[논문]MAC 계층에서의 IEEE 802.11p 기반 WAVE 통신 시스템의 성능 평가

최광주; 김진관; 박상규

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.5.526

MAC 계층에서의 IEEE 802.11p 기반 WAVE 통신 시스템의 성능 평가
Performance Evaluation of IEEE 802.11p Based WAVE Communication Systems at MAC Layer 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.5, 2014년, pp.526 - 531

최광주 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 김진관 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 박상규 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과)

초록
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차량통신은 통신시스템과 차량산업을 융합하여 ITS(Intelligent Transport Systems) 분야에서 다양한 서비스 제공을 위해 고려되어 왔다. 일반적으로 차량통신은 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)라고 알려져 있는 IEEE 802.11p/1609표준을 채택하여 vehicle-to-vehicle(V2V)와 vehicle-to-infra(V2I) 통신에 이용된다. WAVE 시스템은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호를 5.835~5.925 GHz대의 주파수를 사용하여 전송하는 시스템이다. 본 논문에서는 IEEE 802.11p 표준에 따라 구현한 WAVE 시스템의 MAC(Media Access Control)단에서 채널 모니터링을 32 비트 처리한 다음 데이터를 수신하여 성능을 평가하였다. 실제 고속도로에서 OBU(On Board Unit)로 구성된 테스트베드를 구축하고, OBU간에 WSM(WAVE Short Message)을 무선으로 송수신한 다음, 프레임 당 채널 점유 시간과 처리량을 산출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vehicular communications have been receiving much attention in intelligent transport systems(ITS) by combining communication technology with automobile industries. In general, vehicular communication can be used for vehicle-to-vehicle(V2V) and vehicle-to-infrastructure( V2I) communication by adopting IEEE802.11p/1609 standard which is commonly known as wireless access in vehicular environment(WAVE). WAVE system transmits signal in 5.835~5.925 GHz frequency band with orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) signaling. In this paper, after 32 bit processed the channel monitoring in MAC(Media Access Control) layer of WAVE system implemented according to IEEE 802.11p standard, data were received and we evaluated the performance, we built the test bed consisting of OBU(On Board Unit) in the real expressway. We transmitted WSM(WAVE Short Message) and received WSM between OBU wirelessly. And then, we calculated channel occupancy time per one frame and throughput, and evaluated the performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 WAVE 통신 시스템의 특성을 물리 계층과 매체 접근 제어 계층으로 나누어 소개하였고, 그 내용을 바탕으로 매체 접근 제어 계층의 프레임 구성을 설명하고, 프레임 구성에 따른 프레임 당 채널 점유시간을 정의하였다. 프레임 당 채널 점유시간을 줄이기 위해 매체 접근 제어 계층을 기존 16비트 처리에서 32비트 처리로 변경한 WAVE 시스템을 IEEE 802.
시험의 주요 목적은 한 프레임을 보내는데 걸리는 시간과 WAVE 규격에서 규정된 주파수 대역 내에서 차량에 장착되어 있는 OBU의 처리량을 평가하는 것이다.

