[논문]차량용 네트워크 활용을 위한 5GHz WiFi 설계 및 분석

유환신

doi:10.5762/kais.2020.21.8.18

[국내논문] 차량용 네트워크 활용을 위한 5GHz WiFi 설계 및 분석
5GHz Wi-Fi Design and Analysis for Vehicle Network Utilization 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.8, 2020년, pp.18 - 25

초록
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사물인터넷 기술의 발전에 따라 사물 간 데이터 통신이 확장되고 있는 추세이다. 관련 기술을 차량에 접목하고자 하는 차량간 데이터 통신기술과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 이동식 단말의 데이터 통신을 위해서는 데이터 안정성과 신뢰성, 실시간성이 보장되어야 한다. 무선 네트워크의 대역폭과 통신 속도, 무선 포화도에서 유리한 5GHz Wi-Fi 대역을 차량간 데이터 통신 네트워크로 선정하였다. 5GHz Wi-Fi 네트워크를 차량용 네트워크에 설계 및 구현하기 위한 분석을 진행한다. 이동통신 단말장치의 특성을 고려하고 고속데이터 스위칭이 가능하도록 연속적 가변 통신 구조를 제안한다. AP접속 절차를 단순화해 무선 단말 간 접속시간 지연을 줄인다. TCP/IP기반 DHCP 서버 기능을 제한하고 동보전송 프로토콜 방식으로 구현함으로써, 단말장치간의 통신지연을 개선한다. 일반적인 상용 Wi-Fi 통신 방식과 대비하여, 접속 동작 및 반응속도가 5초 이상 향상되었다. 이 방식을 활용하여 차량 간 다양한 이벤트 데이터 통신에 확장 적용이 가능하다. 또한 무선 데이터 기반 지능형 도로망과 자율주행을 위한 체계로 확장이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the development of water internet technology, data communication between objects is expanding. Research related to data communication technology between vehicles that incorporates related technologies into vehicles has been actively conducted. For data communication between mobile terminals, data stability, reliability, and real-time performance must be guaranteed. The 5 GHz Wi-Fi band, which is advantageous in bandwidth, communications speed, and wireless saturation of the wireless network, was selected as the data communications network between vehicles. This study analyzes how to design and implement a 5 GHz Wi-Fi network in a vehicle network. Considering the characteristics of the mobile communication terminal device, a continuous variable communications structure is proposed to enable high-speed data switching. We simplify the access point access procedure to reduce the latency between wireless terminals. By limiting the Transmission Control Protocol Internet Protocol (TCP/IP)-based Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) server function and implementing it in a broadcast transmission protocol method, communication delay between terminal devices is improved. Compared to the general commercial Wi-Fi communication method, the connection operation and response speed have been improved by five seconds or more. Utilizing this method can be applied to various types of event data communication between vehicles. It can also be extended to wireless data-based intelligent road networks and systems for autonomous driving.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. 2.4GHz and 5GHz Wi-Fi Network Roaming Plan
그림 Fig. 2. Example of Overhead from Unconnected Wi-Fi Clients
그림 Fig. 3. Simplified view of OSI model and packet encapsulation
그림 Fig. 4. Timeline of network activities when a mobile device connects to a Wi-Fi AP
그림 Fig. 5. Wi-Fi Antenna Beam mode
그림 Fig. 6. Wi-Fi Transmitter and Receiver Flow
그림 Fig. 7. Down-link transmission of AP information
그림 Fig. 8. Up-link transmission of AP information
그림 Fig. 9. Event Transmission Mechanism
그림 Fig. 10. Example of Transmission Information
표 Table 1. Data Protocol for inter-connection car communication
그림 Fig. 11. Test board environment
그림 Fig. 12. Software block diagram for modification
표 Table 2. Data communication field speed comparison between the suggested device and the general device
그림 Fig. 13. Data communication total speed comparison between the enhancement device group and the general device group
그림 Fig. 14. Data communication total speed comparison between 2.4GHz Wi-Fi and 5GHz Wi-Fi
표 Table 3. Data communication speed comparison between 2.4GHz and 5GHz

