Ⅰ. 서 론

기존 도로 인프라에 대한 이용 효율성을 극대화 하고 운전자 편의의 교통 정보제공 및 각종 교통 문제를 해결하고자 국내뿐만 아니라 해외에서도 경 쟁적으로 ITS(Intelligent Transportation Systems) 기술 을 도입하고 시제품들을 개발하고 있다[1-2]. 이러 한 ITS 기술에서의 핵심은 빠르고 정확한 교통정보 를 필요한 사용자에게 전달하는 것이다. 즉, 주행 중인 차량이 다른 차량과 통신을 하거나 주변 인프 라는 통해 인터넷 망에 실시간 접속할 수 있도록 기술을 지원함으로써 도로교통 정보, 응급서비스, 경로안내, 안전운전 지원, 자동요금징수, 각종 낙하 물 검지 등의 다양한 텔레매틱스 관련 서비스 제공 이 가능하다[3]. 이러한 서비스 제공을 위해서는 먼 저 노변에 설치된 기지국 및 각종 센서들로부터 도 로 교통상황과 정보를 실시간 수집하여 서버에 저 장한다. 각종 교통 정보를 필요로 하는 운전자들은 주변 인프라를 통해 서버로부터 필요한 정보를 내 려 받는다. 이러한 ITS 서비스를 위해서는 주행차 량이 노변에 설치된 통신 인프라와 통신하는 V2I(Vehicle to Infra) 네트워킹 기술과 서비스를 끊 김없이 유지하기 위한 핸드오버 기술이 매우 중요 하다. V2I 통신으로 IEEE802.11p 기반의 WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) 통신 기 술이 널리 사용된다[4]. 본 논문에서는 WAVE 통신 장치에 적용된 핸드오버 기술이 어떻게 연구되어 왔는지 살펴보고 추가적으로 필요한 연구 분야에 대해 시험한 결과를 제시한다.

대체로 현재까지 WAVE 통신환경에서의 핸드오 버 관련 논문들은 핸드오버 지연시간을 최소화하기 위한 연구가 많이 진행되었다. 핸드오버 지연시간 에 민감한 서비스들을 지원하기위해 빠른 핸드오버 를 위한 메커니즘이 제안되었고[5], 주변 차량들로 부터 핸드오버 정보를 취득하거나 기지국의 위치정 보와 주행차량의 이동 방향정보 등을 이용하여 핸 드오버 지연시간을 줄이는 방식과 애드 혹 통신을 통해 패킷 손실을 줄이는 방식도 연구되었다[6,7]. 제어채널과 서비스 채널을 운용하는 멀티채널 환경 에서 L2 레벨에서의 핸드오버 성능을 실제 필드에 서 측정하거나 기존 IEEE802.11 프로토콜에서 기지 국 스캐닝 회수와 전송속도를 적응적으로 대처하여 신속하고 정확한 핸드오버를 구현하고 필드에서 측 정한 연구한 결과도 발표되었다[8,9]. 핸드오버의 다양한 모델링을 통해 모의시험 통한 성능분석을 하거나 기존 방식보다 채널 사용에 대한 효율성을 증대시킨 WPCF(WAVE point coordination function) 방식을 제안하여 V2I 핸드오버를 모의실험 한 연구 결과도 제시되었다[10,11]. 유럽에서 진행되고 있는 CVIS 프로젝트에서는 IPv6 ITS 네트워크 테스트베 드를 구축하여 기지국의 신뢰도 메트릭(metric)을 이용한 ITS 기지국간 핸드오버 및 ITS 기지국과 2G/3G망과의 핸드오버를 시험하였다[12].

