[논문]External 인터페이스 구현을 통한 트래픽시뮬레이터와 네트워크 시뮬레이터의 연동

성진승; 이주영; 정재일

doi:10.7471/ikeee.2014.18.3.435

External 인터페이스 구현을 통한 트래픽시뮬레이터와 네트워크 시뮬레이터의 연동
Interoperation of Traffic Simulator and Network Simulator Through the External Interface Implementation 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.18 no.3, 2014년, pp.435 - 441

성진승 (Hanyang University) , 이주영 (Hanyang University) , 정재일 (Dept. of Electronic Engineering, Hanyang University)

초록
AI-Helper

V2X 협력통신 시스템은 차량 운전을 쉽고 안전하게 할 수 있도록 도와주는 융합기술로 실제 교통상황에서 이러한 기술을 평가하고 효과를 예상하기 위해서는 실차 기반의 도로 구축과 통신 장비 구축, 검증 전문 인력 투입을 필요로 하며 많은 비용과 시간을 투입해야한다. 위와 같은 이유로 연구소 및 대학에서는 개발한 시스템을 테스트 하는데 어려움을 겪고 있으며, V2X 장비 개발이 가속화됨에 따라 차량 안전 어플리케이션과 V2X 통신기술을 테스트 할 수 있는 신뢰성 있는 테스트베드 구축에 대한 필요성이 증가하고 있다. 본 논문에서는 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 시뮬레이션을 기반으로 하는 테스팅 환경을 구성하기 위하여 External 인터페이스 구현을 통하여 트래픽 시뮬레이터와 네트워크 시뮬레이터를 연동하는 시스템을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The V2X cooperative communication system is fusion technology which makes vehicle manuver safer. To evaluate and anticipate effect of these kind of technology, it requires real-car based road construction, implementation of communication devices, hiring inspection specialized personnel. For this reason, many laboratories and universities experience difficulties to test their technology results. Also, the need of implementing reliable testbed for testing vehicle safety applications and V2X communication technology is increasing as V2X device development is being accelerated. In this paper, we implemented a system which synchronizes traffic and network simulators via developing External interface to set simulation based testing environment in order to solve the difficulties.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

V2X 통신은 미국의 IEEE 802.11p/WAVE 통신표준을 채택하여 사용하며 차량이 빠른 속도로 이동하는 통신 환경에서 데이터를 100msec 이내의 짧은 시간을 주기로 전송하는 것을 목표로 한다. WAVE 통신표준은 IEEE 802.
본 논문의 시뮬레이션 환경은 VISSIM COM 인터페이스와 QualNet External Interface를 연결해주는 것을 목적으로 하며 외부 시스템에서 QualNet의 기능을 제어하기 위한 External Interface API를 제공한다. 본 논문에서는 VISSIM COM Interface와 통신을 통해 QualNet 내부 노드의 위치정보를 수정하는 기능을 구현하였다. 외부 시스템은 External Interface에서 제공하는 API를 통해 QualNet을 동작 시킬 수 있으며 External Interface에서 제공하는 API는 일반적으로 Interface Registration Function, Utility Function 두 가지로 구분 된다.
본 논문에서는 네트워크 시뮬레이터와 V2X 통신의 어플리케이션 및 통신 프로토콜을 검증하는 시스템을 구현하기 위해 시뮬레이터 연동 인터페이스를 설계하고 구현하였다. 시뮬레이터 인터페이스는 기존의 네트워크 시뮬레이터에서 차량의 움직임을 모델링하기 어려운 문제점을 교통 시뮬레이터를 연동하여 현실적으로 반영할 수 있으며 실시간 시뮬레이션 과정에서 시나리오의 차량을 제어하는 기능을 추가하였다.
QualNet의 External Interface는 외부 시스템과의 상호작용을 지원하기 위해 제공되는 QualNet 인터페이스이다. 본 논문의 시뮬레이션 환경은 VISSIM COM 인터페이스와 QualNet External Interface를 연결해주는 것을 목적으로 하며 외부 시스템에서 QualNet의 기능을 제어하기 위한 External Interface API를 제공한다. 본 논문에서는 VISSIM COM Interface와 통신을 통해 QualNet 내부 노드의 위치정보를 수정하는 기능을 구현하였다.
SAE J2735 Message Set Dictionary는 DSRC/WAVE 통신의 어플리케이션에서 사용하기 위한 메시지 셋들을 정의하고 있다. 이는 Data Frame, Data Element로 구성되어 있으며 메시지 셋은 서로 다른 어플리케이션 간의 호환성을 가질 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 메시지 셋은 15개의 메시지로 구성되어 있으며 73개의 Data Frame과 149개의 Data Element, 11개의 External Data Entries를 사용하여 구성된다[4].
현재 차량 안전 서비스 또는 어플리케이션을 평가하기 위해 실차 기반의 도로 구축과 통신 장비 구축, 검증 전문 인력 투입을 필요로 하며 많은 비용과 시간을 투입해야하기 때문에 테스트 환경 구축에 따른 많은 비용 또는 자원을 필요로 하게 된다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 시뮬레이션을 기반으로 하는 테스팅 환경을 구성하였다. 시뮬레이션 테스팅 환경은 External 인터페이스 구현을 통하여 트래픽 시뮬레이터와 네트워크 시뮬레이터를 연동하는 방식으로 구현하였다.
최근 교통사고 또는 여러 교통 서비스를 제공하기 위해 연구되고 있는 IEEE 802.11p 기반의 WAVE 통신의 동향과 기술들을 분석해 보았으며 이를 시뮬레이션 하여 V2X 통신을 검증하기 위한 시스템의 동향에 대해서 연구하였다. V2X 기반 차량 통신은 교통사고를 예방하고 차량 혼잡을 줄일 수 있는 기술로 세계적으로 활발히 연구되고 있으며 향후 V2V, V2I 통신뿐만 아니라 V2M, V2P 통신으로 발전하여 운전자에게 편리하고 안전한 주행을 지원할 것이다.

