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고속도로 환경에서 군집주행 서비스 요구사항에 대한 WAVE 통신시스템 성능 분석
WAVE System Performance for Platooning Vehicle Service Requirements Under Highway Environments 원문보기

韓國ITS學會 論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.16 no.1, 2017년, pp.147 - 156  

송유승 (한국전자통신연구원 자율주행시스템연구그룹) ,  최현균 (한국전자통신연구원 자율주행시스템연구그룹)

초록
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본 논문에서 군집주행 서비스를 위해 단체표준에서 정의한 서비스 요구사항을 근거로 하여 WAVE 통신시스템의 성능을 분석하였다. 통신시스템의 주요 성능 파라미터로 제시되는 패킷 에러율지연시간 요구조건은 군집으로 주행하는 차량의 제어와 안전을 보장하기 위해 반드시 만족되어야 한다. 실험 시나리오는 크게 군집으로 주행차량들만 존재하는 경우, 통신 반경 내에 다른 간섭차량들이 존재하는 경우 그리고 통신범위 밖에 히든차량들이 존재하는 경우로 나누어 패킷 에러율과 평균지연시간을 분석하였다. 패킷 에러율과 지연시간은 앞에서 언급한 차량들의 토폴로지와 차량 주행속도 그리고 통신반경을 고려하여 모델링 하였다. 수치적 분석 결과는 패킷의 크기, 패킷 생성 주기 그리고 전송속도에 대해 수행되었다. 결론적으로 각 표준에서 정의한 군집주행 성능요구사항에 대해 WAVE 통신 시스템이 제공할 수 있는 안정적인 패킷 성공률과 지연시간 등에 대한 범위를 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper analyzes the performance limit of WAVE system for the platooning service requirements which is referred from the de facto standards. The performance of the packet error rate and mean delay as key parameters in the wireless communication systems should be satisfied to provide safety to the...

