Ⅰ. 서 론
차량 운전자들의 수가 증가하면서 도로에서는 잦 은 충돌 사고가 일어난다. 이런 충돌 사고는 운전자의 컨디션이나 시야 확보가 되지 않은 상황에서 발생하 게 되며, 충돌 사고를 인식하지 못한 운전자들로 인한 연쇄 충돌 사고가 일어날 가능성이 커질 수 있다. 충 돌 사고로 인해 도로의 상황을 운전자들에게 알려주 기 위한 응급 메시지 기술이 개발되고 있다.
VANET(Vehicular Ad Hoc Network)은 무선 네트 워크 기술을 통합하여 차량 간 무선 통신을 가능하 도록 하는 새로운 기술로써 지능형 교통 시스템 (ITS: Intelligent Transportation System) 이 가능할 수 있도록 하며, IVC (Inter-vehicular Communications) 또는 V2V(Vehicular to Vehicular Communication) 이 라고 한다[1, 2].
또한, VANET은 차량과 IT 기술을 접목한 것으 로 최근 텔레매틱스/ITS에서 차량 및 운전자의 안 전과 교통 흐름 개선을 위한 기술로 주목 받고 있 다. 이러한 이유로 여러 나라에서는 차량과 관련된 다양한 프로젝트가 활발히 진행 중에 있으며 표준 화를 통해 기술 개발을 하고 있다. 그리고 세계 여 러 나라의 다양한 자동차 회사들이 연구에 참여해 상용화를 위한 기술 개발에 참여하고 있다[3].
VANET은 MANET(Mobile Ad Hoc Network)의 한 분야이며, 차량의 응급한 상황에 대한 메시지를 후 위 차량(노드)들에게 전송하고, 더불어 주변 환경의 상황을 인식하거나 인터넷 서비스를 지원하기도 한 다. VANET에서 가능한 통신 방식은 차량과 차량 사이의 통신(V2V) 또는 차량과 외부 인터넷의 통신 (V2R)로 나눌 수 있다[4].
VANET에서 응급 메시지는 일정 범위에 있는 모든 노드에게 메시지를 전달하는 것이 일반적이며, 브로 드캐스트를 이용하여 메시지를 전달한다. 그러나 브 로드캐스트를 사용하여 메시지를 전달할 경우 메시지 간에 충돌이 일어나 지연시간이 발생하게 된다[5].
본 논문에서는 테이블 기반 방식을 이용하여 메 시지를 브로드캐스트하고 테이블 갱신을 메시지 전 송 성공률을 이용하여 갱신하는 방법을 제안한다. 기존의 테이블에 메시지 전송 성공률을 추가하여 브로드캐스트 메시지에 전송 성공률을 포함하여 이 웃 노드에게 전송하여 이웃 노드들이 자신의 테이 블을 갱신하도록 한다. 이 제안 방법을 사용하면 거 리가 멀지만 메시지 전송 성공률이 클 경우 테이 블 갱신을 메시지 전송 성공률로 한다면 멀리 있는 노드에게 짧은 지연시간으로 메시지를 더 빠르게 메시지를 전송할 수 있다.
본 논문은 다음의 순서로 구성되어 있다. 2절에서 는 관련 연구에 대해 살펴보고, 3절에서는 본 논문에 서 제시하는 테이블 기반 방식을 제시한다. 4절에서 는 제시한 테이블 기반 방식을 사용해 실험한 후 그 결과를 분석한다. 5절에서는 결론을 정리한다.
Ⅱ. 관련 연구
VANET에서 사용하는 라우팅 프로토콜은 크게 <그림 1>과 같이 애드 혹(ad hoc) 라우팅 프로토콜, 위치-기반(position-based) 라우팅 프로토콜, 클러스 터-기반(cluster-based) 라우팅 프로토콜, 브로드캐스 트(broadcast) 라우팅 프로토콜, 지오캐스트(geocast) 라우팅 프로토콜로 나눌 수 있다[1, 3].
