Ⅰ. 서 론

전 세계적으로 많은 사람들이 도로 위에서 발생 하는 교통사고로 인하여 사망하고 있다. NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration)의 조 사 결과에 따르면, 미국 내에서 자동차 사고로 인한 사망률이 전체 사망원인 중에 수위를 차지하고 있 다[1]. 이에 많은 국가 및 연구소, 기업들은 다양한 방법 및 기술을 이용하여 이러한 교통사고를 줄이 기 위한 노력을 수행하고 있다. 특히, ITS(Intelligent Transportation System) 기술을 이용하여 교통사고를 줄이고자 하는 연구들이 진행 중에 있다.

차량 환경에서의 통신을 위해 고안된 무선통신 기술표준인 WAVE 기술은 차세대 ITS 의 핵심 기 술이다[2-6]. 이 기술은 차량-인프라 간 통신(V2I, Vehicle-to-Infrastructure) 뿐 아니라 차량 간 통신 (V2V, Vehicle-to-Vehicle)도 지원한다. 기존의 ITS에 서 사용되는 통신에서는 V2I 통신만 지원되었기 때 문에, 제공되는 서비스의 종류나 범위가 제한되어 있었다. 하지만, 차세대 ITS 에서는 WAVE 통신 기 술의 적용을 통해 V2V 및 V2I 통신을 모두 지원함 으로써 다양하고 확장성 있는 서비스를 제공할 수 있게 되었다.

WAVE 기술의 주 목표는 차량 환경에 적합하게 설계된 무선 통신 기술을 이용하여 사용자에게 고 품질의 안전 및 편의 서비스를 제공하는 것이다. IEEE 802.11과 IEEE 1609 표준화 그룹은 차량이 빠 른 속도로 이동하는 환경 하에서 효과적인 서비스 를 제공할 수 있는 무선통신기술을 정의하였다. 하 지만, 이 표준들은 핸드오버 기능은 정의하고 있지 않아 사용자에게 고품질의 V2I 서비스를 제공하는 데 한계가 있다.

이를 개선하기 위해 지금까지 차량 통신 환경에 서의 핸드오버에 대한 몇몇 연구들이 진행되어 왔 다. 모의실험을 통해 차량 환경에서의 핸드오버 성 능을 분석한 연구[7,8] 및 핸드오버 지연 시간을 최 소화하기 위한 핸드오버 메커니즘[9] 등이 연구되 었고, 기지국으로부터 수신된 패킷의 수신세기를 이용한 메커니즘을 실제 도로에서 검증한 연구 결 과도 발표되었다[10].

본 논문에서는 채널 수신 세기를 기반으로 한 단말기의 핸드오버 결정 메커니즘과 핸드오버 시 발생하는 IP 하향트래픽의 단절을 최소화하기 위한 핸드오버 호 제어 알고리즘을 제시하고, 제안된 메 커니즘을 구현한 단말 및 기지국 등을 이용하여 실 제 도로 상에서 수행한 성능 시험의 분석 결과를 보인다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 제안 하는 핸드오버 메커니즘의 기능 및 동작 방식을 소 개하고, 3장에서는 실제 도로 상에서 수행한 핸드 오버 시험 절차 및 성능 분석 결과를 보인다. 마지 막으로 4장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ. 핸드오버 메커니즘

WAVE 시스템에서 각 장치는 IP(Internet Protocol) 프레임을 서비스 채널(SCH, Service Channel)로만 교 환할 수 있고, 안전 전용 메시지로써 고안된 WSMP(WAVE Short Message Protocol) 프레임은 핸 드오버를 필요로 하지 않기 때문에, 본 논문에서 제 시하는 메커니즘은 SCH를 통해 전달되는 IP 프레 임에 대해서만 적용된다.

1. 네트워크 구성

그림 1은 제안된 핸드오버 메커니즘의 네트워크 구성을 나타낸다. 이 네트워크 구성은 PMIP(Proxy Mobile IP) 구조를 기반으로 하고 있으므로 OBE (On-Board Equipment)가 동일 도메인 내에 속한 RSE(Road-Side Equipment) 간을 이동하는 도메인 내 핸드오버 뿐 아니라 서로 다른 도메인에 속한 RSE 간을 이동하는 도메인 간 핸드오버도 지원한다. Home 도메인과 Foreign 도메인 사이 IP 데이터 전 달을 위해 GRE(Generic Routing Encapsulation) 기법 이 적용된다.

각 개체의 역할 및 특징은 표 1과 같다.

2. 핸드오버 절차

1) 초기 접속 절차

OBE가 WAVE 네트워크 시스템에 접속하고자 하는 경우 IP주소의 설정이 필요하다. WAVE 네트 워크 프로토콜은 IPv6만을 포함하고 있으며 IPv4 주소 획득 절차에 대해서는 정의하고 있지 않다. 하 지만 아직까지 대부분의 장치가 IPv4를 지원하고 있어, 제안된 방식에서는 IPv4 장치를 고려하여 IPv4 주소 획득 절차를 다룬다.