실제 환경에서 핸드오버 모델은 훨씬 복잡하며 핸드오버가 발생하는 경계지역에서는 양쪽 기지국 으로부터 전송된 신호의 크기가 비슷하여 핸드오버 핑퐁 문제가 심각하게 발생한다. 고속주행 시 WAVE 통신환경에서 발생하는 핸드오버 핑퐁문제 에 대한 연구와 실제 필드에서 검증한 연구가 현재 까지 미진한 상태이다. 본 논문에서는 실제 구현 가 능한 간단한 핸드오버 알고리즘에서 실제 필드에서 발생하는 핸드오버 핑퐁현상을 현저하게 줄이거나 없애기 위한 최적의 핸드오버 파라미터 값을 찾아 내고 다양한 값에 따른 핸드오버 성능의 변화를 분 석한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 임베 디드 시스템에 탑재되는 핸드오버 알고리즘을 소개 한다. 3장에서는 실제 필드의 시험 조건을 설명하 고 다양한 조건에서 측정한 핸드오버 성능을 분석 한다. 4장에서는 본 논문의 결론을 제시한다.

Ⅱ. WAVE 핸드오버 알고리즘

본 절에서는 실제 임베디드 시스템에 사용된 핸 드오버 알고리즘, 관련 파라미터 그리고 동작을 설 명한다.

1. 구현된 알고리즘에 사용된 파라미터 정의

본 논문에서 제시하는 핸드오버 알고리즘은 크 게 <그림1>에서 설명되는 4가지의 파라미터와 입력 신호의 고주파수 성분을 제거하기위해 사용되는 LPF의 계수를 포함하여 모두 5가지를 사용한다.

<그림1>은 주행하는 차량이 기지국 (A)지점에서 기지국 (B)지점으로 옮겨갈 때 두 기지국의 경계선 에서의 수신신호세기(RSSI)의 변화를 가정한 것이 다. 기지국(A)의 수신신호세기 RSSI(A)는 시간에 따 라 점진적으로 감소하며 전파 홀(hole)이나 전파 간 섭에 의해 T_g 시간동안 전파의 세기가 급격히 감소 할 수 있다. T_g는 전파세기의 급격한 감소 시간 동 안 엔트리(entry)를 삭제하지 않고 유지하는 시간이 며 T_g 시간 경과 후에도 신호가 들어오지 않으면 해당 기지국의 정보를 time-out 처리를 하고 엔트리 에서 삭제한다. 기존의 감소하는 기지국 신호의 세 기와 새롭게 증가하는 기지국 신호의 세기 차이를 S_R로 정의한다. 차량에 수신되는 기지국의 신호들 중에서 핸드오버를 위한 후보 엔트리로 등록되기 위해서는 최소 신호세기 값인 S_TH를 만족해야 한 다. 마지막으로 핸드오버 결정은 T_a 시간 주기 마다 수행한다.

또 하나의 설계 파라미터로서 LPF(Low Pass Filter)의 계수 f가 있다. 차량 통신 장치로 수신되 는 신호의 크기는 간섭신호와 주변 환경에 의해 급 격하게 변화하는데 이러한 고주파수 성분을 제거하 기위해 LPF를 사용한다. 이상 5가지의 파라미터는 아래 절에서 설명되는 핸드오버 알고리즘에 중요한 설계 요인으로 작용한다.

2. 구현된 알고리즘의 동작 원리

본 논문에서 구현된 핸드오버 알고리즘을 의사 코드(pseudo coding) 형태로 <그림2>와 같이 설명한 다.