제안 방법

11p 표준문서에 정의되어있다. WAVE의 PHY계층은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 기반으로 하며 IEEE 802.11a를 기반으로 수정되어 고속 통신 환경에 맞게 설계되었다. IEEE 802.
그림 9과 같이 안전 어플리케이션 검증을 위해 전방추돌 경고 서비스 어플리케이션을 테스트 하였다. 전방추돌 경고 서비스는 차량의 위치정보와 진행방향, 현재 차선정보, 속도, 가속도 정보를 기반으로 동작하게 된다.
시뮬레이션 테스팅 환경은 External 인터페이스 구현을 통하여 트래픽 시뮬레이터와 네트워크 시뮬레이터를 연동하는 방식으로 구현하였다. 본 논문에서 구현한 External 인터페이스는 정적인 교통시나리오 이외에 동적인 교통 시나리오 환경을 구성 할 수 있도록 트래픽 시뮬레이터를 제어하기 위한 환경 및 인터페이스를 구현 하였다.
본 논문에서 설계한 시뮬레이션 인터페이스의 성능을 분석하기 위해 4.6절의 시뮬레이션 시나리오에서 시뮬레이션을 진행하여 성능을 측정하였다. QualNet은 통신을 위한 프로토콜로 IEEE 802.
본 논문에서 제안하는 시뮬레이션은 네트워크 시뮬레이터인 QualNet[5]과 트래픽 시뮬레이터인 VISSIM[6]을 연동함으로써 구성된다. 이 두 시뮬레이터를 연동하기 위해 구성한 External 인터페이스는 V2X 안전 어플리케이션 또는 차량 통신 프로토콜의 성능 등을 검증하기 위한 것이며 차량의 움직임을 현실적으로 모델링하여 네트워크 시뮬레이터 내의 노드 이동성을 제공함으로써 차량 통신 프로토콜의 성능을 평가할 수 있다.
본 논문에서는 PC 3대를 이용하여 QualNet과 VISSIM을 실행하는 중앙 PC1, 그리고 QualNet의 가상노드에 매핑 된 어플리케이션을 위한 PC 2대를 유선 LAN으로 연결하여 시스템을 구성하였다.
본 논문에서는 VISSIM COM 인터페이스에서 전송되는 노드의 좌표를 기반으로 Utility Function의 ChangeNodePosition 함수를 이용해 VISSIM의 차량 노드 좌표를 QualNet 시뮬레이터의 가상 노드에 정확히 반영한다.
11p를 사용하며 IPNE, External Interface를 사용하여 외부 시스템과 연동한다. 시나리오의 성능 분석 요소는 COM 인터페이스 클라이언트에서의 프로세싱 지연과 메시지 송신주기, 어플리케이션에서의 수신주기, QualNet External Interface에서의 메시지 수신주기를 측정하였으며 어플리케이션 검증을 위한 추가 시뮬레이션을 진행하였다. 프로세싱 지연을 측정하기 위한 시나리오는 50대의 차량 시나리오를 사용하였으며 기타 성능 분석치는 30대 이하의 시나리오에서 시뮬레이션 되었다.
이러한 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 시뮬레이션을 기반으로 하는 테스팅 환경을 구성하였다. 시뮬레이션 테스팅 환경은 External 인터페이스 구현을 통하여 트래픽 시뮬레이터와 네트워크 시뮬레이터를 연동하는 방식으로 구현하였다. 본 논문에서 구현한 External 인터페이스는 정적인 교통시나리오 이외에 동적인 교통 시나리오 환경을 구성 할 수 있도록 트래픽 시뮬레이터를 제어하기 위한 환경 및 인터페이스를 구현 하였다.
본 논문에서는 네트워크 시뮬레이터와 V2X 통신의 어플리케이션 및 통신 프로토콜을 검증하는 시스템을 구현하기 위해 시뮬레이터 연동 인터페이스를 설계하고 구현하였다. 시뮬레이터 인터페이스는 기존의 네트워크 시뮬레이터에서 차량의 움직임을 모델링하기 어려운 문제점을 교통 시뮬레이터를 연동하여 현실적으로 반영할 수 있으며 실시간 시뮬레이션 과정에서 시나리오의 차량을 제어하는 기능을 추가하였다. 또한, IPNE 에뮬레이션 기능을 이용해 외부 시스템 안전 어플리케이션을 가상 노드에 연동하여 검증한 것이 특징이다.