차량 간 브로드캐스트 통신 방식은 안전 서비스의 특징에 따라 다음과 같은 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 주기적 브로드캐스트(Periodic Broadcast)와 이벤트 기반 브로드캐스트(Event_driven Broadcast) 로 분류할 수 있으며, 주기적 브로드캐스트는 자신 의 상태 정보를 포함한 안전 메시지를 주기적으로 인접차량들에게 전달하는 방식이다. 이벤트 기반 브로드캐스트는 위험 상황을 발생 시 사고예방 및 경고를 목적으로 하는 안전메시지를 주변 차량에게 전달하는 방식이다[6, 7].
1. LCN(Least Common Neighbor)
LCN[8]은 차량 간 애드 혹 통신에서 브로드캐스 팅 전송을 위한 플러딩의 한 방법이다. 차량마다 이 웃 차량의 리스트들을 가지고 있으며, <그림 2>와 같이 다음 홉을 결정할 때 최소의 공유 이웃 리스 트들을 가진 차량이 재방송 노드로 선택 된다. 플러 딩 할 때에 오버헤드를 줄여줌으로써 빠르게 데이 터를 후방으로 전송할 수 있는 프로토콜이다.
<그림 3>는 LCN의 동작과정으로 LCN 프로토콜 은 스스로 결정하는 선택 전략을 사용하고 있으며, 긴급 메시지를 전송해야 하는 차량은 이웃차량 리 스트를 보고 판단하여 충돌 경고를 보낸다. 이웃 리 스트를 비교하여 공유 이웃을 가장 최소로 가진 차 량을 찾고 이 공유 이웃을 재방송 노드로 선택한다. 각 차량은 자신의 이웃 차량의 리스트를 감청하거 나 헬로우 브로트캐스팅을 통해 관리한다.
긴급 메시지를 전송해야하는 차량은 이웃차량 리스트를 따라 충돌 경고를 보낸다. 각 차량은 자신 의 이웃 리스트와 충돌 경고에 포함되어 있는 메시 지의 이웃리스트를 비교하여 공유 이웃을 파악하고 최소의 공유 이웃을 가진 차량은 재방송을 한다. 공 유 노드의 수는 두 노드 사이의 거리를 변경함으로 써 이루어진다.
2. NB(Naive Broadcast)
NB[9]는 메시지 충돌을 피하기 위해 제안된 방법 으로 기본적인 패킷 라우팅 방법이다. 사고가 일어 난 차량은 이웃 차량에게 브로드캐스트 메시지를 전달한다. 브로드캐스트 메시지를 전달 받은 이웃 차량은 해당 메시지를 이웃 차량에게 전달한다. NB 는 차량의 이동방향과 메시지의 수신 방향을 고려 한다. 차량의 이동방향과 동일한 방향에서 전달받 은 메시지는 이웃차량에게 전달하고, 차량의 이동 방향과 동일하지 않은 방향에서 전달받은 메시지는 이웃 차량에게 전달하지 않는다. 차량의 이동방향 에 맞는 메시지를 수신하게 된다.
3. LPG(Local Peer Group)
LPG[10,11]는 기존 그룹 기반 지역 구조에서 최선 형 브로드캐스트로 보낼 때 차량 안전통신 요구사항 을 제공할 수 없으나 지역그룹은 그룹 내에서 매우 빠른 안전 관련 메시지의 전송과 중지가 가능하다.
도로상에서 차량들을 분할하기 위해 그룹 위치 들을 미리 지정하고, 그룹을 미리 정의하거나, 잠재 적으로 이웃하는 차량들의 무선 범위기반에서 차량 의 그룹을 조정한다. 만약 도로상의 문제나 사고 발 생 시 그룹 내에서 빠른 메시지 전송과 중지를 하 며, 다른 그룹으로의 전송 또한 빠르게 이루어진다. 이 프로토콜은 지역그룹 내에서 매우 빠른 안전 메 시지 전송이 가능하나 LPG의 크기와 성능 분석, 그 룹 내부를 중계하기 위한 차량 선정이 힘들다.
