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문제 정의
- WAVE 통신의 최대 전송속도를 확인하기 위하여 Throughput 측정 시험을 진행하였다. Throughput 측정은 I2V 통신에 대해 data rate 별로 측정하였으며, 본 논문에서는 C－ITS V2X 서비스의 기본 메시지 data rate인 6Mbps와 이동서비스가 가능한 최대 data rate인 18Mbps에 대한 결과를 기술한다.(시험 결과 64－QAM 변조방식인 data rate 24, 27Mbps는 PER이 높고 통신거리가 짧아 차량 주행 환경에서는 적용하기 어려운 것으로 판단된다.
- 본 논문에서는 스마트하이웨이 테스트베드 상에서 V2X 통신성능을 실험적으로 분석한 결과를 보이고자 하며, 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 스마트하이웨이에 대해 소개하고, 3장에서는 스마트하이웨이 테스트베드에서 수행한 성능시험 및 분석 방안, 4장에서는 성능시험 결과를 보이며, 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.
- 본 논문에서는 실제 도로 상에서 V2X 통신성능시험을 수행하기 위한 절차 및 방법을 제시하였으며, 이를 기반으로 비공용도로 테스트베드 및 공용도로 테스트 베드 상에서 수행한 V2X 통신성능 시험 결과를 보였다.
- C－ITS 서비스들의 종류와 특성은 다양하며, 그 중 V2X 통신 기반 서비스의 경우 각 서비스 별 요구사항이나 정보량 등에 따라 무선통신구간에서 사용되는 전송파라미터가 달라질 수 있다. 본 절에서는 메시지길이 및 data rate의 변화에 따른 공용도로상에서의 통신 성능 변화를 분석함으로써, 향후 V2X 서비스 요구사항 및 사양 도출 시 참고할 수 있는 레퍼런스 데이터를 제공하고자 한다.
제안 방법
- (서울 TG~수원 IC)을 반복하여 왕복 주행 시험결과는 각 시험 및 왕복 회차에 대한 결과를 통합하여 분석하였으며, [Fig. 10~12]는 전송파라미터별 성능을 나타낸다. 결과에서 볼 수 있듯이, 각 성능지표에 대한 성능은 메시지 길이 및 data rate에 따라 크거나 작은 영향을 받는다.
- I2V와 V2V 통신에 대해 data rate 별 최대통신범위와 평균PER 성능을 측정하였다. 송신용 차량과 기지국은 1000바이트 길이의 메시지를 data－rate 3, 4.
- Throughput 시험은 오픈소스 측정 툴인 JPerf를 이용하여 수행한다[14]. RSE 및 OBE의 랜 포트에 각각 측정 툴이 설치된 노트북을 각각 연결하고, 해당 노트북 사이에서 Throughput 측정용 데이터를 WAVE 통신으로 교환하여 Throughput을 측정한다.
- V2X 통신기술과 관련하여 비공용도로 테스트베드에는 5식의 RSE(Road－Side Equipment)가 설치되었으며, 시험용 OBE(On－Board Equipment)를 이용한 통신 성능 및 서비스 검증이 수행되었다. 공용도로 테스트베드에서 RSE는 본선 상 노변에 7개소, 서울TG 및 수원영업소에 각각 1개소 씩 총 9개소가 설치되었으며, OBE는 해당 고속도로 구간을 자주 이용하는 버스와 일반인 사용자를 포함한 100대의 차량에 배포되었다.
- V2X 통신시스템의 기본 성능을 확인하고 실제 도로 환경에서의 통신 성능을 분석하기 위하여 비공용도로 및 공용도로 테스트베드 상에서 주행시험을 수행하였다.
- V2X통신성능지표에 관련된 성능을 측정하기 위한 구현 기능 및 분석 방안을 정의하였으며, 공용도로 테스트베드 시험을 위한 서비스 기반 주행 시나리오를 정의하였다.
- WAVE 통신의 최대 전송속도를 확인하기 위하여 Throughput 측정 시험을 진행하였다. Throughput 측정은 I2V 통신에 대해 data rate 별로 측정하였으며, 본 논문에서는 C－ITS V2X 서비스의 기본 메시지 data rate인 6Mbps와 이동서비스가 가능한 최대 data rate인 18Mbps에 대한 결과를 기술한다.
- 공용도로 테스트베드에서는 V2X통신성능지표에 대한 전송파라미터별 성능 측정과 더불어 현재 제공 중인 서비스 시나리오에 따른 성능 측정을 수행하였다. 공용도로 테스트베드에서 제공 중인 서비스는 통신 형태에 따라 인프라로부터 정보를 제공받는 I2V 서비스, 고정차량으로부터의 V2V 경고 서비스, 이동 차량들 간의 V2V 메시지 교환 서비스로 분류되며 위 분류에 따라 3가지 주행 시나리오를 정의하여 시험을 수행하였다.