주행차량은 주변 모든 기지국으로부터 100ms 주 기마다 WSA 신호를 수신한다. 수신 신호의 세기는 주파수 특성, 주변 장애 환경 그리고 신호 간섭 등 에 의해 다중경로 신호로 인한 고주파 성분을 갖게 되어 올바른 핸드오버 동작을 방해하게 된다. 따라 서 입력신호는 <그림2>에 있는 평균 RSSI 수식처 럼 LPF를 수행한다. 이때 LPF 계수인 f 값은 0보다 크고 1보다 작은 값을 가지며 값이 1에 가까울수록 아주 협착한 LPF의 특성을 갖는다. Rssi(RSU)t는 현 재 t 시간에 입력된 기지국(RSU)의 RSSI 값을 의미 하며 Rssi_Avg(RSU)_t는 t 시간의 평균 RSSI값, 즉 LPF 의 출력신호가 된다. 매 T_a 시간 주기 마다 새로운 기지국(RSU_new)이 현재 통신하고 있는 기지국 (RSU_current)보다 S_R 만큼 큰지를 판단하고 새로운 기 지국(RSU_new)으로 핸드오버를 수행할 지를 결정한 다. T_a 시간 주기를 길게 하면 최적의 시간에 핸드 오버를 하지 못하는 핸드오버 지연시간이 커진다. 하지만 너무 짧게 하면 신호가 혼잡 구역에서는 핸 드오버 핑퐁현상이 빈번히 발생함으로 오히려 시스 템의 성능을 열화 시키게 된다. T_g 시간동안 기지국 으로부터 신호가 입력되지 않으면 차량에 탑재된 통신장치는 해당 기지국의 엔트리(entry)를 삭제한 다. T_g 시간을 길게 하면 전파 홀(hole)등의 문제를 잘 극복할 수 있는 장점이 있지만 너무 길게 시간 을 설정 할 경우 통신장치가 관리하는 기지국 엔트 리 수가 증가함으로 시스템의 메모리 사용이 급격 히 늘어나는 단점이 존재한다. 마지막으로 새로운 기지국(RSU)로부터 입력되는 WSA의 신호세기가 S_TH보다 클 경우 통신장치는 새로운 기지국으로 등 록하고 정보를 관리한다.

Ⅲ. 핸드오버 성능 분석

이 장에서는 앞 절에서 설명한 핸드오버 알고리 즘을 임베디드 통신장치에 구현하여 실제 필드에서 시험한 결과를 설명한다. 먼저 시험 필드의 조건과 환경을 설명하고 실제 필드에서 측정한 결과를 분 석한다.

1. WAVE 핸드오버 시험환경

핸드오버 시험은 실제 시험 고속도로에서 진행 되었다. <그림3>에서처럼 기지국(RSU)들이 대략 1km 의 간격으로 배치되어 있으며 각 기지국에 대한 통신 영역이 중첩되도록 하였다. 따라서 통신영역 경계지역 에서는 적어도 양쪽 기지국의 신호를 모두 수신할 수 있으므로 빠르고 정확한 핸드오버를 통해 통신 서비스 가 끊어지지 않도록 알고리즘을 설계해야 한다.

시험고속도로에는 여러 인공 구조물과 주변 주 행차량들이 존재하여 전파간섭을 일으키고 전파음 영지역을 초래한다. 기지국 1번과 2번 사이 그리고 3번과 4번 사이에 각각 설치된 갠트리(gantry)와 육 교는 주행도로의 특정구간에서 주행차량과 기지국 간의 LOS(Line of Sight) 환경을 방해한다. 기지국 2 번과 3번 사이에는 철 방음벽이 존재하여 많은 반 사파들을 발생시킨다. 시험 고속도로 양 끝이 S자 형태의 곡선이며 동시에 전 구간에 걸쳐 내리막과 오르막이 존재한다. 따라서 기지국 별로 전파가 도 달하는 거리는 수백 미터에서 수 킬로미터까지 다 양하게 존재함으로 이러한 도로지형의 특성은 올바 른 핸드오버 동작에 방해요소로 작용한다. 시험차 량의 주행 속도는 80km/h의 속도로 전 구간동안 일 정하게 운행하며 시험하였다. 시험고속도로 왼쪽이 북쪽(상행)이고 오른쪽이 남쪽(하행) 방면이다. 기타 자세한 시험환경 및 조건은 참고문헌에 상세하게 설명되어 있다[13].

2. 핸드오버 시험 및 분석

이 장에서는 앞 절에서 설명된 주요 핸드오버 파 라미터 값을 변경하며 시험한 결과를 소개한다. 도 출된 시험 파라미터는 f, S_R, T_g, S_TH 그리고 T_a이 다. 본 논문에서는 S_TH 값을 48로 고정하였다. 통 신 장치를 탑재한 차량은 기지국(RSU) 1번에서 5번 까지 주행하며 각 기지국들로부터 WSA 신호를 수 신하여 RSSI값을 계산한다. 차량통신장치는 입력된 핸드오버 알고리즘 파라미터 값에 의한 조건에 따 라 언제 그리고 어느 기지국으로 핸드오버를 할 것 인지를 결정한다.

