형태의 통신망 구성이 없는 애드혹 기반의 차량 통신 환경에서 높은 효율성을 가져올 수 있다는 장점이 있지만, 각 차량들이 자신의 메시지 전송 빈도를 어떻게 설정하느냐가 중요한 문제가 될 수 있다.
	인프라를 거치지 않고 실시간으로 빠르게 정보를 주고 받을 수 있는 V2V 통신 기술이 차량의 안전 시스템 서비스에 적합한 것은 자동차 운전의 어떤 점 때문인가?	V2V 통신 기술은 차량 주행 및 교통과 관련된 다양한 응용 서비스에 적용될 수 있는데, 인프라를 거치지 않고 실시간으로 빠르게 정보를 주고 받을 수있기 때문에 특히 충돌 감지 및 전방의 사고 전파등 주로 안전성을 증가시킬 수 있는 서비스에서 주요 하게 사용될 것으로 예상된다. 자동차는 도보와 달리 고속으로 주행하는 것이 특징이고 다양한 원인으로 운전자의 집중도가 저하될 위험이 높으므로 특정 지점의 차량 사고는 연쇄적인 추돌 사고로 이어질 가능성이 크다. 따라서 V2V 통신 기술을 적용한 차량의 안전 시스템은 시시각각 변하는 정보를 주변 차량으로 신속히 전파될 수 있기 때문에 사고 발생 위험 최소화 및 추돌 사고의 확산을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
	ITS 시스템에서 다양한 정보 및 데이터를 효율적으로 송수신하기 위해 무엇이 필요한가?	최근 첨단 IT 기술을 활용하여 교통과 관련한 다양한 문제를 해결할 수 있는 ITS (Intelligent Transport System)의 도입이 활발히 추진되고 있다. 이러한 ITS 시스템에서 다양한 정보 및 데이터를 효율적으로 송수신하기 위한 통신 기술의 중요성이 특히 강조되고 있는데, 도로 및 시설물의 기지국과 차량 간의 통신 기술인 ‘차량-인프라 통신 기술 (V2I, Vehicle-to-Infrastructure communication)’ 이외에도 도로측 인프라를 거치지 않고 주행하는 차량끼리 직접 통신할 수 있는 ’차량대 차량 통신 기술 (V2V, Vehicle-to-Vehicle communication)’의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이는 사고의 발생, 도로 정보, 차량 주행 상태 등을 인접 차량과 실시간으로 통신함으로써 정보를 주고 받고 함으로써 보다 안전하고 효율적인 주행을 도울 수 있다[1,2].

참고문헌 (8)

W. Fisher, Development of DSRC/WAVE Standards, IEEE 802.11-07/ 2045r0, 2007.
IEEE, Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) in Standard 802.11 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, 802.11p/ D1.0, 2006.
IEEE, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE 802.11 WG, 1999.
T. Elbatt, S.K. Goel, G. Holland, H. Krishnan, and J. Parikh, "Cooperative Collision Warning using Dedicated Short Range Wireless Communications," ACM Workshop on Vehicular Ad hoc Networks, pp. 1-9, 2006.
T. Kosch, I. Kulp, M. Bechler, M. Strassberger, B. Weyl, and R. Lasowski, "Communication Architecture for Cooperative Systems in Europe," IEEE Communications Magazine, Vol. 47, No. 5, pp. 116-125, 2009.
R. Uzcategui and G. Acosta-Marum, "Wave: a Tutorial," IEEE Communications Magazine, Vol. 47, No. 5, pp. 106-133, 2009.

상세보기
K. Padmavathi and R. Maneendhar, "A Surveying on Road Safety using Vehicular Communication Networks," Journal of Computer Applications, Vol. 5, No. EICA2012-4, pp. 460-465, 2012.
박정화, 강문수, "차량 네트워크를 위한 긴급 메시지 브로드캐스트 기법," 한국멀티미디어 학회논문지, 제15권, 제3호, pp. 372-379, 2012.

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저자의 다른 논문 :

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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