- 비공용도로 테스트베드에서는 통신시스템의 기본 성능을 시험하기 위해 V2X통신성능지표에 대한 전송파라미터별 성능과 Throughput 성능을 측정하였다. 공용도로 테스트베드에서는 V2X통신성능지표에 대한 전송파라미터별 성능 측정과 더불어 현재 제공 중인 서비스 시나리오에 따른 성능 측정을 수행하였다. 공용도로 테스트베드에서 제공 중인 서비스는 통신 형태에 따라 인프라로부터 정보를 제공받는 I2V 서비스, 고정차량으로부터의 V2V 경고 서비스, 이동 차량들 간의 V2V 메시지 교환 서비스로 분류되며 위 분류에 따라 3가지 주행 시나리오를 정의하여 시험을 수행하였다.
- 국토교통부 및 한국도로공사는 스마트하이웨이 연구에서 개발된 기술의 완성도를 실제 도로 상에서 검증하기 위해 비공용도로와 공용도로 상에 각각 테스트베드를 구축하였다.
- 본 절에서는 비공용도로와 공용도로에서 측정된 V2X 통신성능을 비교한다. 공용도로는 비공용도로와 다르게 도로의 기하구조나 지형의 굴곡, 도로시설물 및 주변차량 등으로 인해 LOS 확보가 어렵고 다중경로페이딩현상에 많은 영향을 받는다.
- 비공용도로 테스트베드에서는 통신시스템의 기본 성능을 시험하기 위해 V2X통신성능지표에 대한 전송파라미터별 성능과 Throughput 성능을 측정하였다. 공용도로 테스트베드에서는 V2X통신성능지표에 대한 전송파라미터별 성능 측정과 더불어 현재 제공 중인 서비스 시나리오에 따른 성능 측정을 수행하였다.
- 비공용도로 테스트베드에서의 성능시험은 통신시스템 본연의 성능을 측정하는 데 중점을 두었으나, 공용도로 테스트베드에서는 실제 도로에서의 서비스 제공 환경에 대한 통신 성능의 수준 및 변화를 분석하는 데 중점을 두어 테스트를 수행하였다.
- 비공용도로 테스트베드에서의 시험은 I2V 통신 및 V2V 통신에 대해 각각 수행되었으며, 세부적인 시험환경은 다음과 같다.
- I2V와 V2V 통신에 대해 data rate 별 최대통신범위와 평균PER 성능을 측정하였다. 송신용 차량과 기지국은 1000바이트 길이의 메시지를 data－rate 3, 4.5, 6, 9, 12, 18, 24, 27Mbps로 실시간 변경하면서 전송하며, 수신차량에 저장된 로그를 분석하여 성능을 측정하였다. 시험에 사용된 메시지 길이와 data rate는 WAVE 통신기술의 물리계층 표준인 IEEE 802.
- 송신차량과 기지국은 150, 600, 1000, 1400바이트 길이의 메시지를 data rate 3, 6, 12, 27Mbps로 실시간 변경하면서 전송하며, 수신차량에 저장된 로그를 분석하여 성능을 측정한다.
- 시험 종료 후 각 차량에 저장된 로그를 분석하여 통신성능을 확인한다.
- 시험결과는 모든 차량의 각 시험 및 왕복 회차에 대한 결과를 통합하여 분석하였다.
- 시험을 위한 기본적인 주행 시나리오는 OBE 장착차량이 RSE 또는 또 다른 OBE 장착차량의 통신 영역을 반복하여 왕복 주행하면서 수신된 메시지를 로그 저장하거나 Throughput을 측정하는 것이며, 공용도로 테스트베드에서 실행된 서비스 기반 시험을 위해 다음과 같은 서비스 기반 주행 시나리오를 추가로 정의하였다.
- 또한 각 서비스는 서비스의 요구사항 및 정보량에 따라 다양한 전송파라미터를 가질 수 있으므로 V2X 서비스를 실제 도로 상에 구현하기 위해서는 실 도로 상에서의 전송파라미터에 따른 통신 특성과 한계를 파악할 필요가 있다. 이를 위해 스마트하이웨이 연구에서는 공용도로 및 비공용도로 상에 테스트베드를 구축하여 V2X 통신 시스템의 성능 검증을 수행하고 있으며, 다양한 시나리오에 기반을 둔 시험을 통해 향후 V2X 서비스 요구사항 및 사양 도출 시 참고할 수 있는 레퍼런스 데이터를 제공하고자 하고 있다.