1) LPF계수(f)에 따른 핸드오버 성능

본 절에서는 동일 조건에서 LPF 계수의 값 변화 에 따른 핸드오버 성능을 분석한다. 시험에서는 LPF 계수 값으로 0.8과 0.96을 사용하여 성능을 비 교하였다. 먼저 <그림4>에서는 T_g값을 동일하게 1 로 한 조건에서 f값에 따른 성능 차이를 보여준다. f 값이 0.96일 때 핸드오버 핑퐁 현상이 0.8일 때에 비해 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 좀 더 좁은 LPF를 적용함으로써 RSSI값의 변화가 적으므 로 안정된 핸드오버가 가능하기 때문이다. <그림5> 에서는 동일조건의 값으로 T_g를 2로 변경하고 f값 이 0.8과 0.96일 때 각각의 핸드오버 비교 성능을 보여준다. 측정 결과에서 보듯이 f 값이 0.96일 때 핸드오버 핑퐁 문제가 완전히 제거됨을 알 수 있다. <그림5>의 결과에서는 기지국 4번으로의 핸드오버 시점이 f값이 0.8일 때에 비해 늦게 발생하는 현상 이 있음을 알 수 있다. f값이 1에 가까울수록 RSSI 값의 고주파 성분이 감쇄되어 핸드오버 핑퐁 현상 은 줄어드는 이점이 있으나 LPF의 출력 값(평균 RSSI)에 지연이 발생함으로 저속주행 시 핸드오버 시점이 수 미터, 고속주행의 경우 수십 미터 까지 늦어질 수 있다.

2) 신호크기의 차(S_R)에 따른 핸드오버 성능

본 절에서는 동일조건에서 핸드오버 판단 시 참 조하는 두 신호세기의 차이 값 변화에 대한 핸드오 버 성능을 분석하였다. 시험에서 사용한 S_R 값은 5 와 7이다. <그림6>에서 S_R 값이 5일 때 핸드오버 핑퐁의 빈도가 7일 때에 비해 적음을 알 수 있다. 그러나 핸드오버 경계지역에서 올바른 핸드오버가 이뤄지지 않고 있음을 알 수 있다. 반면, S_R 값이 7 인 경우 비록 핸드오버 핑퐁의 횟수는 증가하나 각 기지국의 통신 경계선에서 핸드오버가 발생하며 차 량이 이동함에 따라 해당 기지국으로 핸드오버를 하는 계단 형태의 그래프를 보여준다.

일반적으로 S_R 값을 크게 설계할 경우 두 신호 의 차가 큰 시점에 핸드오버가 이뤄짐으로 핸드오 버 지연이 초래되나 핸드오버 핑퐁 횟수는 줄어드 는 장점이 있다.

3) Time-out(T_g)에 따른 핸드오버 성능

본 절에서는 동일 조건에서 time-out 값 변화에 따른 핸드오버 성능을 분석한다. 시험에서는 비교 할 파라미터 값으로 1, 2, 그리고 5를 사용하였다. <그림7>의 결과를 통해서 T_g 값이 1, 2, 5(초)로 증 가할수록 핸드오버 핑퐁현상이 현저히 감소하며 안 정적인 핸드오버가 진행됨을 알 수 있다. 이는 전파 홀(hole)과 같은 갑작스런 전파세기의 감쇄현상을 완충함으로써 안정적인 RSSI관리 및 기지국 엔트리 (entry) 확보가 가능함으로써 전파간섭에 강인한 핸 드오버를 수행 할 수 있도록 한다. 임베디드 시스템 으로 구현 시 T_g 값을 크게 설정할 경우 차량통신 장치가 관리하는 기지국 엔트리(entry)가 급격히 증 가하고, 구현의 복잡성과 제품의 가격이 상승이 동 반됨으로 적당한 값으로 설정이 중요하다.