AI 본문요약
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제안 방법

5GHz 네트워크를 활용하여, 차량 간 네트워크의 설계로 진행하였다. 제안된 방식은 상용 ISM 대역의 무선 Wi-Fi 네트워크를 활용하였지만, 다양한 주행환경에서 차량 간의 통신을 위한 절차를 정립하였다.
제안 단말장치는 미들웨어를 사용하지 않고 디바이스 드라이버 레벨에서, AP Association 이후, UDP 프로토콜을 송신할 수 있도록 Transmitter 전용의 환경을 구성하였다. Fig. 7, Fig. 8과 같이 단말 장치를 일반용과 제안용 각각 4대씩 차량 간 통신모델로써 구성하고 AP에 연결된 서버로부터 데이터를 송신하는 방식으로 10회 동안 동작 속도를 Table 2와 같이 측정하였다.
네트워크의 통신 대역은 5GHz Wi-Fi 대역으로써, 2.4GHz Wi-Fi 보다 활용 측면에서 기술적인 우수성을 제안하였다. Table.
Table 1은 데이터 통신에 필요한 자료구조를 보여준다. 데이터 통신에 필요한 헤더와 전체 데이터의 안정성을 담보하는 CRC를 기본 구조로 설계된다.
모바일 네트워크인 4G/5G 등은 이동통신사에 네트워크 환경에 제약을 받는다. 따라서 ISM 상용 무선 네트워크 대역을 사용하는 5GHz Wi-Fi 기술을 이용하며 차량 간의 데이터 통신을 연동하는 구성설계 방법을 제안한다.
본 논문에서 제안하는 차량 단말 간 네트워크 방식을 통한 데이터 전송을 검증하기 위해서 TCP/IP Wi-Fi 네트워크 기반의 단말장치와 BSP를 제안과제로 수정한 단말장치와 통신 속도, 데이터 신뢰성, 전파 속도 등의 관점에서 비교분석 하였다.
최초의 관제용 AP이거나 전달을 수행하는 차량 N일 수 있다. 이 데이터로 부터 주변 차량 또는 관제소 AP의 위치를 파악하여, 현재 운행 중인 차량의 상대적 좌표정보와 비교함으로써, 차량 간 거리를 실시간으로 파악할 수 있게 된다. 즉 이벤트 발생 제공자가 사고 차량이라면, 사고 차량의 위치와 거리를 파악함으로써, 도로상의 지체와 관련된 정보를 네비게이션과 연계하여 검토할 수 있다.
일반 단말장치에서는 WPA_SUPPLICANT 미들웨어 프로그램과 DHCP 서버가 작동하여 AP모드 및 단말장치 모드로 사용이 가능하다. 제안 단말장치는 미들웨어를 사용하지 않고 디바이스 드라이버 레벨에서, AP Association 이후, UDP 프로토콜을 송신할 수 있도록 Transmitter 전용의 환경을 구성하였다. Fig.
5GHz 네트워크를 활용하여, 차량 간 네트워크의 설계로 진행하였다. 제안된 방식은 상용 ISM 대역의 무선 Wi-Fi 네트워크를 활용하였지만, 다양한 주행환경에서 차량 간의 통신을 위한 절차를 정립하였다.
제안된 방식을 구현하기 위해서는 데몬 서비스 동작에서 기존의 TCP/IP 드라이버로 연동하기 위한 동작을 수정하여야 한다. 또한 디바이스 드라이버에서는 커널 서비 스와 연결되는 동작에서 기존의 채널 스캔 동작과 무선 접속 정보를 처리하는 부분을 수정한다.

대상 데이터

단말장치는 Grain-Media사의 GM8238S SoC 기반으로 설계하였다. 리눅스 커널은 3.