대상 데이터

시뮬레이터를 구성하는 모듈들은 그림 6과 같이 VISSIM 교통 시뮬레이터, QualNet 네트워크 시뮬레이터, VISSIM COM 인터페이스, QualNet External Interface, IPNE, 차량 안전 어플리케이션으로 구성된다.
시뮬레이터의 두 번째 인터페이스는 IPNE(IP Network Emulation)라는 QualNet의 네트워크 에뮬레이션 인터페이스이다. IPNE는 QualNet 시뮬레이터 내부의 가상 노드와 외부 시스템과의 Mapping을 지원하는 모듈로써 안전 어플리케이션이 Qualnet과 연동되어 QualNet내의 가상 노드가 송수신하는 메시지 패킷을 받아서 서비스에 이용할 수 있다.
제안한 시뮬레이션 COM 인터페이스 클라이언트는 차량의 수가 31대를 기준으로 100msec를 초과하는 프로세싱 지연을 나타내기 시작하였다. 따라서, 안정적인 실시간 시뮬레이션을 위해서는 30대 이하의 차량을 이용해 시뮬레이션을 진행할 경우 실시간 지원이 가능한 것으로 분석되었다.
시나리오의 성능 분석 요소는 COM 인터페이스 클라이언트에서의 프로세싱 지연과 메시지 송신주기, 어플리케이션에서의 수신주기, QualNet External Interface에서의 메시지 수신주기를 측정하였으며 어플리케이션 검증을 위한 추가 시뮬레이션을 진행하였다. 프로세싱 지연을 측정하기 위한 시나리오는 50대의 차량 시나리오를 사용하였으며 기타 성능 분석치는 30대 이하의 시나리오에서 시뮬레이션 되었다.

이론/모형

네트워크 시뮬레이터는 네트워크의 상태를 예측하고 분석하기 위한 시뮬레이터로서 일반적으로 패킷 프레임 송수신, 딜레이 분석, 네트워크 성능 분석을 위해 사용된다. 본 논문에서는 네트워크 시뮬레이션을 위해 QualNet[5]을 이용하였다.

성능/효과

제안한 시뮬레이션 COM 인터페이스 클라이언트는 차량의 수가 31대를 기준으로 100msec를 초과하는 프로세싱 지연을 나타내기 시작하였다. 따라서, 안정적인 실시간 시뮬레이션을 위해서는 30대 이하의 차량을 이용해 시뮬레이션을 진행할 경우 실시간 지원이 가능한 것으로 분석되었다.
또한, 안전 어플리케이션에서 COM 인터페이스 클라이언트로 안전 어플리케이션의 버튼을 이용해 메시지를 보낼 경우 VISSIM의 제어 기능을 사용할 수 있었다.
COM 인터페이스 클라이언트의 Processing 딜레이는 그림 8에서와 같이 측정 되었다. 시뮬레이션 시간이 경과할수록 차량의 수가 증가하고 COM 인터페이스 클라이언트에서 처리하는 Processing Delay가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. Processing Delay는 차량의 수에 영향을 받으며 COM 인터페이스 클라이언트의 Processing Delay가 100 msec가 초과될 경우 시뮬레이션의 실시간 연동 지원이 어렵다.
안전 어플리케이션은 시뮬레이션 노드와 매핑되어 자차 정보를 매핑된 가상 노드에 전달하고 가상 노드는 해당 자차 정보 패킷을 네트워크 시뮬레이션 내부의 통신 범위 내 가상노드로 전송한다. 차량 ID 1번, 2번 두 대의 차량을 기준으로 검증하였으며 2번 차량에서 1번 차량과의 충돌을 예상하고 경고하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

