VANET (Vehicular Ad Hoc Networks)은 차량 간, 차량과 인프라 간의 네트워크이다. 높은 이동성, 이동 제한, 장애물에 의한 신호 방해와 같은 VANET 고유의 특성은 안정적인 VANET 서비스 제공을 어렵게 한다. 이를 해결하기 위해, 본 논문에서는 기존 버스 기반 클러스터링을 개선한, 차량 종류 기반 우선순위 클러스터 방법을 제시한다. 제안 알고리즘은 차량 종류, 예상 통신 수명, 주변 노드 링크 차수를 바탕으로 우선순위, 링크 품질, 연결성을 평가해 클러스터를 구성한다. 차량의 종류를 바탕으로 미리 결정된 우선순위를 활용함으로써 클러스터 헤드 선택을 단순화하고 클러스터 커버리지를 높이고자 한다. 제안 알고리즘은 커넥티드카 환경에서 안정적인 서비스를 제공하는데 기여함으로써 다양한 서비스 활성화의 기반이 될 것으로 기대된다.
VANET (Vehicular Ad Hoc Networks)은 차량 간, 차량과 인프라 간의 네트워크이다. 높은 이동성, 이동 제한, 장애물에 의한 신호 방해와 같은 VANET 고유의 특성은 안정적인 VANET 서비스 제공을 어렵게 한다. 이를 해결하기 위해, 본 논문에서는 기존 버스 기반 클러스터링을 개선한, 차량 종류 기반 우선순위 클러스터 방법을 제시한다. 제안 알고리즘은 차량 종류, 예상 통신 수명, 주변 노드 링크 차수를 바탕으로 우선순위, 링크 품질, 연결성을 평가해 클러스터를 구성한다. 차량의 종류를 바탕으로 미리 결정된 우선순위를 활용함으로써 클러스터 헤드 선택을 단순화하고 클러스터 커버리지를 높이고자 한다. 제안 알고리즘은 커넥티드카 환경에서 안정적인 서비스를 제공하는데 기여함으로써 다양한 서비스 활성화의 기반이 될 것으로 기대된다.
VANET (Vehicular Ad Hoc Networks) is a network between vehicles and between vehicles and infrastructure. VANET-specific characteristics such as high mobility, movement limitation, and signal interference by obstacles make it difficult to provide stable VANET services. To solve this problem, this pap...
VANET (Vehicular Ad Hoc Networks) is a network between vehicles and between vehicles and infrastructure. VANET-specific characteristics such as high mobility, movement limitation, and signal interference by obstacles make it difficult to provide stable VANET services. To solve this problem, this paper proposes a vehicle type-based priority clustering method that improves the existing bus-based clustering. The proposed algorithm constructs a cluster by evaluating the priority, link quality, and connectivity based on the vehicle type, expected communication lifetime, and link degree of neighbor nodes. It tries to simplify the process of selecting a cluster head and increase cluster coverage by utilizing a predetermined priority based on the type of vehicle. The proposed algorithm is expected to become the basis for activating various services by contributing to providing stable services in a connected car environment.
VANET (Vehicular Ad Hoc Networks) is a network between vehicles and between vehicles and infrastructure. VANET-specific characteristics such as high mobility, movement limitation, and signal interference by obstacles make it difficult to provide stable VANET services. To solve this problem, this paper proposes a vehicle type-based priority clustering method that improves the existing bus-based clustering. The proposed algorithm constructs a cluster by evaluating the priority, link quality, and connectivity based on the vehicle type, expected communication lifetime, and link degree of neighbor nodes. It tries to simplify the process of selecting a cluster head and increase cluster coverage by utilizing a predetermined priority based on the type of vehicle. The proposed algorithm is expected to become the basis for activating various services by contributing to providing stable services in a connected car environment.
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문제 정의
본 논문에서는 VANET을 위한 우선순위 기반 클러스터링 알고리즘을 제안한다. Jingxuan Wang[4]의 아이디어를 바탕으로, 차량을 유형별로 구분하고 우선순위를 부여해 클러스터 헤드 선택을 단순화하고 커버리지를 높인다.
본 논문에서는 버스를 고정 클러스터 헤드로 사용하는 클러스터링 기법을 바탕으로 VANET 환경을 위한 우선순위 기반 클러스터링 알고리즘을 제시했다. 구체적으로 차량을 버스, 통근 자동차, 일반 자동차의 세 가지 유형으로 분류하고 있는 우선순위를 부여함으로써 클러스터링 과정을 단순화하고 커버리지를 높이고자 했다.
