[논문]차량용 무선통신기술(WAVE)의 해상적용에 관한 연구

강원식; 전순배; 김영두

doi:10.7837/kosomes.2018.24.4.445

차량용 무선통신기술(WAVE)의 해상적용에 관한 연구
A Study on Marine Application of Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) Communication Technology 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.24 no.4, 2018년, pp.445 - 450

강원식 (선박안전기술공단) , 전순배 ((주)이씨스) , 김영두 (선박안전기술공단)

초록
AI-Helper

AIS는 상대선박의 식별 및 정보 등의 전송을 담당하는 주요 항해통신설비이지만, 최근 AIS 활용도의 증가로 과부하 문제 등 문제점이 대두되고 있다. 정부는 SMART-Navigation 사업 추진의 일환으로 연안 100 km에 무선 LTE망을 도입하는 계획을 수립 중에 있고 해양사고예방 및 환경보호 등 주요 목표를 달성하기 위해서는 이러한 Platform 위에 이용 가능한 서비스의 지속적인 개발 보급이 필요할 것이다. 본 연구에서는 이러한 서비스 개발의 기반이 될 수 있는 차량용 무선통신기술(WAVE)을 해상에 적용하고자 실선 해상실험을 통해 WAVE 환경성능 평가를 실시하였다. 연구 수행 결과, 도로교통에서는 최대 1 km 내로 서비스가 제한되었지만 해상에서는 약 5마일 정도의 통신범위에서 신뢰성 높은 Data 전송이 가능한 것으로 도출되었다. 이러한 실험 결과에 따라 추가적인 연구를 통해 충돌 회피 및 선박간 해양안전정보 전송 등 해양사고 예방에 WAVE 통신기술이 다양하게 활용 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

AIS is the most important navigation equipment for the identification of other ships, etc. However, the AIS overload problem has been raised recently due to an increase in AIS equipped vessels. The government is planning to introduce the wireless LTE network at 100 km offshore as part of the SMART-Navigation project. Continuous development and dissemination of the services available through such platforms will be necessary to achieve major goals such as marine accident prevention and environmental protection. In this study, we applied a WAVE communication system, which could be the basis for the development of such services. As a result, reliable data transmission was confirmed for a range of communication of approx. 5 miles, although the service was limited to 1 km in road traffic. Therefore, it is expected that WAVE communication technology will be used to prevent marine accidents through such efforts as collision avoidance and the transfer of marine safety information between ships.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

도로 교통 통신 요건에 따라 통신거리는 최대 약 1 km로 적용하고 있으나 실제 도로 환경에서 최대 전송거리는 약 700 m 정도로 평가된다. 도로와 해상의 가시선(LOS, Line Of Sight) 환경은 상당히 차이가 있고 도로교통에 비해 해상교통에서 장애물이 확실히 적기 때문에 최대 전송거리는 그보다 나을 것으로 판단되지만 환경외력에 따른 선박의 횡요, 수면반사, 습도 및선박 안테나 간 고도차 등 통신에 방해가 되는 요인들이 존재하기 때문에 본 연구에서는 실선 실험 등을 통해 WAVE 통신기술의 해상적용 가능성을 검토해 보고자 한다.
도로교통에서 적용되는 WAVE 통신은 앞에서 언급한 바와 같이 Device to Device 통신이 가능하고, 통신 보안이 우수하며 사용료가 없고 고속이동 통신에 적합하며 전송주기가 100 msec으로 신뢰성이 높은 통신임에는 틀림이 없으나 해상에 적용하기에는 통신거리가 지나치게 짧다는 단점이 존재하였다. 본 연구에서는 WAVE 통신을 해상에 적용하기 위해 실선실험을 통하여 데이터의 최대 수신 가능 거리를 측정하였고 최대 8~9 km까지 데이터의 전송과 수신이 가능한 것으로 평가하였다.
본 연구에서는 도로교통에서 적용하고 있는 차량용 무선 통신기술을 대상으로 해상실험 등을 통해 해상 적용 방안에 대한 연구를 수행하였다.
이에 따라, 본 연구에서는 차세대 지능형교통정보시스템(C-ITS) 등 도로교통에서 오랜 기간 동안 시범사업 등을 거쳐 이미 어느 정도 검증이 완료된 차량용 무선통신기술(WAVE) 을 해상환경에서 적용하는 연구를 수행하였다. WAVE 통신 기술은 LTE와 달리 Device to Device 통신이 가능하고 통신보안이 우수하며, 사용료가 없고 고속이동 통신에 적합하며 전송주기가 100 msec으로 신뢰성이 높은 통신기술이다.
철도용 무선통신은 통신망의 안전성이 매우 중요하고 패킷 전송시 패킷 손실을 최소화 하여야 한다. 해당 연구에서는 WAVE 통신 기술의 철도분야 적용 가능성을 검토하기 위해 철도시험선 및 전동차에 WAVE 통신시스템을 구축하고 통신성능 시험평가를 수행하였다. 통신성능 평가를 위해서 LTE 기반 철도통신시스템의 통신성능 요구사항을 참조하여 평가를 수행한 결과 설정한 기준치를 대부분 만족하는 것으로 나타나 철도교통 분야에서도 WAVE 통신의 적용이 충분히 가능한 것으로 분석하였다(Kim et al.