대상 데이터
- V2X 통신기술과 관련하여 비공용도로 테스트베드에는 5식의 RSE(Road－Side Equipment)가 설치되었으며, 시험용 OBE(On－Board Equipment)를 이용한 통신 성능 및 서비스 검증이 수행되었다. 공용도로 테스트베드에서 RSE는 본선 상 노변에 7개소, 서울TG 및 수원영업소에 각각 1개소 씩 총 9개소가 설치되었으며, OBE는 해당 고속도로 구간을 자주 이용하는 버스와 일반인 사용자를 포함한 100대의 차량에 배포되었다. 또한 도로 돌발상황 감지용 레이더와 카메라 시스템이 각각 4개소, 2개소 설치되어 운영센터 및 RSE에 연계되었다[9].
- 또한 실제 도로 환경에서 다양한 전송파라미터별 통신성능을 확인함으로써 향후 V2X 기반 서비스 설계 시, 현실성 있는 시스템 요구사항 및 사양을 도출하기 위한 레퍼런스 데이터를 확보하였다.
- 비공용도로 테스트베드는 폐쇄된 시험전용도로로써 중부내륙고속도로 여주분기점 인근 7.7km 길이의 도로 상에 구축하였으며, 공용도로 테스트베드는 경부고속도로 서울TG에서 수원IC까지의 약 11km 구간 내 실제 고속도로 상에 구축하였다[8].
데이터처리
- 시험결과는 각 시험 및 왕복 회차에 대한 결과를 통합하여 분석하였으며, [Fig. 8]은 전송파라미터에 따른 최대통신범위 및 평균PER 성능을 나타낸다. 결과에 따르면, 최대통신범위와 평균 PER 성능은 data rate에 영향을 받으며, 12Mbps까지는 영향의 정도가 미약하고, 18Mbps부터 크게 영향을 받는 것을 알 수 있다.
이론/모형
- Throughput 시험은 오픈소스 측정 툴인 JPerf를 이용하여 수행한다[14]. RSE 및 OBE의 랜 포트에 각각 측정 툴이 설치된 노트북을 각각 연결하고, 해당 노트북 사이에서 Throughput 측정용 데이터를 WAVE 통신으로 교환하여 Throughput을 측정한다.
- 5, 6, 9, 12, 18, 24, 27Mbps로 실시간 변경하면서 전송하며, 수신차량에 저장된 로그를 분석하여 성능을 측정하였다. 시험에 사용된 메시지 길이와 data rate는 WAVE 통신기술의 물리계층 표준인 IEEE 802.11p 문서에 정의된 바를 따랐다.
성능/효과
- 5km 이하로 측정되었다. 결과에 따르면, 메시지의 길이보다는 data rate가 최대통신거리 성능에 영향을 더 주는 것을 알 수 있다.
- 8]은 전송파라미터에 따른 최대통신범위 및 평균PER 성능을 나타낸다. 결과에 따르면, 최대통신범위와 평균 PER 성능은 data rate에 영향을 받으며, 12Mbps까지는 영향의 정도가 미약하고, 18Mbps부터 크게 영향을 받는 것을 알 수 있다.
- 결과적으로, data rate 및 메시지 길이가 증가할수록 전체적인 성능은 감소하고 있으며, 특히 27Mbps의 경우에는 실제 도로에서 운행 중에 사용하기에 충분한 성능이 확보되지 않았다.
- 현재 제공 중인 C－ITS 서비스의 기본 메시지 전송파라미터인 메시지길이 150바이트, data rate 6Mbps를 기준으로 측정된 시험 결과는 양호한 수준으로, 현 단계에서의 C－ITS 서비스를 위한 통신성능을 충분히 확보한 것으로 판단된다. 국내에서는 최대통신거리 1km, 평균통신지연 100msec, 평균 PER 10%를 기본 V2X통신성능지표 목표로 삼고 있으며, 시험 결과 성능 목표를 충분히 만족함을 확인할 수 있었다.
- 비공용도로 시험 결과, 최대통신거리는 I2V 1.8km, V2V 930m가 측정되었으며, 평균PER은 I2V 0.39%, V2V 0.51%가 측정되어 매우 우수한 성능을 보였다. 또한 유효통신 구간 내에서 주행 시 최대 평균 Throughput은 약 10Mbps로 측정되었다.
- 비교 결과와 같이 공용도로 상에서는 비공용도로와 다르게 도로의 기하구조나 지형의 굴곡, 도로시설물 및 주변차량으로 인해 LOS 확보가 어려우며, 이러한 점이 성능에 많은 차이를 주고 있음을 알 수 있다. 실제 주행환경에서는 주변 환경이 끊임없이 변화하여 LOS 확보 상황 및 변화를 특정 지을 수 없으므로 실 도로환경에서의 통신성능을 추정하기 위해서는 다수의 시험을 반복하여 대량의 데이터를 기반으로 전반적인 추세를 확인하여야 한다.
