[논문]WAVE-LTE 하이브리드 V2X 통신시스템의 커버리지 테스트

윤상훈; 임기택; 곽재민

doi:10.12673/jant.2020.24.3.212

WAVE-LTE 하이브리드 V2X 통신시스템의 커버리지 테스트
Coverage Test of WAVE-LTE Hybrid V2X Communication System 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.3, 2020년, pp.212 - 217

윤상훈 (전자부품연구원 모빌리티플랫폼 연구센터) , 임기택 (전자부품연구원 모빌리티플랫폼 연구센터) , 곽재민 (목포해양대학교 항해정보시스템학부)

초록
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최근 4차산업 혁명에 대한 관심과 더불어 자율주행 기술에 대한 요구가 높아지고 있다. V2X (vehicle to everything) 통신기술은 자율주행차량에 있어 핵심기술로서 유무선 망을 통해 차량, 인프라, 네트워크, 보행자 등과 같은 객체들과 정보를 교환하는 기술이다. 본 논문에서는 WAVE (wireless access in vehicular environment)와 LTE (long term evolution)를 복합설계하여 구현한 하이브리드 V2X 통신 시스템의 개발결과와 시스템의 성능을 확인하기 위해 커버리지 테스트를 수행한 결과를 제시한다. 커버리지 측정을 통해 하이브리드 V2X 통신 성능이 기존의 LTE나 WAVE의 단일 통신 시스템보다 통신 커버리지에 있어 우수하여 자율주행서비스에 효율적으로 적용 가능하다는 것을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, with the interest in the 4th industrial revolution, the demand for autonomous driving technology is increasing. V2X communication technology is a core technology for autonomous vehicles that exchanges information with objects such as vehicles, infrastructure, networks, and pedestrians through wired and wireless networks. In this paper, we present the results of the hybrid V2X communication system, which is a hybrid design of WAVE and LTE, and the coverage test to confirm the performance of the system. Through coverage measurement, we show that the hybrid V2X communication performance is superior to the existing LTE or WAVE single communication system in communication coverage, so it can be effectively applied to autonomous driving services.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 하이브리드 V2X 통신 네트워크 시스템 구성도 Fig. 1. Block diagram of hybrid V2X communication network system.
그림 그림 2. 하이브리드 V2X 통신단말기 제작결과 Fig. 2. Implementation result of hybrid V2X communication terminal.
그림 그림 3. 커버리지 테스트를 위한 시스템 구성도 Fig. 3. System configuration for coverage Test.
그림 그림 4. 커버리지 테스트 구간 Fig. 4. Coverage Test Section.
그림 그림 5. 테스트 단말 및 주행환경 Fig. 5. Test terminal and driving environment.
표 표 1. 하이브리드 V2X 통신 단말기 사양 Table 1. Specification of hybrid V2X communication terminal.
그림 그림 6. 정방향 주행시의 측정 결과 Fig. 6. Measurement result when driving in forward direction.
그림 그림 7. 역방향 주행시의 측정 결과 Fig. 7. Measurement result when driving in reverse direction.
표 표 2. 로그 메시지 설명 Table 2. Log message commentary.
표 표 3. WAVE 단독, LTE 단독, WAVE+LTE 하이브리드 통신성공률 (T.H : To Hoboeb, T.S. : To Seoul, Hyb.: Hybrid) Table 3. Communication success rate in case of WAVE only, LTE only, and hybrid WAVE+LTE.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WAVE와 LTE를 복합설계하여 구현한 하이브리드 V2X 통신 시스템의 구현 결과를 제시하고, 터널, 고속도로 JC 등 WAVE 기지국이 설치되어있지 않은 지역을 포함한 경로에 대한 커버리지 테스트를 수행하였다.
이로인하여 역방향에 대한 전체적인 성능은 정방향에 비하여 다소 나빠지는 경향이 나타나고 있다. 본 장에서는 나타나고 있는 현상에 대한 결과를 위주로 기술하고, 상습 불통 지역을 분석하여 커버리지를 확대하기 위한 방안은 이후 다루도록 한다.
이에 따라 본 논문에서는 차량 환경에 적합하게 설계된 WAVE 기반의 C-ITS (cooperative intelligent transportation system) 통신프로토콜과 이동 통신 프로토콜인 Legacy LTE 통신 기술을 함께 지원하는 하이브리드 V2X 통신시스템의 구현결과를 제시하고 구현한 시스템을 이용한 커버리지 테스트 과정 및 결과를 제시한다.

