차량 네트워크, 분산 로봇과 사이버 물리 시스템 등 mission-critical 환경에서 동작하는 서비스들은 기존 서비스에 비해 latency에 대한 요구사항이 훨씬 엄격하다. 그 중 자율주행 차량 간 통신은 급격히 부상하고 있는 애플리케이션 영역으로 수 ms 수준의 엄격한 latency 요구사항을 가진다. 802.11p나 LTE-direct standards를 이용하는 현재 시스템은 이러한 수준의 ultra-low latency를 만족하지 못한다. 현재, 전체 latency의 상당부분을 medium access가 차지하기 때문에, 이 부분의 해결을 위해서는 Layer2를 수정할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 MAC layer에 초점을 맞추어 coordinator에 의한 scheduling 없이 join/leave가 자유로운 Autonomous TDMA(ATDMA)를 고안하여 scalable하면서 latency가 보장되는 MAC을 구현하였다. 또한 WAVE 프로토콜과의 비교를 통해 알고리즘의 성능을 평가하였다.
차량 네트워크, 분산 로봇과 사이버 물리 시스템 등 mission-critical 환경에서 동작하는 서비스들은 기존 서비스에 비해 latency에 대한 요구사항이 훨씬 엄격하다. 그 중 자율주행 차량 간 통신은 급격히 부상하고 있는 애플리케이션 영역으로 수 ms 수준의 엄격한 latency 요구사항을 가진다. 802.11p나 LTE-direct standards를 이용하는 현재 시스템은 이러한 수준의 ultra-low latency를 만족하지 못한다. 현재, 전체 latency의 상당부분을 medium access가 차지하기 때문에, 이 부분의 해결을 위해서는 Layer2를 수정할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 MAC layer에 초점을 맞추어 coordinator에 의한 scheduling 없이 join/leave가 자유로운 Autonomous TDMA(ATDMA)를 고안하여 scalable하면서 latency가 보장되는 MAC을 구현하였다. 또한 WAVE 프로토콜과의 비교를 통해 알고리즘의 성능을 평가하였다.
In mission-critical applications such as vehicular networks, distributed robotics, and other cyber-physical systems, the requirements for latency are more stringent than traditional applications. Among them, autonomous V2V communication is a rapidly emerging domain of applications with a few millise...
In mission-critical applications such as vehicular networks, distributed robotics, and other cyber-physical systems, the requirements for latency are more stringent than traditional applications. Among them, autonomous V2V communication is a rapidly emerging domain of applications with a few milliseconds' latency requirements. Today's systems utilizing 802.11p or LTE-direct standards are not primarily designed for ultra-low latency. Because the medium access function contributes to a significant portion of the total latency, it is necessary to modify Layer2 in order to solve the problem. Focusing on MAC layer, we developed a scalable and latency-guaranteed MAC by devising Autonomous TDMA (ATDMA) in which autonomous joining/leaving is allowed without scheduling by coordinator. We also evaluated the performance of the algorithm by comparing with the WAVE protocol.
In mission-critical applications such as vehicular networks, distributed robotics, and other cyber-physical systems, the requirements for latency are more stringent than traditional applications. Among them, autonomous V2V communication is a rapidly emerging domain of applications with a few milliseconds' latency requirements. Today's systems utilizing 802.11p or LTE-direct standards are not primarily designed for ultra-low latency. Because the medium access function contributes to a significant portion of the total latency, it is necessary to modify Layer2 in order to solve the problem. Focusing on MAC layer, we developed a scalable and latency-guaranteed MAC by devising Autonomous TDMA (ATDMA) in which autonomous joining/leaving is allowed without scheduling by coordinator. We also evaluated the performance of the algorithm by comparing with the WAVE protocol.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한 coordinator를 필요로 하지 않는 TDV의 경우에도 해당 솔루션들이 문제점을 내포하고 있기 때문에 개선이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 access collision 문제를 개선한 TDV 기반 MAC 프로토콜을 고안했으며, 이를 Autonomous TDMA(ATDMA)라 명명하였다. ATDMA에서 사용되는 용어에 대한 정의는 다음의 표와 같다.