제안 방법

두 번째 실험은 두 선박이 같은 지점에서 출발하여 작은 섬을 사이에 두고 점점 멀어지면서 데이터의 수신 최대 가능거리를 측정하였다. Fig.
첫 번째 회차에서 선박 B가 전송한 데이터에 대한 선박 A의 데이터 수신 최대 가능 거리는약 9,000 m로 나타났다. 두 번째 회차에서는 선박 A가 정지해 있으면서 선박 B에 데이터를 전송하였고 선박 B는 섬 사이로 이동하면서 전송된 데이터를 수신하였다. 섬 사이에 진입하여 NLOS 환경에 처해 있을 때 데이터 수신이 제한되는 것으로 분석되었다.
두 선박 간 최대 통신거리를 측정하기 위해 다음 두 개의 시나리오를 바탕으로 실험을 수행하였다. Fig.
일반적으로 도로교통에 적용되는 WAVE 안테나는 차량용 샤크안테나를 사용하고 있으나 해상에 적용하는 안테나는 전방위 옴니 안테나를 사용하여야 하므로 이에 대한 테스트를 병행하여 실시하였다. 해당 지역을 운항하는 선박 2척에 선박간 통신거리 측정을 위한 WAVE 단말기와 옴니 안테나를 장착하였다.
첫 번째 실험 장소에서 선박 A와 선박 B가 각각 움직이거나 정지하면서 데이터를 전송하고 수신할 때 통신영역 판단 기준 PER 10 % 이상 구간에 따른 최대 통신거리를 측정하였고 그 값은 Table 3과 같다. 첫 번째 회차에서 선박 B가 전송한 데이터에 대한 선박 A의 데이터 수신 최대 가능 거리는약 9,000 m로 나타났다.
WAVE 통신기술의 해상적용 시험은 선박의 해상 운항 중 수신되는 전파수신레벨 및 통신영역을 확인 하는 것으로 진행된다. 통신영역은 웹상의 해상 지도를 바탕으로 측정 단말기에서 정상 수신된 데이터 지점을 맵에 표시를 하고, 데이터 전송이 성공한 거리를 측정하여 통신가능 거리를 추정하였다.

대상 데이터

일반적으로 도로교통에 적용되는 WAVE 안테나는 차량용 샤크안테나를 사용하고 있으나 해상에 적용하는 안테나는 전방위 옴니 안테나를 사용하여야 하므로 이에 대한 테스트를 병행하여 실시하였다. 해당 지역을 운항하는 선박 2척에 선박간 통신거리 측정을 위한 WAVE 단말기와 옴니 안테나를 장착하였다. Ship to Ship 해상 성능 측정 방법은 운항속도 16 knots 이하에서 통신 영역 판단기준 PER 10 % 이상 구간을 기준으로 한다.
해상 환경에 대한 WAVE 환경 성능 평가를 위해 인천 영흥도와 목포 북항 인근 해역에서 각각 실선 시험을 실시하였으며 Fig. 1은 2차례 실선 실험을 실시한 목포 북항 인근 해역이다.