제안 방법

시험에 사용한 데이터는 WSM(WAVE Short Message) 을 사용하였다. QPSK 변조를 하고 3/4 부호화된, 재전송과 ACK가 없는 브로드캐스팅 신호를 9 Mbits/s로 기지국에서 송출하고, 차량의 OBU가 수신을 시도하였다. 시험할 때, 차량은 시속 100 km/h의 속력으로 주행하였다.
11p 표준에 따라 설계하고 제작하여, WAVE 시스템에서 WSM을 송수신했을 때 한 프레임 당 전송 시간과 처리량을 측정하였다. 구현된 시스템은 실제 고속도로와 유사한 시험도로에서 테스트 베드를 만든 다음, OBU에서 WSM을 송신하여 한 프레임 당 전속 시간을 측정하였다. 그리고 V2I 환경을 고려하여 처리량을 측정하였다.
구현된 시스템은 실제 고속도로와 유사한 시험도로에서 테스트 베드를 만든 다음, OBU에서 WSM을 송신하여 한 프레임 당 전속 시간을 측정하였다. 그리고 V2I 환경을 고려하여 처리량을 측정하였다. 그 결과, 기존의 16비트 수신기와 MAC단에서 데이터를 32비트로 처리한 수신기는 약 2배의 시간 차이를 보였고, 32비트 수신기는 기존의 16비트 수신기보다 약 42.
시험할 때, 차량은 시속 100 km/h의 속력으로 주행하였다. 기존 수신기와 새로운 수신기는 동일한 위치에서 WSM을 받기 시작해서, 약 2,300 m 떨어진 위치까지 측정하였다.
본 논문에서는 매체 접근 제어 계층을 기존 16비트 처리에서 32처리로 변경한 WAVE 통신 시스템을 IEEE 802.11p 표준에 따라 설계하고 제작하여, WAVE 시스템에서 WSM을 송수신했을 때 한 프레임 당 전송 시간과 처리량을 측정하였다. 구현된 시스템은 실제 고속도로와 유사한 시험도로에서 테스트 베드를 만든 다음, OBU에서 WSM을 송신하여 한 프레임 당 전속 시간을 측정하였다.
11p 표준에 따라 구현하였다. 실험은 실제 고속도로에서 구현된 WAVE 시스템의 OBU를 설치하여 테스트 트랙을 구축하고, OBU간에 데이터를 무선으로 송수신하여 프레임 당 채널 점유 시간과 처리량을 측정하였다.
이 논문에서는 장치 드라이버, 파일 시스템, 스택, 메모리 등 기존 16비트로 동작하는 펌웨어를 32비트로 동작하게 수정함으로써 MAC 프레임에서 사용하는 버퍼의 크기를 늘릴 수 있었다. 그래서 각 프레임에서 기존 16비트로 데이터를 처리하던 것을 32비트로 처리해서 채널 점유 시간을 줄이는 장점을 얻었다.
테스트 베드는 WAVE 시스템의 성능 평가를 위하여 실제 도로와 유사한 시험 트랙에 차량에 OBU를 탑재하여 구축하였다.
본 논문에서는 이러한 WAVE 통신 시스템의 특성을 물리 계층과 매체 접근 제어 계층으로 나누어 소개하였고, 그 내용을 바탕으로 매체 접근 제어 계층의 프레임 구성을 설명하고, 프레임 구성에 따른 프레임 당 채널 점유시간을 정의하였다. 프레임 당 채널 점유시간을 줄이기 위해 매체 접근 제어 계층을 기존 16비트 처리에서 32비트 처리로 변경한 WAVE 시스템을 IEEE 802.11p 표준에 따라 구현하였다. 실험은 실제 고속도로에서 구현된 WAVE 시스템의 OBU를 설치하여 테스트 트랙을 구축하고, OBU간에 데이터를 무선으로 송수신하여 프레임 당 채널 점유 시간과 처리량을 측정하였다.

대상 데이터

시험에 사용한 데이터는 WSM(WAVE Short Message) 을 사용하였다. QPSK 변조를 하고 3/4 부호화된, 재전송과 ACK가 없는 브로드캐스팅 신호를 9 Mbits/s로 기지국에서 송출하고, 차량의 OBU가 수신을 시도하였다.