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

  • 각 차량노드에서 생성되는 방송메시지는 포이즌 프로세스를 따르며 매 초당 λ의 주기로 데이터 패킷을 버퍼에 저장하고 각 차량노드의 버퍼는 M/G/1/∞ 모델을 가진다고 가정한다.
  • 군집으로 주행하는 차량노드들과 통신범위 안팎의 범위에서 차량노드들이 함께 공존하는 고속도로 환경을 가정한다. 차량에 탑재된 통신장치들의 성능, 통신반경(Rc) 그리고 전파감지 반경은 모두 동일하다고 가정한다.
  • 본 연구에서 살펴본 바와 같이 차량용 통신시스템은 고속도로 환경에서 군집주행 서비스를 지원하기 위한 각국의 단체표준에서 정의된 성능요구사항을 일부분 만족할 수 있으나 높은 방송주기나 500바이트 이상의 패킷을 안정적으로 전송하기 위해서는 패킷의 전송효율을 개선하고 간섭신호 회피를 위한 추가적인 연구개발이 요구된다. 또한 본 논문에서는 수 미터 이하의 매우 근접한 거리를 유지하며 군집으로 주행하는 차량 들이 낮은 데이터 전송율(12Mbps 이하)로 통신할 경우 충분히 큰 신호 대 잡음비를 확보할 수 있음을 가정하여 채널로 인한 패킷 손실을 무시하고 확보한 패킷충돌손실 성능을 표준에서 제시하는 패킷에러율 값에 적용을 하였다. 그러나 군집주행에서 차량간 거리가 수십 미터로 증가 시 채널 손실을 무시할 만큼의 충분한 신호 대 잡음비를 확보하는 것이 어렵게 됨으로 이러한 경우 패킷 에러율은 패킷들 간 충돌로 인한 손실과 채널로 인한 손실을 함께 고려한 분석이 향후 연구과제로 남아있다.
  • 일반적으로 고속도로에서 주행하는 차간 안전거리(Ds)는 속도에 비례하여 증가하지만 군집으로 주행하는 차간의 거리는 센서와 통신을 통해 최대 1~2m 정도까지 거리를 유지할 수 있다. 본 논문에서는 군집으로 주행하는 차간의 거리를 1m로 가정하며 최대 5개까지의 군집주행 차량의 수를 제한한다. 따라서 차량의 길이가 5m라고 가정할 경우 군집주행에 참여하는 차량의 총 길이는 대략 30m가 된다.
  •  예를 들어 차량이 시속 100km/h의 속도로 주행 시 수식(1)에 의해 차간안전거리는 90m이다. 본 논문에서는 군집으로 주행하는 차량노드 이외의 차량들은 안전거리를 유지하고 균일하게 분포한다고 가정한다. 통신반 경과 차간 안전거리에 비해 군집으로 주행하는 차량들의 총거리가 상대적으로 미비함으로 하나의 노드로 가정할 경우 앞서 정의한 Nm 은 다음과 같이 구해진다.
  • 본 장에서는 [Table 1]에서 제시된 군집주행 통신 요구사항을 참고로 하여 주어진 고속도로 환경에서 패킷에러율(Packet Error Rate)과 평균지연시간을 분석한다. 본 장에서는 통신반경이 300미터인 근거리 통신환경에서 높은 신호 대 잡음비(Signal to Nose Ratio)를 갖는 경우를 가정하여 패킷의 에너지 감소로 인한 손실은 무시하며 단지 패킷간 충돌로 인한 손실(Packet Collision Rate)만을 패킷에러율의 주원인으로 고려한다. 따라서 본 장에서 분석하는 패킷충돌손실의 성능을 [Table 1]에서 제시된 패킷에러율 요구사항과 비교분석을 실시한다.
  • 군집으로 주행하는 차량노드들과 통신범위 안팎의 범위에서 차량노드들이 함께 공존하는 고속도로 환경을 가정한다. 차량에 탑재된 통신장치들의 성능, 통신반경(Rc) 그리고 전파감지 반경은 모두 동일하다고 가정한다. [Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
군집주행과 같은 안전한 주행서비스을 제공하기 위해 중요한 것은 무엇인가? 특히 군집주행의 경우 차량간 통신을 통해 차간 거리를 좁혀서 주행이 가능함으로 도로의 효율성과 차량의 연비를 크게 개선할 수 있는 획기적인 서비스라고 할 수 있다. 이러한 안전한 주행서비스를 제공하기 위해서는 센서의 정확도와 통신장치의 신뢰성이 매우 중요하다. 차량의 속도와 차간거리를 고려하여 차량들이 방송하는 안전메시지의 지연시간은 수십ms 이내로 도달하여야 하며 전송 성공률도 99.
패킷 에러율과 지연시간 요구조건이 반드시 만족되어야 하는 이유는 무엇인가? 본 논문에서 군집주행 서비스를 위해 단체표준에서 정의한 서비스 요구사항을 근거로 하여 WAVE 통신시스템의 성능을 분석하였다. 통신시스템의 주요 성능 파라미터로 제시되는 패킷 에러율과 지연시간 요구조건은 군집으로 주행하는 차량의 제어와 안전을 보장하기 위해 반드시 만족되어야 한다. 실험 시나리오는 크게 군집으로 주행차량들만 존재하는 경우, 통신 반경 내에 다른 간섭차량들이 존재하는 경우 그리고 통신범위 밖에 히든차량들이 존재하는 경우로 나누어 패킷 에러율과 평균지연시간을 분석하였다.
군집주행에 참여하는 차량노드들과 주변 다수의 차량노드들이 차량통신에 간섭을 주는 환경에서 차량간 통신환경을 모델링할 때 필요한 가정은 무엇인가? 군집으로 주행하는 차량노드들과 통신범위 안팎의 범위에서 차량노드들이 함께 공존하는 고속도로 환경을 가정한다. 차량에 탑재된 통신장치들의 성능, 통신반경(Rc) 그리고 전파감지 반경은 모두 동일하다고 가정한다. [Fig.
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참고문헌 (16)

  1. 3GPP TR 22.886(2016), Study on enhancement of 3GPP support for 5G V2X services (Release 15). 

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  10. Nguyen H. H., Adhiya B. and Jeong H. Y.(2012), "An analysis for the efficient dissemination of beacon messages in vehicle-to-vehicle communications," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, vol. 37, pp.483-491. 

  11. Pravin Shankar, et al.(2008), "CARS: context-aware rate selection for vehicular networks," IEEE international conference on Network Protocols. 

  12. Razvan S., et al.(2011), "Enhancements of IEEE802.11p protocol for access control on a VANET control channel," IEEE international conference on communications. 

  13. Rober S., et al.(2011), "Advanced carrier sensing toresolve local channel congestion," the 8th ACM international workshop on vehicular inter-networking(VANET). 

  14. SAE international J3016, Sep 2016. 

  15. TTA(2016), V2X communication requirement for cooperative autonomous driving. 

  16. U.S. Department of Transportation, http://www.its.dot.gov/landing/cv.htm, 2016.12.19. 

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