이론/모형

거의 모든 통신에서 수신기 신호 감도는 10 % PER로 측정되며 이는 패킷의 90 % 이상이 수신된다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 해상에서 WAVE 통신환경 시험을 위해 이러한 기준을 사용하였다.

성능/효과

Fig. 5에서 나타내는바와 같이 두 번째 실험에서 두 선박의 데이터 최대 수신 가능 거리는 약 8,500 m로 나타났으나 두 선박 사이에 섬과 같은 장애물이 존재할 때 데이터 수신율은 현저하게 떨어지는 것으로 분석되었다.
두 번째 회차에서는 선박 A가 정지해 있으면서 선박 B에 데이터를 전송하였고 선박 B는 섬 사이로 이동하면서 전송된 데이터를 수신하였다. 섬 사이에 진입하여 NLOS 환경에 처해 있을 때 데이터 수신이 제한되는 것으로 분석되었다.
첫 번째 실험 장소에서 선박 A와 선박 B가 각각 움직이거나 정지하면서 데이터를 전송하고 수신할 때 통신영역 판단 기준 PER 10 % 이상 구간에 따른 최대 통신거리를 측정하였고 그 값은 Table 3과 같다. 첫 번째 회차에서 선박 B가 전송한 데이터에 대한 선박 A의 데이터 수신 최대 가능 거리는약 9,000 m로 나타났다. 두 번째 회차에서는 선박 A가 정지해 있으면서 선박 B에 데이터를 전송하였고 선박 B는 섬 사이로 이동하면서 전송된 데이터를 수신하였다.
다만 도로에 적용되는 전송거리는 최대 약 1 km이고 통상적으로 500~700 m 정도로 활용되고 있어 해상에 적용하기가 쉽지 않은 측면이 있다. 하지만, 본 연구에서 WAVE 단말기를 실선에 탑재하여 실선실험을 통해 데이터의 최대 수신 가능 거리를 측정한 결과 최대 8~9 km까지 데이터의 안정적인 전송과 수신이 가능한 것으로 평가되었다.