11p나 LTE-direct standards의 경우 정면충돌 경고, 교차로 고속 자율 진행 등 수 millisecond 수준의 ultra-low latency가 보장돼야 하는 애플리케이션에는 적합하지 않다. 본 논문에서는 coordinator에 의한 scheduling 없이 join/leave가 자유로운 Autonomous TDMA (ATDMA)기술을 고안하여 scalable하면서 latency가 보장되는 MAC 알고리즘을 연구하였다. 본 논문은 다음과 같이 구성되었다.
11p와 비교를 통해 성능평가를 진행하였다. 수백 ms 수준의 latency requirement를 가지는 802.11p와 수 ms 수준의 latency requirement를 목표로 하는 ATDMA의 비교가 적합하지 않을 수 있으나 상용 시스템과의 성능비교를 통해 feasibility를 점검해보고자 한다. 다수의 차량이 고속으로 교차로를 진행하는 상황을 가정하였으며, 성능평가에 사용된 파라미터는 아래의 표와 같다.
VANET(Vehicular Ad-hoc Network)의 통신방식은 V2X(Vehicle to Infra/Vehicle/Nomadic)로 지칭되며, 차량 간(V2V), 차량과 인프라 간(V2I), 모바일 기기 간 (V2N) 통신으로 구분된다. 이 세 가지 기술 중에서 본 논문에서는 V2V 통신 방식을 기반으로 알고리즘을 고안하였다. IEEE는 차량 네트워크에서 사용을 고려한 802.
가설 설정
11p와 수 ms 수준의 latency requirement를 목표로 하는 ATDMA의 비교가 적합하지 않을 수 있으나 상용 시스템과의 성능비교를 통해 feasibility를 점검해보고자 한다. 다수의 차량이 고속으로 교차로를 진행하는 상황을 가정하였으며, 성능평가에 사용된 파라미터는 아래의 표와 같다.
따라서 ATDMA와 WAVE의 성능비교에서도 이 값을 사용하여, 새로운 메시지를 100 ms 간격으로 생성시켰다. 또한 노드가 해당 네트워크에 들어온 시점에 첫 번째 메시지가 생성된다고 가정했으며, 이로 인해 노드가 네트워크에 진입하면 즉시 join을 시도하게 된다. ATDMA의 경우 한 번 join에 성공하면 frame 내 slot을 할당받으므로, 해당 slot에 전송할 데이터를 보내면 된다.
ATDMA는 frame을 관리하는 별도의 coordinator가 없기 때문에 frame node들은 항상 자신의 slot에 packet을 전송하여 frame을 유지해야한다. 이에 따른 전력 손실이 있겠지만, 자동차 등의 경우 충분한 전력을 가지고 있으므로 이는 문제가 되지 않는다고 가정한다. 무선 환경에서는 송수신을 동시에 할 수 없기 때문에, join node는 join 시도의 성공유무를 다음 frame 관찰을 통해서만 알 수 있다.
제안 방법
전체 latency 중 상당 부분을 MAC layer가 차지하고 있기 때문에 이 부분의 해결이 필요하다. 2장에서 살펴보았듯이 VANET을 위해 다양한 MAC 프로토콜이 제안되었지만, 해당 솔루션들이 각각 문제점을 내포하고 있기 때문에, 본 논문에서는 이들을 해결하고자 coordinator에 의한 scheduling 없이 join/leave가 자유로운 ATDMA 알고리즘을 제안하고 WAVE의 MAC 프로토콜인 IEEE 802.11p와 비교를 통해 성능평가를 진행하였다. 평가 결과 WAVE에 비해 latency측면에서 훨씬 좋은 성능을 보여주었다.
차량 안전 애플리케이션에서는 주기적으로 BSM(Basic Safety Message)를 broadcast하는 데, 이때 message interval로 100 ms를 사용하고 있다. 따라서 ATDMA와 WAVE의 성능비교에서도 이 값을 사용하여, 새로운 메시지를 100 ms 간격으로 생성시켰다. 또한 노드가 해당 네트워크에 들어온 시점에 첫 번째 메시지가 생성된다고 가정했으며, 이로 인해 노드가 네트워크에 진입하면 즉시 join을 시도하게 된다.