4. DDT(Distance Defer Transmission)
DDT[12]는 주기적인 위치정보 교환의 필요성을 제거한 정보전달 방법이다. 자신의 위치 정보 값을 메시지에 포함시켜 전송함으로써 자신과의 거리 정 보를 수신한 차량에서 각자 모니터링하고 송신 차 량과 거리에 반비례하는 대기 시간 후 메시지를 재 전송하는 방식을 취한다. 다시 말해서 송신 차량과 거리가 먼 차량일수록 짧은 대기시간을 갖게 한다. 이때 전 방향으로 효과적으로 전달되기 위해서 송 신 차량과 재송신 차량 사이에 위치한 차량과 그 주변에 위치한 차량들은 수신 가능한 메시지들을 계속 모니터링 하여 자신이 재전송할 필요성이 있 는지, 주변 노드의 전송 범위를 고려하여 결정한다.
5. TRADE(TRAcking DEtection)
TRADE[12]는 차량 간 통신을 하기 위해 이웃 차 량의 위치정보를 이용한다. 자신의 통신 반경 범위 안에 있는 차량들과 주기적인 위치정보 교환을 통 해 같은 도로를 달리지 않는 차량, 같은 도로를 달 리고 있으면서 자신의 앞에 있는 차량, 같은 도로를 달리고 있으면서 자신의 뒤에 있는 차량 이렇게 세 가지로 이웃 차량을 구분해 놓는다. 그 후 자신의 앞 방향과 뒤 방향에 대해 각각 가장 멀리 있는 두 차량을 경계선(border) 차량으로 설정하고 이 차량 의 ID를 포함한 메시지를 브로드캐스트한다. 선택 된 차량을 제외한 모든 차량은 메시지를 듣기만 하 고 선택된 경계선 차량만 메시지를 다시 브로드캐 스트하여 정보를 효과적으로 전파한다.
TRADE를 사용할 경우 대역폭을 효율적으로 사 용하여 성능을 향상 시킬 수 있는데 이는 메시지를 재전송 하는데 더 적은 수의 차량을 사용하기 때문 이다. 그러나 매홉마다 메시지를 전송하기 위한 노 드를 선정해야 하는 작업이 필요하므로 라우팅 오 버헤드가 존재한다.
Ⅲ. 제안기법
본 논문에서 제안한 기법은 테이블 기반으로 메 시지를 전송하는 기법을 제안한다. 테이블 기반 방 식은 각 노드로부터 망 내의 모든 다른 노드의 최 근 라우팅 정보를 관리한다. 이 프로토콜은 각 노드 가 라우팅 정보를 저장하기 위하여 하나 또는 그 이상의 테이블을 가지고 있고, 일관된 정보를 유지 하기 위하여 전체 망에 테이블 정보를 갱신하기 위 하여 주기적인 통신을 한다.
도로에서 연관성이 없는 차량들 사이의 브로드 캐스트 메시지 정보를 기반으로 테이블을 만들고 차량들의 변경된 위치를 주기적으로 갱신하여 테이 블을 유지한다면 응급상황에서 보다 빠른 메시지 전송이 가능하다.
테이블 기반방식은 브로드캐스트 메시지를 이용 하여 주기적으로 이웃 노드에게 자신의 라이팅 테 이블을 전달하여 라우팅 정보와 위치 정보가 유지 될 수 있도록 하며, 요구 기반 방식은 라이팅 테이 블을 사용하지 않고 브로드캐스트 메시지를 이용 하여 메시지를 전송하는 방식이다.
테이블 기반 방식에서 테이블을 유지하기 위해 주기적으로 메시지에 (Destination, Next_Hop, Sequence_ Number)이 포함되어 전송되며 이 정보를 기반으로 테이블이 갱신된다. 기존의 테이블 기반은 거리를 기반으로 가장 가까이에 있는 차량에게 메시지를 전송하게 되며, 가까이에 있는 차량을 기반으로 테 이블을 갱신한다.
<그림 4>는 차량 간의 거리 정보를 보여주고 있 으며, 이를 기반으로 한 초기 거리 정보는 <표 1>와 같은 형태로 생성되고 브로드캐스트 메시지를 통한 주기적인 통신으로 <표 2>와 같은 형태의 테이블이 각 노드에 유지된다.