후속연구

WAVE 통신은 별도의 기지국 없이 Ship to Ship 통신이 가능하고 본 연구 수행 결과, 약 5마일 정도의 통신범위에서 신뢰성이 높은 Data 전송이 가능하기 때문에 충돌, 좌초, 접촉 등 해양사고의 경보와 충돌 회피 등 다방면으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 e-Navigation의 도입에 따라 해상에 LTE-M 구축이 완료될 경우 다양한 서비스의 적용 등으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
우리나라 정부에서는 국제해사기구(IMO)의 e-Navigation 개념에 어선 및 연안 소형선을 대상으로 한 서비스 제공을 추가하여 우리나라 해상환경에 특화된 SMART-Navigation 사업을 추진 중에 있으며, 특히, 100km 연안에 무선 LTE망을 도입하는 등 해상에서의 무선통신환경 구축을 주요 사업으로 추진하고 있다(SMART Navigation Project, 2016). 다만, 기본적으로 제공되는 IMO 필수서비스 및 한국형 e-Navigation 서비스가 있지만 해양사고예방 및 해양환경보호 등을 위해서는 이러한 Platform 위에 이용할 수 있는 서비스를 지속적으로 개발 및 보급하여야 할 것이다. 한편, 도로교통에서는 최근 교통과 IT기술을 융합한 차세대 지능형교통정보시스템 (C-ITS) 시범사업을 활발하게 진행하고 있으며 무선통신기술인 ‘차량용 무선통신기술(WAVE)을 기반으로 다양한 서비스 제공을 목표로 하고 있다(Kim, 2015).
다만, 현재 WAVE 통신은 표준 등이 도로교통에 적합하게 구축되어 있기 때문에 이를 활용하기 위해서는 다양한 실험 등을 통해서 해상에 적합한 표준을 개발하여 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
해상에서 Ship to Ship이 가능하고 약 5마일 정도의 통신범위에서 신뢰성이 높은 Data 전송 수단은 충돌, 좌초, 접촉 등 해양사고의 경보와 충돌 회피 등 다방면으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 e-Navigation의 도입에 따라 해상에 LTE-M 구축이 완료될 경우 다양한 서비스의 적용 등으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
특히, 100 km 연안에 무선 LTE망을 도입하는 등 해상에서의 무선통신환경 구축을 주요 사업으로 추진하고 있고 해양사고예방 및 해양환경보호 등의 주요 목표를 효과적으로 달성하기 위해서 이러한 Platform 위에 이용 가능한 서비스를 지속적으로 개발·보급하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WAVE 통신기술이 목표로 하는 점은 무엇인가?	WAVE 통신기술은 Wi-Fi 기술을 근간으로 하고 있으며 데이터 전송속도를 반으로 줄이는 대신 통신의 신뢰성을 높이고 옥외용 환경에서 정확하게 전달하는 것을 목표로 하는 정확도 높은 통신기술이라 할 수 있다(Lee et al., 2011).
	차량용 무선통신기술은 무엇인가?	차량용 무선통신기술(WAVE, Wireless Access in Vehicular Environments)은 도로교통과 IT 기술의 융합으로 V2V(차량과 차량, Vehicle to Vehicle), V2I(차량과 인프라, Vehicle to Infrastructure) 통신을 지원하여 도로환경 및 차량의 안전을 확보하는 통신서비스이다. 도로 교통에서는 일찍이 도로 안전 향상을 목표로 하는 교통과 IT 기술을 융합한 V2V, V2I간의 통신인 V2X에 주목을 하였으며 미국, 유럽, 일본, 한국 등 V2X 관련 기술을 주요 선진국에서는 프로젝트를 통해 기술의 실효성을 검증해 오고 있다(Korea Communications Agency, 2014).
	AIS 사용 시 어떠한 문제 상황이 발생하는가?	그 중 AIS는 선박과 선박 간, 선박과 연안기지국 간의 항해 관련 데이터 통신을 위한 시스템으로 활용되고 있다. 하지만, 선박이 집중되는 항만에서 종종 통신 과부하로 인한 끊김 현상이 발생하고 있어 이에 대한 해결방안이 요구되고 있다. 최근 정부에서는 국제해사기구(IMO)의 e-Navigation 전략이행 계획 등에 맞춰 한국형 e-Navigation 사업을 추진하고 있고 VTS 정보서비스, 항해지원서비스, 해사 안전정보 서비스 등 IMO에서 규정한 필수서비스와 LTE-M을바탕으로 사고 취약 선박 모니터링 지원 서비스, 선내시스템 원격 모니터링 서비스 등 한국형 e-Navigation의 주요 서비스를 제공할 예정이다(SMART Navigation Project, 2016).

참고문헌 (11)

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Jang, S. H.(2016), Network Simulator Engine Design And Implementation of a Communication Environment Suitable for WAVE, The Graduate School of Hanyang University, pp. 4-6.
Kim, K. B., S. H. Ryu and K. H. Choi(2016), Performance Verification of WAVE Communication Technology for Railway Application, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 19, No. 4, pp. 456-467.

원문보기 상세보기
Kim, S. H.(2013), Railroad Wireless Communication Network Construction: Status of Domestic and Foreign and Implication, Korea Information Society Development Institute, 25(9), pp. 1-39.
Kim, Y. A.(2015), A Study on Collision Avoidance System based on WAVE Communication, The Graduate School of Korea National University of Transportation, pp. 6-11.
Kim, Y. K., Y. S. Song, K. H. Kim and S. H. Chang et al.(2014), Wireless Network For Railway (LTE-R) Final Research Report, Korea Railroad Research Institute.
Korea Communications Agency(2014), V2X Communications, Emerged as a Key Technology in Intelligent Transport System, Trends and Prospects (Trend Focus), Vol. 73, pp. 42-44.
KMST(2016), Korean Maritime Safety Tribunal, Marine Accident Statistics (2006-2015), www.kmst.go.kr.
Lee, S. J., J. S. Joeng, M. Y. Kim and G. K. Park(2013), A Study on Real-Time Message Analysis for AIS VDL Load Management, Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 23, No. 3, pp. 256-261.

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Lee, S. Y., H. G. Jeong, D. K. Shin, K. T. Lim and M. H. Lee(2011), Performance Evaluation of WAVE Communication System for the Next-Generation ITS, Journal of Korea Navigation Institute, Vol. 15, No. 6, pp. 1059-1067.
SMART Navigation Project(2016), Introduction of SMART Navigation Project and Project activities etc, www.smartnav.org.

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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