제안 방법

각 도로의 시작과 끝, 그리고 두 도로를 연결하기 위한 중간 지점을 다음과 같이 기준점으로 설정하고 이 기준점을 기반으로 거리를 계산하였다.
거리의 계산은 경부 시작점을 기준으로 경부 기지국과 통신되는 지점의 경우 경부 시작점으로부터 차량단말기 위치 위경도를 이용해 거리를 계산하였으며, 영동기지국과 통신되는 지점의 경우에는 경부시작점에서 중간지점까지의 거리를 계산하고 중간지점으로부터 차량 단말기 위치 위경도를 이용해 계산된 거리를 합산하였다.
그 결과 2차 테스트에 대한 WAVE의 PAR이 상대적으로 낮게 나타나는 결과가 도출되었으나, 이와 같은 문제를 하이브리 드 V2X 단말기로 해결가능한지 여부를 판단하기 위하여 실험 결과를 그대로 적용하여 분석하였다. 그림 6에서 나타나는 바와 같이 WAVE의 PAR이 약 8 %가 낮아졌으나, 하이브리드 PAR은 약 0.
본 연구에서 구현한 차량용 하이브리드 V2X 통신 단말기는 WAVE 통신모듈, LTE 통신모듈, GNSS (global navigation satellite system) 모듈, 안테나 등으로 구성되며 이에 필요한 요구사항들을 다음과 같이 도출하였다.
실험의 편의를 위해 패킷은 LTE 통신서버와 기지국에서 각각 발신하였으며, 이들을 하나의 하이브리드 단말기에서 수신하여 수신 시간과 위치를 기록하였다. 수신 위치와 일련번호에 기반하여 지역별 PAR (packet acceptance rate)을 분석하였으며, 이때의 전송지연을 송신시간과 수신시간을 이용하여 측정하였으나, LTE 서버와 WAVE 기지국, 단말기 간의 동기 오차로 인하여 유의미한 결과를 얻지는 못하였다.
커버리지 테스트는 그림 3과 같이 WAVE와 LTE를 통하여 일련번호, 송신시간, 기지국 번호가 기록된 패킷을 전송하고 이들의 수신 시의 위치와 시간을 로깅하여 사후 분석하는 과정을 통해 이루어졌다. 실험의 편의를 위해 패킷은 LTE 통신서버와 기지국에서 각각 발신하였으며, 이들을 하나의 하이브리드 단말기에서 수신하여 수신 시간과 위치를 기록하였다. 수신 위치와 일련번호에 기반하여 지역별 PAR (packet acceptance rate)을 분석하였으며, 이때의 전송지연을 송신시간과 수신시간을 이용하여 측정하였으나, LTE 서버와 WAVE 기지국, 단말기 간의 동기 오차로 인하여 유의미한 결과를 얻지는 못하였다.
정의된 요구사항들을 기반으로 WAVE 통신과 LTE 통신이 하이브리드로 구성된 하이브리드 V2X 차량용단말기를 아래 표 1의 사양과 같이 설계하였고 제작결과를 그림 2에 나타내었다.
커버리지 테스트는 그림 3과 같이 WAVE와 LTE를 통하여 일련번호, 송신시간, 기지국 번호가 기록된 패킷을 전송하고 이들의 수신 시의 위치와 시간을 로깅하여 사후 분석하는 과정을 통해 이루어졌다. 실험의 편의를 위해 패킷은 LTE 통신서버와 기지국에서 각각 발신하였으며, 이들을 하나의 하이브리드 단말기에서 수신하여 수신 시간과 위치를 기록하였다.
통신 커버리지를 확대하기 위해서는 상습적으로 통신이 두절되는 지역을 분석하여 원인을 파악하고 문제를 해결하여야 하며, 본 커버리지 테스트에서는 그림 7에서 확인된 상습 불통 지역이 확인이 되어 해당지역을 분석하도록 한다.

대상 데이터

테스트는 WAVE 기지국과 WAVE-LTE 연계가 이루어지고 있는 서울TC-호법JC 구간에서 이루어졌으며 이를 그림 4에 나타내었다. 또한, 그림 5와 같이 차량 내부에 단말기와 모니터링을 위한 노트북을 장착하여 테스트를 수행하였다.

이론/모형

경부 고속도로 및 영동 고속도로에 설치된 모든 기지국을 직선상에 나열하기 위해 다음과 같은 위치 계산 방법을 사용하였다.