<표 1>은 인접 노드의 거리를 나타낸 것으로 한 번의 브로드캐스트 메시지 송수신한 경우이고, <표 2>는 노드들 간에 여러 번의 브로드캐스트 메시지 를 전송하면서 수렴된 최신의 거리 정보이다.
기존 테이블 기반 방식은 전송 지연시간을 고려 하지 않아 메시지 전송 시간이 오래 걸릴 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 거리가 아닌 메시지의 전송 성공률을 나타내는 Receive_Hop을 기반으로 테이블을 갱신하 는 방법을 제안한다. 거리뿐만 아니라 Receive_Hop 를 기반으로 테이블을 갱신한다면 먼 거리에 있어 도 전송 성공률이 높은 차량을 선택하여 더 빠르고 신속하게 브로드캐스트 메시지를 전송할 수 있다.
기존의 테이블에 전송 성공률을 포함하기 위해 Receive_Hop을 추가하여 (Destination, Next_Hop, Receive_Hop, Sequence_Number)으로 테이블을 유지 한다. Receive_Hop을 기반으로 전송 성공률이 더 높 은 것을 선택하여 테이블을 갱신하게 되며, 거리가 멀더라도 Receive_Hop이 낮다면 기존의 테이블 기 반 방식보다 더 신속하게 전송할 수 있다.
아래 <그림 5>에서는 메시지 전송 성공률을 표 현하고 있다. A 차량에서 사고가 발생하게 되어 후 위 차량에게 메시지를 전송한다고 가정하면, 기존 의 방식에서 B차량으로 메시지 전송을 하게 될 경 우, 거리를 기반으로 전송을 하기 때문에 B차량이 메시지를 수신받기 위해서는 A->C->E->D를 거쳐야 만 브로드캐스트 메시지를 전송 받을 수 있게 된다.
그러나 메시지 전송 성공률을 기반으로 전송하 게 된다면 B차량은 A차량으로부터 바로 브로드캐 스트 메시지를 전송받을 수 있고, B차량의 주위에 있는 차량에게 더 신속하게 브로드캐스트 메시지 를 전송할 수 있다. 따라서, 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하게 되면 전체 노드에 메 시지를 전송하는데 있어 지연시간을 줄 일 수 있다.
다음 <그림 6>은 제안 기법의 의사코드이며, 메 시지 전송 성공률을 이용하여 테이블을 갱신하는 방법을 보이고 있다. 전송 받은 메시지가 자신에게 보낸 것이 아니고 테이블의 값이 0이 아닌 경우 메 시지 전송 성공률을 계산하여 테이블을 갱신한다.
Ⅳ. 제안기법에 대한 성능평가
본 절에서는 본 논문에서 제시한 효율적인 긴급 메시지 전송 기법에 대한 성능비교를 기술한다.
1. 실험 환경
성능비교를 위해 네트워크 시뮬레이터인 ns-2를 사용하였다. 본 논문에서는 2차선과 4차선 도로의 환 경에서 차량이 지나가는 경우의 메시지 전송에 대하 여 실험을 하였다. 2차선의 경우 사고 난 하나의 차 선을 제외한 나머지 차선을 이용할 수 있기 때문에 차선 변경을 위한 메시지 전송이 가능하며, 후위 차 량은 사고가 난 메시지를 수신 받으면 사고가 났다 는 것을 인식할 수 있다. 2차선의 실험을 기반으로 4 차선으로의 실험을 진행하였으며, 4차선에서는 2차 선보다 차량의 수가 증가시켜 실험을 진행했다.
시뮬레이션 범위는 가로 1km, 세로10m ~20m의 도로로 하였으며 2개의 차선과 4개의 차선을 만들 었다. 차량의 간격은 5m로 배치하였으며 차량은 같 은 방향으로 진행하고 속도는 시속 60Km로 하고 시뮬레이션 시간은 20초로 실행하였다. 메시지 전 송 간격은 0.30 sec로 간격을 두어 전송을 하였고 최소 메시지 전송크기는 20bytes로 최대 전송 메시 지는 10000 bytes로 제한하였다. 라우팅 프로토콜은 DSDV와 AODV를 기반으로 실험을 하였다. 구체적 인 성능 평가를 위한 실험 환경은 <표 3>과 같다.