성능/효과

그리고 V2I 환경을 고려하여 처리량을 측정하였다. 그 결과, 기존의 16비트 수신기와 MAC단에서 데이터를 32비트로 처리한 수신기는 약 2배의 시간 차이를 보였고, 32비트 수신기는 기존의 16비트 수신기보다 약 42.47 % 처리량이 향상되었다.
이 논문에서는 장치 드라이버, 파일 시스템, 스택, 메모리 등 기존 16비트로 동작하는 펌웨어를 32비트로 동작하게 수정함으로써 MAC 프레임에서 사용하는 버퍼의 크기를 늘릴 수 있었다. 그래서 각 프레임에서 기존 16비트로 데이터를 처리하던 것을 32비트로 처리해서 채널 점유 시간을 줄이는 장점을 얻었다. 그 결과 데이터 처리가 빠른 시스템을 구현하였다.
66 us의 전송 시간이 걸렸다. 그러므로 32비트 데이터 처리를 한 MAC은 16비트 데이터 처리를 한 MAC보다 약 57.58 us 더 빨라졌다.
두 수신기 모두 처리량에서 “bathtub”이 관찰되지만, 새로운 32비트 수신기는 기존 16비트 수신기보다 “bathtub”부분에서 성능 열화가 적다.
2515 Mbit/sec이다. 새로운 32비트 수신기는 기존 16비트 수신기보다 평균 1.2674 Mbit/sec 처리량의 성능 향상을 보였다.
그림 6은 한 프레임을 보내는데 걸린 시간이다. 전송 시간의 평균을 구하면 32비트로 데이터 처리를 하는 MAC은 평균 약 60.08 us의 전송 시간이 걸렸고, 16비트 데이터 처리를 한 MAC은 평균 약 117.66 us의 전송 시간이 걸렸다. 그러므로 32비트 데이터 처리를 한 MAC은 16비트 데이터 처리를 한 MAC보다 약 57.

후속연구

11 네트워크와는 상이한 기술적 특징을 갖는다^[2]. IEEE 802.11p WAVE 표준은 차후 vehicular Ad-Hoc networks(VANETs)에 사용될 성능이 좋은 다양한 서비스 형태의 멀티 채널 DSRC 솔루션을 제공하게 될 것이다. 그리고 이 표준을 기반으로 V2V와 V2I 통신을 이용하는 많은 다양한 서비스가 소개되었다^[3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기시간/ID 필드는 어떤 값을 나타내는가?	대기시간/ID 필드는 전송 프레임에 의존하는 대기시간 값을 나타낸다. 일반적으로 각 프레임은 다음 프레임 전송까지의 대기시간을 나타내는 정보를 포함한다.
	IEEE 802.11p의 특징은 무엇인가?	11 a/g 표준의 변형된 형태이다. 기존의 무선랜 표준과는 다르게 ISM(Industry-Science-Medical) 밴드가 아닌 5.850～5.925 GHz의 주파수를 사용하며, OFDM 방식을 이용하여 10 MHz의 대역폭을 1개 기본 채널로 이용한다. 데이터 속도(data rate)는 10 MHz의 채널대역폭을 이용하여 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 등의 변조 방식에 따라 데이터 전송 속도 3～27 Mbps를 지원한다. OFDM 신호는 64개의 부반송파로 구성되어 있는데, 48개는 데이터, 4개는 파일럿, 12개는 직류 성분을 나타낸다.
	TA 프레임은 무엇으로 구성되는가?	TA 프레임은 프레임 제어(frame control), 대기시간(duration)/ID(identification), 목적지 주소(destination address), 출발지 주소(start address), BBS(basic service set) ID, 순서 제어(sequence control), 프레임 바디(frame body), 프레임 검사 순서(frame check sequence)의 데이터로 구성된다.

참고문헌 (6)

Task Group p, IEEE Std 802.11p, "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 Am", draft standard ed., IEEE Computer Society, 2010.
D. Jiang, L. Delgrossi, "IEEE 802.11p: Towards an international standard for wireless access in vehicular environments", Proc. IEEE VTC-Spring, May 2008.
F. Bai, H. Krishnan, "Reliability analysis of DSRC wireless communication for vehicle safety applications", Proc. of Intelligent Transportation Systems Conference, pp. 355-362, 2006.
G. Acosta-Marum, M. A. Ingram, "Six time-and frequency-selective empirical channel models for vehicular wireless LANs", IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 2, no. 4, pp. 4-11, Dec. 2007.

상세보기
S. Biswar, R. Tatchikou, and F. Dion, "Vehicle-to-vehicle wireless communication protocols for enhancing highway traffic safety", IEEE Commun. Mag., vol. 44, no. 1, pp. 74-82, Jan. 2006.

상세보기
P. Alexander, D. Haley, and A. Grant, "Cooperative intelligent transport systems: 5.9-GHz field trials", Proc. IEEE, vol. 99, no. 7, pp. 1213-1235, Jul. 2011.

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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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