- 또한 유효통신 구간 내에서 주행 시 최대 평균 Throughput은 약 10Mbps로 측정되었다. 서비스 시나리오를 기반으로 한 공용도로 시험 결과, 최대통신거리 I2V 평균 1.7km, V2V 평균 1km, 평균통신지연 I2V 0.8msec, V2V 1.35msec, 평균PER I2V 7.63%, V2V 2.83%가 측정되어 양호한 성능을 보였다.
- 시험 결과, 통신범위 500m 내에서 평균 10Mbps까지의 정보를 전송할 수 있음을 알 수 있다.
- 시험 결과에 따르면, 유효통신범위인 500m 통신거리 내에서, 비공용도로의 경우 매우 안정적으로 변화 없는 성능을 보인다. PER의 추세선은 고르게 표현되며 각 개별 PER성능 값 역시 추세선 근처에 분포되어 있다.
- 실험 결과에 따라 비공용도로 및 공용도로 테스트베드에서 모두 기본적인 성능을 만족함을 알 수 있었으나, 비공용도로와 공용도로 사이에는 지형지물이나 도로구조, 도로시설물 등으로 인한 LOS 확보 여건 등의 차이로 성능의 편차가 발생하는 것으로 나타났다.
- 최대통신거리는 data rate가 증가할수록 감소하며 I2V의 경우 3~12Mbps로 전송 시 직경 1.5~2km, 18Mbps로 전송 시 직경 1~1.5km, 27Mbps로 전송 시 직경 1km 이하로 측정되었으며, V2V의 경우 3~18Mbps로 전송 시 반경 0.5~1km, 24Mbps 이상으로 전송 시 반경 0.5km 이하로 측정되었다.
- 평균 PER은 메시지 길이 및 data rate가 증가할수록 증가하며, 메시지의 길이보다는 data rate가 평균 PER 성능에 영향을 더 주는 것을 알 수 있다. I2V의 경우, 3~6Mbps의 낮은 data rate와 150바이트 정도의 단문 메시지 정도가 유효통신범위 내에서 PER 10% 미만의 성능을 만족하는 것을 알 수 있으며, V2V의 경우, 경우에 따라 메시지 길이 1000바이트 및 12Mbps까지도 PER 10% 미만의 성능을 만족하는 결과가 나타난다.
- 평균PER은 data rate가 증가할수록 증가하며, 12Mbps까지는 약 1% 정도의 매우 우수한 성능을 보이고 18Mbps부터는 가파르게 증가한다.
- 현재 제공 중인 C－ITS 서비스의 기본 메시지 전송파라미터인 메시지길이 150바이트, data rate 6Mbps를 기준으로 측정된 시험 결과는 양호한 수준으로, 현 단계에서의 C－ITS 서비스를 위한 통신성능을 충분히 확보한 것으로 판단된다. 국내에서는 최대통신거리 1km, 평균통신지연 100msec, 평균 PER 10%를 기본 V2X통신성능지표 목표로 삼고 있으며, 시험 결과 성능 목표를 충분히 만족함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 제시된 시험 절차 및 방법을 활용하여 도로 상에서의 V2X 통신성능에 대한 기본적인 분석이 가능하며 해당 결과를 기반으로 시스템의 성능 수준과 개선점을 파악할 수 있고, 통신 시스템 성능에 관련된 인증 절차에도 활용될 수 있다. 또한 본 논문에서 다룬 성능지표 외에 추가적인 성능지표 정의 시에도 실험 시 저장된 로그를 다시 활용하여 다양한 분석 결과를 도출할 수 있다.
- 현재 테스트베드에서는 약 150~200바이트의 메시지가 6Mbps의 data rate로 전송되고 있다. 이 수준의 단문 메시지는 통신거리 500m 내에서 PER 10% 이하의 통신신뢰성을 바탕으로 안전서비스에 적용될 수 있을 것으로 보이며, 인포테인먼트 등 대용량의 메시지가 필요한 서비스의 경우에는 시험 결과를 바탕으로 통신용량 및 통신범위 등 품질 수준을 설계하고, 적절한 data rate와 메시지 길이 정의 및 재전송 기법 등의 적용을 고려할 필요가 있다.
- 제시된 시험 절차 및 방법을 활용하여 도로 상에서의 V2X 통신성능에 대한 기본적인 분석이 가능하며 해당 결과를 기반으로 시스템의 성능 수준과 개선점을 파악할 수 있고, 통신 시스템 성능에 관련된 인증 절차에도 활용될 수 있다. 또한 본 논문에서 다룬 성능지표 외에 추가적인 성능지표 정의 시에도 실험 시 저장된 로그를 다시 활용하여 다양한 분석 결과를 도출할 수 있다.
- 향후에는 보다 다양한 환경 파라미터들을 접목하여 도로에서 발생할 수 있는 다양한 상황에 대한 통신성능 검증을 수행함으로써, 보다 신뢰성 있고 포괄적인 성능검증 결과를 확보할 필요가 있다.
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