차후 연구를 통해 frame node 수 증가에 따라 frame을 효율적으로 관리하는 알고리즘을 추가하여, vehicle density에 latency가 영향을 덜 받도록 한다. 또한 본 논문에서는 단일 frame에 대한 환경만을 고려했는데, 후속 연구에서는 여러 frame이 공존하는 환경에서 정상적으로 동작하며, hidden node와 merging collision에 강인하도록 알고리즘을 확장하고, 이에 대한 성능평가도 수행하도록 한다.
데이터처리
본 논문에서 제안한 MAC 알고리즘 검증을 위해 Visual Studio와 MATLAB을 사용하여 WAVE의 MAC 프로토콜인 IEEE 802.11p와 비교를 통해 성능평가를 진행하였다. 수백 ms 수준의 latency requirement를 가지는 802.
성능/효과
ATDMA는 retry rate가 0으로 join 시도가 모두 성공했지만, WAVE의 경우 ATDMA 보다 높은 retry rate를 보이며, retry로 인한 latency 증가가 적지 않음을 알 수 있다. 또한 retry rate가 vehicle density와 무관한 양상을 하고 있기 때문에 retry로 인해 어느 정도 latency가 증가하는 지 예측하기 어렵다.
또한 아래 그림에 나타났듯이 vehicle density가 높아짐에 따라 증가된 평균 latency에 비해 WAVE의 latency가 전반적으로 큰 값을 가진다. 따라서 평균 latency 측면에서는 ATDMA가 전반적으로 더 좋은 성능을 보인다.
이런 환경 속에서 CH를 뽑는 과정이나 클러스터 멤버를 유지하는 일은 오버헤드를 발생시키므로, TCBT 방식은 이를 해결할 필요가 있다[1]. 세 번째, 중앙집중식 토폴로지에서 동작하는 MAC 프로토콜(TDMA-based MAC protocols in a centralized topology, TCT)은 RSU를 이용하여 slot을 할당하고 제어정보를 전파시켜 채널 할당 지연과 스케줄링 오버헤드를 줄인다. 전송할 메시지를 가진 노드들이 RSU에 slot을 요청하면, RSU는 노드들에게 slot을 할당하고, 최종 slot allocation map을 모든 노드들에게 broadcast한다.
11p와 비교를 통해 성능평가를 진행하였다. 평가 결과 WAVE에 비해 latency측면에서 훨씬 좋은 성능을 보여주었다. 실험에 사용된 파라미터 중 100ms의 메시지 생성 간격을 좀 더 작게 설정하여 ultra-low latency 환경에 더욱 가깝도록 실험환경을 개선해 볼 필요도 있다.
후속연구
ATDMA는 TDMA 기반이기 때문에, vehicle density가 증가하면 자연히 latency가 증가할 수밖에 없다. 차후 연구를 통해 frame node 수 증가에 따라 frame을 효율적으로 관리하는 알고리즘을 추가하여, vehicle density에 latency가 영향을 덜 받도록 한다. 또한 본 논문에서는 단일 frame에 대한 환경만을 고려했는데, 후속 연구에서는 여러 frame이 공존하는 환경에서 정상적으로 동작하며, hidden node와 merging collision에 강인하도록 알고리즘을 확장하고, 이에 대한 성능평가도 수행하도록 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
VANET의 통신 방식은 어떻게 구분되는가?
VANET(Vehicular Ad-hoc Network)의 통신방식은 V2X(Vehicle to Infra/Vehicle/Nomadic)로 지칭되며, 차량 간(V2V), 차량과 인프라 간(V2I), 모바일 기기 간 (V2N) 통신으로 구분된다. 이 세 가지 기술 중에서 본 논문에서는 V2V 통신 방식을 기반으로 알고리즘을 고안하였다.
CSMA 방식에서 나타나는 문제점은 무엇인가?