2. 실험 결과
실험은 크게 두 가지 상황으로 나누어서 진행하 였고, 한 가지는 2차선에서 차량이 이동하는 경우 이고 다른 하나는 4차선에서 차량이 이동하는 경우 이다. 각 경우별로 요구 기반 방식과 테이블 기반을 변형한 방식으로 메시지를 브로드캐스트하고 테이 블을 갱신하는 방식을 적용하여 실험을 하였다. 차 량 수를 변화시켜 차량의 수에 따른 메시지의 전송 률과 지연시간을 비교하였다.
1) 2차선
2차선에서 응급 메시지를 브로드캐스트하여 전 송하였을 경우 차량의 수를 변화시키면서 요구 기 반 방식과 테이블 기반을 변형한 Receive_Hop으로 테이블을 갱신하는 방식을 이용하여 메시지의 전송 률을 비교하였다. <그림 6>은 2차선에서 긴급 상황 을 감지한 차량의 무선 충돌 경고 메시지를 보내기 시작하여 해당 메시지가 차선의 가장 끝에 있는 차 량에 전달 될 때까지의 수신율이다. 응급상황에서 발생한 메시지를 보내는 소스 노드는 1번 노드로 가정하고 실험을 하였다. 차량의 수는 4대, 10대, 20 대, 40대, 60대로 증가시켜서 실험을 하였으며 노드 의 이동방향은 모두 동일한 방향으로 가정하였다.
<그림 7>은 이 차선에서 차량의 수를 증가시켜 가며 메시지의 수신율을 비교한 결과이다. 그래프 를 보면 요구 기반 방식이 제안 기법보다 더 많은 수신율을 보였다. 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하면서 생기는 전송 회수의 증가로 인해 제안한 방식의 전송률 기존의 요구 기반 방식 보다 수신율이 약간 낮게 나타났다.
<그림 8>는 긴급 상황을 감지한 차량의 무선 충 돌 경고 메시지를 보내기 시작하여 해당 메시지가 차선의 가장 끝에 있는 차량에게 전달되는데 걸리 는 평균 지연시간을 비교한 결과이다. 그래프를 보 면 요구 기반 방식보다 제안한 테이블 기반 변형 방 식에서의 지연시간이 줄어든 것을 확인 할 수 있었 다. 지연시간은 짧게는 0.004초의 차이를 보였고 길 게는 0.7초 정도의 지연시간을 가지고 있었다. 이는 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하여 가장 짧은 시간을 가지고 있는 차량에게 메시지를 전송하기 때문에 지연시간이 짧은 것으로 보인다.
2) 4차선
4차선에서도 역시 2차선에서 적용한 방법을 기 반으로 실험을 하였다. 4차선에서 이동의 방향은 모두 동일하며 차량의 수는 2차선보다 더 많은 차 량으로 실험을 하였다. 차량의 수는 20대, 40대, 60 대, 80대로 증가하여 실험을 하였으며 응급메시지 의 소스 노드는 역시 1번 노드로 가정하였다.
<그림 10>은 4차선에서의 요구 기반 방식과 테 이블 기반 방식을 변형한 방식의 메시지 수신율이 다. 2차선보다 차량의 수가 증가하여 차량이 증가 할수록 수신율이 약간씩 더 떨어지고 있는 것을 확 인 할 수 있다. 4차선에서도 제안한 방식보다 기존 의 요구 기반 방식이 평균 9%의 수신율의 차이가 보였으며, 차량의 수를 증가하더라도 제안한 기법 보다 수신율이 조금 더 높게 나타났다. 이는 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하면서 생기 는 전송 회수의 증가로 인해 제안한 방식의 전송률 기존의 요구 기반 방식보다 수신율이 약간 낮게 나 타났다.
<그림 10>은 4차선에서 요구 기반 방식보다 제 안한 테이블_기반 변형한 방식에서의 지연시간이 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 적게는 0.2초에서 많게는 1.0초 정도의 차이를 보이고 있으며 차량이 증가하면서 메시지 지연시간이 증가를 하였다. 이 는 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신 하여 가장 짧은 시간을 가지고 있는 차량에게 메시 지를 전송하기 때문에 요구 기반 방식보다 지연시 간이 짧은 것으로 보인다.