4) Decision time(T_a)에 따른 핸드오버 성능

본 절에서는 동일조건에서 핸드오버 결정시간 값 변화에 따른 핸드오버 성능을 분석한다. 시험에 는 비교 할 파라미터 값으로 1과 2(초)를 사용한다. 먼저 <그림 8>에서는 동일조건으로 f 값을 0.8로 한 경우, T_a 값에 따른 성능 비교를 보여준다. T_a값이 2인 경우 1일 때에 비해 핸드오버의 핑퐁 횟수는 감소했지만 기지국 3번에서의 핸드오버가 제대로 이뤄지지 않음을 알 수 있다. 또한 <그림 9>에서는 동일조건으로 f 값을 0.96으로 변경 시, T_a값에 따른 성능 비교를 보여준다. 두 값 모두 해당 핸드오버 시점과 경향이 비슷한 성능을 보여준다. 그러나 T_a 값이 2인 경우 핸드오버 핑퐁 현상이 기지국 2번 통신 영역 경계 지점에서 발생함을 알 수 있다. 즉, 핸드오버 경계영역에서 RSSI 값이 혼잡한 상황에서 는 T_a값이 클수록 핸드오버 핑퐁 현상을 줄일 수 있으며 반대로 비교적 RSSI 값이 완만한 교차를 이 루는 환경에서는 T_a값이 작을수록 보다 정확한 시 점에서 핸드오버를 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 5가지의 파라미터들은 상호간 의 영향을 줄 수 있다. f 값이 작아지면 신호의 변 화가 크게 발생함으로 핸드오버 핑퐁을 줄이기 위 해서는 S_TH, S_R그리고 T_a의 값을 증가 시킬 필요가 있으며 T_g는 상대적으로 조금 더 긴 시간의 효과 를 갖게 된다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 고속주행환경에서 WAVE 통신 장치를 탑재한 차량이 여러 기지국을 거쳐 주행할 경우 필요한 핸드오버에 대한 성능을 분석하였다. 논문에서는 핸드오버 성능에 크게 영향을 미치는 5 가지 파라미터를 도출하고 각각의 값이 핸드오버에 미치는 영향을 필드에서 검증하고 성능을 분석하였 다. LPF 계수(f)의 경우 1에 가까울수록 RSSI값의 고주파 성분을 제거함으로 안정적인 핸드오버를 할 수 있다. 그러나 LPF의 출력(평균 RSSI) 값의 지연 으로 차량의 주행 속도에 따라 핸드오버 시점이 수 미터에서 수십 미터까지 지연 될 수 있다. 두 신호 세기의 차(S_R)의 경우 클수록 안정적인 핸드오버가 가능하나 그 시간만큼 핸드오버가 늦어지는 문제가 있다. Time-out(T_g)의 경우 값을 크게 설정할수록 전 파 홀(hole)등의 문제를 해결할 수 있어 핸드오버 핑퐁을 현저히 줄일 수 있다. 하지만 너무 크게 설 정할 경우 하드웨어의 메모리 증가나 비용 증가의 문제가 발생한다. 마지막으로 핸드오버를 결정하는 시간 주기(T_a)의 값이 클수록 신호 크기가 급격히 변화하는 구간에서 핑퐁현상을 줄일 수 있으나 단 위 시간 만큼 핸드오버 시간도 지연된다. 그러나 신 호크기의 변화 정도가 낮은 경우 T_a의 값을 작게 설계하여 핸드오버의 시간을 단축시킬 필요가 있 다. 본 논문에서 5가지의 파라미터에 대한 최적의 조건과 값들을 통해 빈번히 발생하는 핸드오버 핑 퐁 문제를 해결함으로써 핸드오버 영역에서도 안정 된 ITS 서비스를 보장할 수 있게 된다. 본 논문에서 제시한 파라미터 값들은 해당 시험고속도로에서의 최적 값이다. 상기의 핸드오버 파라미터 값들을 환 경에 맞게 동적으로 값을 적용시키기 위해서는 차 량의 속도, 주행차량의 밀집도, 기지국의 위치, 주 행차량의 도심지 정보 등의 값을 인프라나 차량의 센서로부터 획득하여 해당 환경조건에 최적인 파라 미터 값들이 자동적으로 적용되도록 해야 할 것이 다.