11p는 무선으로 전송되는 패킷의 충돌을 줄이기 위해 CSMA/CA와 random back-off를 사용한다. CSMA 방식은 unbounded latency와 broadcast storm 문제를 야기하며[2], 최근 연구에 따르면 노드 밀집도가 올라갈 경우 ALOHA 수준의 열악한 성능을 보이게 된다[4]. 이러한 CSMA 방식의 문제점을 해결하고, 채널 접근 신뢰도와 효율성을 높이기 위해, CDMA(Code Division Multiple Access), SDMA(Space Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access) 등을 기반으로 하는 MAC 프로토콜이 제안되었으며, 이 중 TDMA 기반 MAC에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다[5].
VeMAC에서 나타날 수 있는 문제점은 무엇인가?
VeMAC은 contention-free, 멀티채널 MAC 프로토콜로 효율적인 한 홉과 멀티 홉 broadcast 서비스를 지원하며, deterministic access delay와 scalability를 제공한다. 하지만, slot 할당을 위해 한 frame 동안 채널을 감지해야 되고, 2개 이상의 노드가 동일한 slot을 선택할 수 있기 때문에 access collision이 발생할 수밖에 없다[1]. CS-TDMA는 broadcast 성능을 개선하기 위해 CSMA에 TDMA와 SDMA를 결합한 멀티채널 MAC 프로토콜로 다른 멀티채널 프로토콜과 달리 CCH와 SCH 간격 간 비율을 traffic density에 따라 동적으로 적응하였다.
참고문헌 (11)
Hadded, Mohamed, et al. "TDMA-Based MAC Protocols for Vehicular Ad Hoc Networks: A Survey, Qualitative Analysis, and Open Research Issues." IEEE Communications Surveys & Tutorials 17.4 (2015): 2461-2492. DOI: https://doi.org/10.1109/COMST. 2015.2440374
Kawakami, Tomotaka, and Koji Kamakura. "Modified TDMA-based MAC protocol for vehicular ad hoc networks." Pervasive Computing and Communication Workshops (PerCom Workshops), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/PERCOMW.2015.7134000
Omar, Hassan Aboubakr, Weihua Zhuang, and Li Li. "VeMAC: A TDMA-based MAC protocol for reliable broadcast in VANETs." IEEE Transactions on Mobile Computing 12.9 (2013): 1724-1736. DOI: https://doi.org/10.1109/TMC.2012.142
Wu, Xinzhou, et al. "Vehicular Communications Using DSRC: Challenges, Enhancements, and Evolution." IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS 31.9 (2013): 399. DOI: https://doi.org/10.1109/JSAC.2013.SUP.0513036
Zhang, Lin, et al. "A scalable CSMA and selforganizing TDMA MAC for IEEE 802.11 p/1609. x in VANETs." Wireless Personal Communications 74.4 (2014): 1197-1212. DOI: https://doi.org/10.1007/s11277-013-1572-3
Kim, Hoyeon. "Feasilibily Study of Cellular Communications as Vehicular Network Services." Master's Thesis, Seongkyunkwan Univ., 2013.
Guo, Weijie, et al. "An adaptive collision-free MAC protocol based on TDMA for inter-vehicular communication." Wireless Communications & Signal Processing (WCSP), 2012 International Conference on. IEEE, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/WCSP.2012.6542833
Su, Hang, and Xi Zhang. "Clustering-based multichannel MAC protocols for QoS provisionings over vehicular ad hoc networks." IEEE Transactions on Vehicular Technology 56.6 (2007): 3309-3323. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2007.907233
Abdalla, Ghassan M., Mosa Ali Abu-Rgheff, and Sidi-Mohammed Senouci. "Space-orthogonal frequency-time medium access control (SOFT MAC) for VANET." 2009 Global Information Infrastructure Symposium. IEEE, 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/GIIS.2009.5307071
Park, Hye-bin and Joung, Jinoo. "An Energy Efficient Re-clustering Algorithm in Wireless Sensor Networks", The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol.15 No.3, 2015, pp.155-161. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2015.15.3.155
Lim, Naeun and Joung, Jinoo. "A Study on Efficient Routing Method with Location-based Clustering in Wireless Sensor Networks", The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol.15 No.6, 2015, pp.103-108. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2015.15.6.103
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.