성능/효과

Table. 3의 통신 요소별 평균 동작시간과 Fig. 12의 전체 동작시간을 비교할 때, 무선 통신의 대역에 따른 속도는 체험할 만한 큰 차이가 없다. 이러한 요소를 확인하고, 2.
또한 일반적인 Wi-Fi 기반 모바일 장치 간의 연결과 다르게 네트워크 동작 구조를 단순화하여 접속절차와 통신 속도 Hand-Shake 동작을 줄임으로써 대기시간을 감소시켰다. 통신 과정에서도 TCP/IP 네트워크의 일반적인 IP할당과 TCP 소켓 생성 및 접속 절차를 생략함으로써, 사물 간 빠른 네트워크 데이터 동보 전송이 가능하게 되었다.
또한, 소프트웨어적인 접근으로 내부 연결 계층이 형성된 이후, TCP/IP에서 DHCP 등의 동작을 통한 2차 통신을 수행하지 않고, IPv4기반의 MAC Address와 차량의 고유번호 정보를 기준으로 UDP Broadcast를 통한 차량 간 데이터 정보의 교환을 시도함으로써, 연동체계 구축을 위한 지연시간을 2~3초 이상 줄일 수 있다. 이러한 방식을 모두 사용할 경우, API 접속을 위한 물리적인 최소시간은 Beacon 신호를 기준으로 10msec 이내에 처리가 가능하여 실시간 접속처리가 가능하다.
12의 전체 동작시간을 비교할 때, 무선 통신의 대역에 따른 속도는 체험할 만한 큰 차이가 없다. 이러한 요소를 확인하고, 2.4GHz의 무선망 운용이 포화된 상태를 고려하여 5GHz의 환경에서 사물 간 통신을 운용하는 것이 유리하다.
좌측의 항목은 msec 단위이고, 우측 하단은 각 실험 순서를 의미한다. 제안된 단말의 평균 동작 시간은 50msec 이며, 일반 단말장치의 경우, 5000~7000msec의 동작 시간을 소비하게 된다.
AP 접속 속도의 경우, 채널 SCAN 동작과 AP 접속 동작이 WPA_SUPPLICANT 미들웨어 동작여부에 따라 큰 차이를 나타낸다. 제안된 방식은 10msec이고 일반 단말 장치는 최소 2000msec이다. 이는 차량과 같은 특정 사물에 최적화된 무선 네트워크 체계에서는 동작방식을 반드시 적합하게 수정해야 실시간 반응속도를 얻을 수 있다는 것을 증명한다.

후속연구

본 논문의 실험결과를 활용하여 비 연결 지향적 차량 간 정보통신 체계를 구축하여, 안전운행 정보 교류, 사고 정보 전파 및 차량 간 안전거리 유지 등과 같은 분야에서 저렴한 비용으로 다양하게 활용이 가능할 수 있다. 이러한 실증적 분야로의 구현 및 다중 차량 정보 발생 시 처리 방법에 대한 설계 및 구현 검증을 논문의 향후 과제로 한다.
본 논문의 실험결과를 활용하여 비 연결 지향적 차량 간 정보통신 체계를 구축하여, 안전운행 정보 교류, 사고 정보 전파 및 차량 간 안전거리 유지 등과 같은 분야에서 저렴한 비용으로 다양하게 활용이 가능할 수 있다. 이러한 실증적 분야로의 구현 및 다중 차량 정보 발생 시 처리 방법에 대한 설계 및 구현 검증을 논문의 향후 과제로 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 데이터 통신을 위한 단말장치는 조작의 실시간 반응성을 위해 무엇을 기반으로 설계되고 있는가?	차량의 데이터 통신을 위한 단말장치[2]는 조작의 실시간 반응성을 위해 RTOS(Real-Time Operating Ssystem) 기반의 시스템[3]으로 설계하거나 고사양의 CPU자원을 활용하는 Linux OS 또는 Window CE 기반으로 설계되고 있다.
	차량 간 데이터 통신을 위해 모바일 네트워크 또는 사물인터넷 기술이 활용되고 있는데, 어떠한 것들이 있는가?	차량 간 데이터 통신을 위해, 모발일 네트워크 또는 사물인터넷 기술이 활용되고 있다. LTE-m(LTE Machine Type Communication), NB-IoT(Narrow Band Internet of Things), LoRa(Long Range)등의 위치 추적용 데이터 통신 체계가 있으며, 5세대 이동통신 기반 V2X(Vehicle to Everything)기술은 산업 표준화 및 요구사항을 정립 중에 있다. 모바일 네트워크인 4G/5G 등은 이동통신사에 네트워크 환경에 제약을 받는다.
	이동식 단말장치간의 통신에서 상호 통신을 위한 접속이 지연되는 이유는 무엇인가?	이동식 단말장치간의 통신에서 상호 통신을 위한 접속이 지연되는 이유는 Beacon 데이터를 수신받지 못하거나 AP 대상을 학인하지 못하기 때문에 발생할 수 있다. Fig 4와 같이 TCP/IP 기반의 데이터 네트워크 체계에서 IP획득을 완료한 이후, TCP 수준의 연결지향 프로토콜을 올린다면 매우 많은 시간이 소비되고 이로 인해 최대 15초까지 시간이 소요될 수 있다.

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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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