초록 ▼

□ 연구개요
본 과제에서는 자율주행 자동차를 위한 고품질 멀티미디어의 저지연 스트리밍을 지원하는 밀리미터 파(mmWave)통신시스템에 대한 연구를 수행한다. 가까운 미래에는 자동차의 역할이 단순한 운송수단뿐 아니라 개인적, 사무적 활동공간으로 변화할 것으로 전망 된다. 이로 인하여 자율주행 자동차에서 고품질 통신 환경은 필수 요소가 될 것이다. 본 과제에서 5세대 통신 핵심 후보 기술중 하나인 mmWave 셀룰러 통신망에서 자율주행차량들의 동적 군집 네트워크를 형성, 활용하여 고품질, 저지연 멀티미디어 스트리밍을 실현하는 시스

□ 연구개요
본 과제에서는 자율주행 자동차를 위한 고품질 멀티미디어의 저지연 스트리밍을 지원하는 밀리미터 파(mmWave)통신시스템에 대한 연구를 수행한다. 가까운 미래에는 자동차의 역할이 단순한 운송수단뿐 아니라 개인적, 사무적 활동공간으로 변화할 것으로 전망 된다. 이로 인하여 자율주행 자동차에서 고품질 통신 환경은 필수 요소가 될 것이다. 본 과제에서 5세대 통신 핵심 후보 기술중 하나인 mmWave 셀룰러 통신망에서 자율주행차량들의 동적 군집 네트워크를 형성, 활용하여 고품질, 저지연 멀티미디어 스트리밍을 실현하는 시스템에 관하여 연구한다. mmWave 셀룰러망은 4세대에 비해 대폭 향상된 데이터 대역 성능을 가져올 것으로 기대된다. 그러나 Line-of-Sight(LOS)의 채널에 의존성, 높은 전파 방향성등의 특성으로 인해 기존과 다른 접근 방법이 요구된다. 이같은 한계점을 극복하고자 협력게임이론을 이용, 차량들의 동적 군집 형성을 통해 통신 효율을 높이는 방법을 제안한다. 여기에 차량 사이 mmWave 전이중(full-duplex) 전달 기법과 프로토콜을 통해 극 저지연 통신망 형성을 제안한다. 또한 최근 널리 쓰이는 비디오 스트리밍 표준인 DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)기법을 동적 환경에 적용하기 위해 모델 예측 제어 기법을 도입한 스트리밍 클라이언트를 설계한다. 이론적인 모델의 수립과 분석, 그리고 실제 DASH 표준의 클라이언트 구현에 이르기 까지 다방면에 걸쳐 연구를 진행하고자 한다. 본 연구의 궁극적인 목표는 5세대 통신망에서 자율주행 자동차 시대에 끊김없는(seamless), 높은 전송률(high rate)로, 저지연(low latency)의 멀티미디어 서비스를 위한 통신 기술을 구현함에 있다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구는 5세대 통신망 시스템에서 자율주행 자동차들을 유기적으로 연결하여 탑승자들에게 고품질, 저지연의 멀티미디어 컨텐츠를 서비스하여 높은 사용자 체감 만족도 (QoE, Quality of Experience)를 달성함을 목표로 하였으며, 연구 목표대비 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
(1) 자동차간 협력적 clustering을 통해 안정적인 멀티미디어 서비스를 제공하는 통신 기법을 연구하였다. 자율주행 자동차가 운행 중에 기지국(base station)과 차량 간 LOS가 보장되지 않는 경우, 인접한 차량 즉 relay station 통신 범위와 LOS가 보장되어 있는 차량에 탑재된 모바일 AP를 통해 데이터를 relay 받음으로써 끊김 현상이 없는 통신을 유지할 수 있다. 이에 본 연구는 협력게임 이론을 수식화 및 해당 수식을 적용하여, 자동차간의 협력적 clustering을 형성하고 통신하는 기법을 시뮬레이션을 통해서 적용하였던 협력게임 솔루션을 확인하였으며, 그 결과로 자동차가 운행 중 자연적인 상황에 대처하여 고품질 멀티미디어 서비스를 유지할 수 있도록 연구 목표를 달성하였다.
(2) 저지연 mmWave 통신을 위한 directional full-duplex relay 망을 연구하였다. mmWave는 LOS가 보장된 환경에서는 매우 높은 성능을 내지만 non-LOS 상황에서는 특유의 방향성과 높은 전파감쇄로 인해 통신품질이 떨어진다. 노드의 높은 이동성이 존재하는 차량 네트워크는 직접적으로 LOS 환경을 보장하기 어려우나, 도로 상 인접한 차량 간 LOS가 형성되는 점에 착안하여 relay 방식으로 LOS 환경을 유지한다. 또한, relay로 인한 데이터 전송 지연은 동시에 송·수신이 가능한 full-duplex 기법을 이용하여 해결한다. 통신 노드의 mmWave 기술은 기존의 전방향성 통신과는 달리 non-LOS 환경 인접노드에의 전파간섭이 제한적이기에 mmWave 노드들의 네트워크는 이를 고려한 새로운 네트워크 스케줄링 기법이 필요하다. 이에 본 연구는 full-duplex 통신을 위해서 자기간섭 채널 estimation으로 채널 정보를 구한 뒤low-complexity를 가지는 간섭제거 기법을 연구하였으며, 기존의 mmWave full-duplex relay 기법 비교 및 분석을 진행하였으며, superposition coding 및 source 와 relay node의 동시 송/수신 모드를 사용하는 스케줄링 기법을 제시하였다. 또한 앞서 제시한 스케줄링 기법으로는 실시간 스트리밍을 하는 경우 data의 전송 delay가 고려되지 않아 지연성능이 크게 떨어질 수 있어, 본 연구에서는 throughput-delay trade-off가 가능한 two-phase flow control 방법을 제시함으로써 연구 목표를 달성하였다.
(3) 이종 네트워크 환경에서의 유틸리티 최적화 문제를 연구하였다. 서로 다른 네트워크 환경에서 다른 목적함수를 지닌 차량들의 유틸리티 최적화를 위한 알고리즘을 제안, 분석하였다.
(4) 고품질 멀티미디어의 안정적인 송·수신을 위하여 Cluster Aware Model Predictive Control(MPC)를 이용한 Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) 클라이언트를 구현한다. 고품질 멀티미디어의 송·수신에서 사용자 체감 품질(Quality of Experience, QoE)의 만족도를 더욱 높이기 위하여 최근 부상 중인 DASH 기법을 고려한다. 이에 본 연구는 DASH 기법 및 MPC 모델링에 대해 리서치를 진행하였으며, 사용자 체감 품질 극대화를 위한 DASH 기법을 지원하기 위해 최적화 문제를 통해 모델을 제시함으로써 구현을 제외한 연구 목표를 달성했다 할 수 있다.