본 논문에서는 이런 문제를 해결하기 위해 버스를 활용한 클러스터링 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 클러스터링 과정에서 버스 외의 차량 유형을 추가 고려함으로써 앞서 언급한 "블라인드 스팟"과 “서비스 불가" 문제로 인한 영향을 줄이고자 했다.
상대 속도는 연결 안정성을 반영하는 값이므로 모든 노드는 상대 속도가 -ΔVth 및 +ΔVth 조건을 만족하는지 확인한다.
이를 극복하기 위해 MECNs(Multi-access Edge Computing Nodes)와 FCNs 같은 컴퓨팅 노드가 사용되곤 하는데, VANET 에서는 Basic Safety Message (BSM) 교환과 Service Migration 빈도 측면에서 성능 문제라는 두 가지 기본적인 문제를 해결할 필요가 있다. 저자는 버스를 에지 노드로 활용해 문제를 해결하고자 했다. 하지만, 버스가 없는 상황에서는 고정된 RSU 에 의존하므로 모바일 클러스터를 충분히 활용하진 못했다.
제안 알고리즘은 고정 클러스터 역할 담당 차량을 사전 결정함으로써 클러스터링 과정을 간소화시키고 커버리지를 증가시키는데 목적이 있다. 다만 제안 알고리즘은 우선순위의 차량 종류가 추가되었으나 클러스터링 과정은 기존의 버스 중심 클러스터링과 거의 유사하다고 볼 수 있다.
가설 설정
모든 차량이 동시에 클러스터링 과정을 시작하면 네트워크에 혼잡이 발생하기 때문에 특정 지역의 차량중 하나가 클러스터링 과정을 시작한다. CI 메시지를 전송하는 차량은 해당 지역에서 가장 느린 노드로 가정 한다. 아직 클러스터에 참여하지 않은 차량이 이 메시지를 수신하면 클러스터링 과정을 수행한다.
따라서 잦은 네트워크 파티션 또는 병합으로 인해 자동차 간의 안정적인 통신을 달성하기 어렵다. 둘째, 노드의 움직임은 도로에 의해 제한된다. 차량은 도로를 따라 주행해야하며 특히 도시 환경에서 앞 차량 및 교통 신호의 동작에 크게 영향을 받는다.
모든 자동차는 사전에 유형이 분류되어 있다고 가정 한다. 버스 유형은 공공 기관에 의해 입력될 수 있다.
보다 정교한 모델을 만들기 위해서는 차량 간 상호 협력을 통해 생성한 관측 결과를 머신러닝 기술을 활용해 분류할 수 있을 것이다. 모든 차량은 기본적으로 일반 차량으로 입력된다고 가정한다.
제안 방법
이 과정은 모든 차량이동일 우선순위이거나, 동일 우선순위 차량이 두 대 이상인 경우에만 트리거 된다. 각 차량은 독립적으로 적합성을 계산하고 서로 비교한다. 결과적으로 적합성이 가장 큰 차량이 클러스터 헤드가 된다.
본 논문에서는 버스를 고정 클러스터 헤드로 사용하는 클러스터링 기법을 바탕으로 VANET 환경을 위한 우선순위 기반 클러스터링 알고리즘을 제시했다. 구체적으로 차량을 버스, 통근 자동차, 일반 자동차의 세 가지 유형으로 분류하고 있는 우선순위를 부여함으로써 클러스터링 과정을 단순화하고 커버리지를 높이고자 했다. 즉, 이를 통해 시간 및 공간 측면에서 클러스터의 적용 범위를 향상시킬 수 있다.
각 유형에 우선순위를 두어 클러스터 헤드 선택 시 참고하도록 한다. 본 논문에서는 복잡성을 줄이기 위해 차량 유형을 3가지로 분류했으나 상황에 따라 조정될 수 있다. [그림 1]은 차량 유형을 버스, 통근 차량, 일반 차량으로 나누고 우선순위를 부여한 예시이다.
예측할 수 없는 노드의 이동성은 데이터가 항상 최적 경로로 전달된다는 보장을 할 수 없게 만든다. 이를 해결하기 위해 버스를 라우팅에 활용하는 Bus-based Routing Technique (BRT) 라는 기법을 제안했다. 이 기법은 버스 기반 전용 백본을 통해 RSU 로 데이터를 전송하는데 필요한 시간(혹은 시간 거리)을 학습하기 위해 버스의 주기적이고 예측 가능한 이동성을 활용한다.