실험 결과 제안한 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지 전송 성공률로 테이블을 갱신하는 방법을 사용하였을 경우 메시지의 전송 회수를 기반으로 테이블을 갱신하기 때문에 메시지의 전송 회수가 증가할수록 전송률이 떨어지기 때문에 요구 기반 방식보다 수신율이 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 긴급 상황에 처한 노드에서 가장 뒤쪽에 있 는 노드에게로 긴급 상황을 알리는 메시지를 보내 는데 걸리는 평균 지연시간을 시뮬레이션 해 본 결 과 테이블 기반 방식을 변형하여 메시지를 전송하 면 전송 성공률이 높은 노드를 선택할 수 있기 때 문에 요구 기반 방식보다 지연시간이 줄어드는 것 을 확인할 수 있었다. 고속의 차량들이 안전거리를 지키지 않고 차량 사이의 거리를 좁게 유지하여 달 리고 있지 않다면 운전자의 시야에만 의존하는 경 우보다 제안된 방식의 메시지 전달방법을 사용하면 더 적은 지연시간으로 신속하게 차량들에게 메시지 를 전달할 수 있다.
Ⅴ. 결 론
VANET에서는 요구 기반 방식과 테이블 기반 방 식으로 메시지를 브로드캐스트하게 된다. 요구 기 반 방식을 사용할 경우, 모든 노드들에게 메시지를 전송하고 메시지를 수신한 노드들이 다시 메시지를 모든 노드들에게 포워딩하기 때문에 메시지의 수신 율은 안정적이다. 그러나 모든 노드들이 메시지를 전송하게 되면 메시지 충돌이 일어나 메시지를 전 송하는데 있어 지연시간이 생기게 된다. 테이블 기 반 방식은 연계성이 없는 차량들 사이에서 지속적 인 통신으로 라우팅 테이블을 만들어 긴급 메시지 전송 시 거리를 확인하여 가장 가까이에 있는 노드 만 수신하도록 브로드캐스트 메시지를 전송한다. 그러나 거리를 기반으로 메시지를 전송하게 될 경 우 네트워크 상황에 따라 메시지를 전송 받지 못하 는 경우가 있다. 이런 경우를 고려하여 테이블을 갱 신할 때 거리가 아닌 메시지 전송 성공률을 기반으 로 테이블을 갱신하는 방법을 제안하였다.
제안한 방법에서 메시지 전송 성공률로 테이블 을 갱신하게 되면 거리가 멀더라도 메시지 전송 성 공률이 높다면 더 빠르게 메시지를 전송할 수 있다 고 판단하여 테이블을 갱신하는데 메시지 전송 성 공률을 사용하였다. 제안한 테이블 갱신 방법은 노 드가 증가함에 따라 메시지 전송 회수의 증가로 수 신율에서는 약간 낮지만, 메시지 평균 지연시간에 있어서는 더 적은 지연시간을 가지고 있었다. 이는 메시지 전송 성공률을 기반으로 테이블을 갱신하여 가장 짧은 시간을 가지고 있는 차량에게 메시지를 전송하기 때문에 요구 기반 방식보다 지연시간이 짧다.
본 논문에서 고려한 상황은 단방향으로 2차선과 4차선을 고려하였다. 이러한 환경은 고속도로의 양 방향 차선에서 서로 다른 방향의 차량에는 메시지 를 전송하지 않는 다는 것을 기반으로 실험을 한 것이다. 그러나 도로의 교통 상황은 여러 경우가 있 으며 현실의 교통 상황 또한 다양하기 때문에 다양 한 교통 환경과 도로 형태에 대하여 제안된 방식의 연구 할 필요가 있다. 또한 도로의 모양이 직선만 있는 것이 아니기 때문에 도로의 모양에 대한 연구 가 필요하다. 또한 긴급 메시지를 전송하고 전송받 는데 있어 짧은 시간에 메시지를 전송받는 것이 가 장 중요한 것이기 때문에 시간을 단축할 수 있는 연구가 필요하다.