□ 연구개발결과의 중요성
(1) 고품질 멀티미디어에 대한 사용자 요구가 증가함에 따라, 자율주행자동차 환경에서의 높은 이동성과 mmWave 방향성과 같은 특성을 고려한 차세대 통신환경의 연구 중요성이 커지고 있다. 네트워크 환경이 다이나믹하게 변화하는 자율주행자동차의 특성상, 네트워크 연결이 불안정하고 끊김이 자주 발생한다. 그리고 LOS가 확보된 자동차와 그렇지 못한 자동차의 통신채널에 큰 품질 격차가 발생한다 이를 해결하기 위해 끊김없는 고품질 통신서비스를 유지하는 시스템을 설계 하였다.
(2) 저지연 전송 기술과 효율적인 자원 사용에 대한 중요성이 더해짐에 따라 mmWave 기반 full-duplex relay 망의 자원 할당기법이 중요하게 되었다. 기존의 많은 연구에서 relay 네트워크를 다루기는 하나 전통적인 half-duplex 방식 혹은 전방향 통신을 가정하는 경우가 많다. 본 연구에서는 네트워크는 차량 네트워크의 클러스터 토폴로지가 주어졌을 때 DASH가 요구하는 비트레이트를 충족시키는 mmWave relay 스케줄링 및 자원할당 기법을 사용하였다
(3) 이종네트워크 환경에서 서로 다른 유틸리티를 지닌 차량들간의 최적화 문제가 대두되고 있다. 이종네트워크 환경에서 서로 다른 목적함수를 지닌 노드들간의 유틸리티 최적화 문제에 대해 고려하였다. 이를 위한 알고리즘을 제안하고 분석을 완료하였다.
(4) 고품질 멀티미디어 전송을 다룸에 있어서 사용자 체감 품질의 중요성이 더해짐에 따라 관련 기술들이 각광받기 시작하였다. 높은 이동성으로 인한 가변적 환경에서 Data rate를 안정적으로 보장하며 고품질 멀티미디어 전송 통신 환경을 위한 DASH클라이언트 설계를 하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1) 자동차 clustering 특성을 파악하기 위한 1차원적 일반도로 환경 체계 연구 ... 6
• 2) 협력게임을 위한 cluster 정책 결정에 필요한 알고리즘 구축 ... 7
• 3) 기존의 연구 결과를 토대로, 2차원적 시내 도로 상황에 알고리즘 적용 ... 8
• 4) mmWave 자기 간섭 채널 모델링 survey ... 9
• 5) mmWave 자기 간섭 제거 기법 연구 ... 10
• 6) 기존의 mmWave full-duplex relay 기법 비교 및 분석 ... 11
• 7) 이종 네트워크 상황에서의 유틸리티 최적화를 위한 네트워크 모델 및 환경 연구 ... 11
• 8) 이종 네트워크 상황에서 매크로셀의 SINR 밸런싱을 고려한 유틸리티 최적화를 위한 알고리즘 제안 및 분석 ... 12
• 9) mmWave relay 네트워크에 적용 가능한 링크 스케쥴링 기법 연구 ... 14
• 10) mmWave relay 네트워크에서의 스트리밍 기법 연구 ... 15
• 11) DASH 기법과 MPC 모델링에 대한 리서치 ... 16
• 12) MPC를 접목한 DASH 연구 ... 17
• 13) mmWave full-duplex relay 네트워크 환경에서의 MPC를 접목한 CAMD 클라이언트 구현 ... 17
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 21
• 끝페이지 ... 34