본 논문에서는 클러스터링 과정에서 버스 외의 차량 유형을 추가 고려함으로써 앞서 언급한 "블라인드 스팟"과 “서비스 불가" 문제로 인한 영향을 줄이고자 했다. 제안하는 클러스터링 방법은 차량 우선순위 지정과 클러스터링 과정의 두 가지 단계로 구성된다.
클러스터 안정성을 위해 노드의 연결성 및 연결 품질을 메트릭으로 사용했다. 연결 품질은 가중치 기반 예상 통신 수명(Wlifetime)을 나타내는 값으로, Hello 메시지를 수신 할 때 계산된 후 이웃 테이블에 저장되는 예상 통신 수명으로부터 유도된다.
성능/효과
1) 클러스터 헤드 선정 과정을 단순화하고 고정 클러스터링 방식의 문제점을 해결할 수 있다.
3) 일반 사용자의 차량이 클러스터 헤드가 되는 부담을 어느 정도 피할 수 있다.
따라서 가장 높은 우선순위를 부여한다. 둘째, 통근 차량은 이동 지역과 시간이 어느 정도 일정하므로 안정적인 클러스터 헤드가 될 수 있다. 통근 차량은 사업 목적의 차량이거나 일반 차량일 수 있다.
[그림 4]는 우선순위가 높은 차량이 하나인 상황이다. 모든 차량은 자신의 이웃 테이블을 보고 가장 우선순위가 높은 버스가 근처에 있다는 것을 알고 있다. 이때는 클러스터 헤드 선택 경쟁이 필요하지 않다.
VANET의 고유한 특성은 높은 이동성, 차량의 제한된 움직임, 장애물에 의한 신호 차단으로 요약할 수 있다[1][2]. 첫째, VANET의 노드는 매우 빠르게 움직이는 차량이기 때문에 이동성이 높다. 따라서 잦은 네트워크 파티션 또는 병합으로 인해 자동차 간의 안정적인 통신을 달성하기 어렵다.
이 같이 분류한 이유는 다음과 같다. 첫째, 버스는 스케줄에 따라 미리 결정된 도로를 통과한다는 특성으로 인해 가장 안정적인 클러스터 헤드가 될 수 있다. 또한, 버스는 무선 신호를 주고받을 때 다른 차량에게 방해받지 않을 정도로 크기가 충분하다.
후속연구
다만, 특정 지역에서 차량 밀집도가 낮은 경우 통신 자체가 불가능한 상황이 존재할 수 있다는 점은 극복이 필요하다. 또한, 제안 알고리즘을 통해 형성된 클러스터를 바탕으로 전체 메시지 전달과정을 고려한 통합적인 연구가 필요하다. 이는 효율적인 클러스터 간 통신 방식을 추가함으로써 달성 가능하다.
예를 들어, 모든 자동차가 정기적으로 이동 경로를 확인하고 동일 경로를 일정한 패턴으로 여러 차례 주행하면 통근 차량으로 분류하는 것이다. 보다 정교한 모델을 만들기 위해서는 차량 간 상호 협력을 통해 생성한 관측 결과를 머신러닝 기술을 활용해 분류할 수 있을 것이다. 모든 차량은 기본적으로 일반 차량으로 입력된다고 가정한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
VANET이란?
VANET (Vehicular Ad Hoc Networks)은 차량 간, 차량과 인프라 간의 네트워크이다. 높은 이동성, 이동 제한, 장애물에 의한 신호 방해와 같은 VANET 고유의 특성은 안정적인 VANET 서비스 제공을 어렵게 한다.
VANET의 노드의 움직임은 도로에 의해 제한되는 특성은 어떤 문제를 야기하는가?
차량은 도로를 따라 주행해야하며 특히 도시 환경에서 앞 차량 및 교통 신호의 동작에 크게 영향을 받는다. 이 특성은 확장성의 문제를 야기하기도 한다. 즉, 네트워크의 노드 밀도가 낮아지거나 높아지는 일이 빈번하게 발생할 수 있다. 이 같은 상황은 모두 라우팅 프로토콜에 바람직하지 않은 이슈다.
안정적인 VANET 서비스 제공을 어렵게 하는 요소들은 어떤 것들이 있는가?
VANET (Vehicular Ad Hoc Networks)은 차량 간, 차량과 인프라 간의 네트워크이다. 높은 이동성, 이동 제한, 장애물에 의한 신호 방해와 같은 VANET 고유의 특성은 안정적인 VANET 서비스 제공을 어렵게 한다. 이를 해결하기 위해, 본 논문에서는 기존 버스 기반 클러스터링을 개선한, 차량 종류 기반 우선순위 클러스터 방법을 제시한다.
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