11p 기반의 WAVE 통신의 동향과 기술들을 분석해 보았으며 이를 시뮬레이션 하여 V2X 통신을 검증하기 위한 시스템의 동향에 대해서 연구하였다. V2X 기반 차량 통신은 교통사고를 예방하고 차량 혼잡을 줄일 수 있는 기술로 세계적으로 활발히 연구되고 있으며 향후 V2V, V2I 통신뿐만 아니라 V2M, V2P 통신으로 발전하여 운전자에게 편리하고 안전한 주행을 지원할 것이다.
본 논문에서 설계한 연동 인터페이스는 차량 시뮬레이션의 네트워크 프로토콜의 적용 및 성능 분석, 외부 어플리케이션의 동작이 가능하여 향후 실제 차량 단말기와의 연계를 통해 차량 단말기의 동작을 평가할 수 있는 도구로 발전해 나갈 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시뮬레이션 테스팅 환경은 어떠한 문제점을 해결하기 위해 제안되었는가?	이러한 실제 차량을 이용한 검증을 대체할 방법으로 시뮬레이션 검증 방안이 꾸준히 연구되고 있으며 VANET(Vehicular Ad-hoc Network) 시뮬레이터라는 명칭으로 실제 차량의 OBU(On Board Unit)를 이용하는 방법이 아닌 시뮬레이터 내의 노드를 이용한 검증 연구가 진행 되었다. 현재 차량 안전 서비스 또는 어플리케이션을 평가하기 위해 실차 기반의 도로 구축과 통신 장비 구축, 검증 전문 인력 투입을 필요로 하며 많은 비용과 시간을 투입해야하기 때문에 테스트 환경 구축에 따른 많은 비용 또는 자원을 필요로 하게 된다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 시뮬레이션을 기반으로 하는 테스팅 환경을 구성하였다.
	WAVE 통신 검증는 어떠한 특징을 가지는가?	11p/WAVE 표준을 기반으로 한 V2X(Vehicle to X) 통신이라는 명칭으로 주요 기술의 표준화, 개발이 진행된 상황이며 북미와 유럽에서 많은 비용을 투입하여 테스트베드를 구축하고 기술 검증을 진행하는 상황이다. WAVE 통신 검증은 일반적인 모바일, 유무선 네트워크의 검증과는 달리 차량이 고속으로 이동하는 것이 특징이며 기술의 검증을 위해서는 테스트 인프라의 구축, 시험 시나리오의 반복이 필요하지만 자동차의 특성으로 교통사고의 재현이나 운전자의 부주의한 상황을 검증하기에 비용 문제와 안전과 관련한 많은 위험이 따르게 된다.
	V2X 협력통신 시스템이란?	V2X 협력통신 시스템은 차량 운전을 쉽고 안전하게 할 수 있도록 도와주는 융합기술로 실제 교통상황에서 이러한 기술을 평가하고 효과를 예상하기 위해서는 실차 기반의 도로 구축과 통신 장비 구축, 검증 전문 인력 투입을 필요로 하며 많은 비용과 시간을 투입해야한다. 위와 같은 이유로 연구소 및 대학에서는 개발한 시스템을 테스트 하는데 어려움을 겪고 있으며, V2X 장비 개발이 가속화됨에 따라 차량 안전 어플리케이션과 V2X 통신기술을 테스트 할 수 있는 신뢰성 있는 테스트베드 구축에 대한 필요성이 증가하고 있다.

참고문헌 (6)

Hyounseo Oh, "A trend of V2X Communication technology and service", Communications of KIISE Vol.31, Issue 1, 2013.01, p19-24
Kenny J. B. "Dedicated Short-Range Communications (DSRC) Standards in the United States,", Proceedings of the IEEE, Vol.99, Issue 7, Jul. 2011, pp. 1162-1182

상세보기
"Draft ETSI EN 302 663 v1.2.0 : Intelligent Transport systems (ITS); Access layer specification for Intelligent Transport Systems operating in the 5 GHz frequency band", 2012.11
"Dedicated Short Range Communications(DSRC) Message Set Dictionary", J2735, SAE International, 2009.11
QualNet-4.5.1-UsersGuide, Scalable Network Technologies
VISSIM, Netviewer_Support_User_Manual_EN, PTV GROUP

저자의 다른 논문 :

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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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