성능/효과

WAVE는 JC구간, 터널 구간 등은 RSU (road side unit)가 설치되지 않아 테스트 전체구간을 커버하지 못하여 상대적으로 낮은 PAR을 나타냄이 확인되었다. 여기서 참고해야할 부분 중에 하나는 2차 테스트 진행시 RSE04에 대한 점검이 필요한 상태였으며, 2차 테스트에서는 점검되지 않은 상태로, 3차 테스트에서는 점검을 마친 상태로 테스트를 수행하였다는 점이다.
그 결과 2차 테스트에 대한 WAVE의 PAR이 상대적으로 낮게 나타나는 결과가 도출되었으나, 이와 같은 문제를 하이브리 드 V2X 단말기로 해결가능한지 여부를 판단하기 위하여 실험 결과를 그대로 적용하여 분석하였다. 그림 6에서 나타나는 바와 같이 WAVE의 PAR이 약 8 %가 낮아졌으나, 하이브리드 PAR은 약 0.3~0.6 %의 감소만이 이루어진 것을 알 수 있으며, 하이브리드 V2X 통신을 통해 통신 신뢰성이 향상될 수 있음이 확인되었다.
또한, LTE는 전체 테스트 구간을 모두 커버하고 있어 평균 97~98 %의 통신 성공률을 나타내고 있으나, 역방향 3차 테스트에서 보이는 바와 같이 때에 따라 수 초간 통신이 두절되는 경우가 발생함을 알 수 있으며, 이때에는 WAVE가 통신을 유지하여 평균 PAR에 큰 변화가 없도록 유지되고 있음이 확인된다.
실험결과 전체구간에 대한 PAR은 99.43 %로 나타났으며, WAVE와 LTE만의 통신 성능은 이보다 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.
위에서 살펴본 바와 같이 역방향은 상습 불통 지역과 일시적인 LTE 통신 두절로 인해 정방향에 비하여 성능이 상대적으로 낮은 것으로 확인되었으며, 정방향과 역방향을 모두 합한 전체 구간에 대한 통신 성공률은 99.18 %로 본 과제의 성능 목표인 99 % 이상의 통신 성공률을 나타내었다.

후속연구

또한, 동일한 자원으로 보다 효율적으로 커버리지를 확대하 기 위해서는 지역에 따른 LTE의 성능을 사전에 분석하여 상호 의존할 수 있는 형태로 WAVE RSU를 배치하여야 하며, 각각 의 통신 장치에 대한 지역적 통신 성능 맵을 구성하여 해당지역 에서 기지국과의 통신을 수행할 때 효율적인 통신 방식을 선택 할 수 있도록 하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 V2X 통신의 기존 시스템 대비 장점은 무엇인가?	본 논문에서는 WAVE (wireless access in vehicular environment)와 LTE (long term evolution)를 복합설계하여 구현한 하이브리드 V2X 통신 시스템의 개발결과와 시스템의 성능을 확인하기 위해 커버리지 테스트를 수행한 결과를 제시한다. 커버리지 측정을 통해 하이브리드 V2X 통신 성능이 기존의 LTE나 WAVE의 단일 통신 시스템보다 통신 커버리지에 있어 우수하여 자율주행서비스에 효율적으로 적용 가능하다는 것을 보인다.
	V2X (vehicle to everything) 통신기술이란 무엇인가?	최근 4차산업 혁명에 대한 관심과 더불어 자율주행 기술에 대한 요구가 높아지고 있다. V2X (vehicle to everything) 통신기술은 자율주행차량에 있어 핵심기술로서 유무선 망을 통해 차량, 인프라, 네트워크, 보행자 등과 같은 객체들과 정보를 교환하는 기술이다. 본 논문에서는 WAVE (wireless access in vehicular environment)와 LTE (long term evolution)를 복합설계하여 구현한 하이브리드 V2X 통신 시스템의 개발결과와 시스템의 성능을 확인하기 위해 커버리지 테스트를 수행한 결과를 제시한다.
	WAVE와 LTE 하이브리드 V2X 통신을 효율적으로 커버리지 확대하기 위해서 필요한 것은?	하지만, 이와 같은 상황에서도 WAVE와 LTE 하이브리드 V2X 통신을 수행하였을 경우에는 전체구간에 대하여 평균 99% 이상의 통신 성공률을 나타냄을 확인하였으며, 그 결과는 표3과 같다. 이를 통하여 통신 커버리지를 안정적으로 확대하기 위해서는 기본적으로 다수의 통신방식을 융합하여야 하며, WAVE와 LTE는 그중 하나의 성공적인 대안이 될 수 있음을 알 수 있었다.

참고문헌 (11)

H. G. Jung et al., "Reliability verification of secured V2X communication for cooperative automated driving," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 22, No. 5, pp. 391-399 Oct. 2018.
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K. T. Lim, S. K. Jin, and J. M. Kwak, "Design of hybrid V2X cmmunication module for cooperative automated driving," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 22, No. 3, pp. 213-219 June 2018.
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A. Vinel, “3GPP LTE versus IEEE 802.11 p/WAVE: which technology is able to support cooperative vehicular safety applications?,” IEEE Wireless Communications Letters, Vol. 1, No. 2, pp. 125-128, Feb. 2012.

상세보기
Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio access capabilities [Internet]. Available: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId2434.
IEEE Computer Society, IEEE Standard for Information Technology - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications, 2012.
IEEE Vehicular Technology Society, IEEE Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Multi-Channel Operation, IEEE 1609.4, 2016.
IEEE Vehicular Technology Society, IEEE Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Networking Services, IEEE 1609.3, 2016.
IEEE Vehicular Technology Society, IEEE Standard for Wireless Access in Vehicular Environments - Security Services for Applications and Management Messages, IEEE 1609.2, 2016.
SAE J2735, Dedicated Short Range Communication (DSRC) Message Set Dictionary, 2016.

저자의 다른 논문 :

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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