WAVE 네트워크 시스템에 접속하길 원하는 OBE 는 RSE를 통해 IP 주소 획득 절차를 수행한다. 그 림 2는 초기 접속 절차를 나타낸다.

상세 절차는 다음과 같다.

2) 도메인 내 핸드오버

도메인 내 핸드오버(Intra handover)는 하나의 Gateway가 관리하는 서브넷 내에 속한 RSE 간을 이동할 때 수행되는 핸드오버 절차이며, 상세 절차 는 다음과 같다.

3) 도메인 간 핸드오버

도메인 간 핸드오버(Inter handover)는 서로 다른 Gateway가 관리하는 서브넷 내에 속한 RSE 간을 이동할 때 수행되는 핸드오버 절차이며, 상세 절차 는 다음과 같다.

1~3. 도메인 내 핸드오버 절차와 동일

3. 핸드오버 결정 메커니즘

본 절에서는 OBE가 초기 접속 및 핸드오버 시에 핸드오버 대상 RSE 및 시점을 결정하는 핸드오버 결정 메커니즘을 소개한다.

OBE는 핸드오버 관리를 위한 HO 엔티티를 포함 한다. HO 엔티티는 핸드오버를 위해 RSE 정보 리 스트를 유지하며, 정보 리스트는 표 2와 같이 구성 된다. 각 RSE들에 대한 정보는 RSE들로부터 WSA 프레임을 수신함으로써 생성 및 갱신된다.

OBE는 핸드오버를 위한 RSE 정보를 관리하기 위하여 각 RSE 별로 다음과 같은 정보를 유지 관리 한다.

1) 초기 접속 결정

2) 첫 핸드오버 결정 (Previous RSE 정보 부재)

3) 두 번째 이후의 핸드오버 결정 (Current / Previous RSE 정보 존재)

1~3. 2) 첫 핸드오버 결정 절차와 동일

Ⅲ. 성능 분석

제안된 핸드오버 메커니즘의 성능을 분석하기 위해 중부내륙고속도로 내 시험도로 상에서 현장시 험을 수행하였으며, 본 절에서는 시험 데이터를 분 석한 핸드오버 성능 결과를 보인다.

1. 시스템 구성 및 시나리오

현장시험을 위한 시스템 구성은 그림 8과 같다. 현장시험을 위해 3식의 RSE를 이용하여 도메인 내 핸드오버 네트워크 구조를 구성하였으며, 현장시험 시나리오는 다음과 같다.

OBE의 핸드오버 결정 파라미터는 표 3과 같이 설정하였다.

2. 성능시험 결과

OBE의 핸드오버 결정 메커니즘을 통해 수행된 핸드오버 동작을 살펴보면 다음과 같다.

RSE2 → RSE3 핸드오버 시에 OBE는 A지점에서 RSE로부터 수신한 WSA의 평균 수신세기가 초기접 속 기준 값인–80dBm을 초과하였으므로 RSE2로 접속 후 초기 접속 절차를 수행한다. 이후 RSE2와 RSE3의 전파 중첩영역의 B지점에 이르러 현재 접 속 중인 RSE2의 평균 수신세기가 기준 값인 – 85dBm 이하로 떨어지게 되어 새롭게 핸드오버할 RSE 정보가 있는지 RSE정보리스트를 탐색한다. 하 지만 해당 시점(C지점)에서 RSE3의 평균 수신세기 가 핸드오버 기준 값인–85dBm을 넘지 않으므로 RSE2와의 접속을 계속 유지한다. 이후 D지점에서 평균 수신세기가 다시 한 번 기준 값 이하로 떨어 지고 그 시점(E지점)에 RSE3로부터 수신된 WSA의 평균 수신세기가 핸드오버 기준 값을 초과하였으므 로 RSE3에 접속 후 핸드오버 절차를 수행하였다.

RSE3 → RSE4의 핸드오버 시에 OBE는 RSE3에 접속되어 있는 상태에서 RSE4와의 전파중첩영역의 A지점에 이르러 RSE3로부터 수신한 WSA들의 평 균 수신세기가 기준 값 이하로 떨어지고 해당 시점 에(B지점) RSE4의 평균수신세기가 기준 값을 초과 하였으므로 RSE4로 접속 후 핸드오버 절차를 수행 하였다.

이와 같은 핸드오버 결정에 따라 발생한 핸드오버 이벤트들의 발생 시점은 다음과 같다. (각 장비별 시 간은 기지국을 제외하고는 동기화되어 있지 않다)

그림 11에 명시된 이벤트 발생 시점 분석에 따른 핸드오버 관련 성능은 표 4와 같이 나타난다.

본 논문에서 핸드오버 지연은 핸드오버 수행으 로 인해 발생하는 데이터 손실 또는 지연으로 인한 데이터 수신 단절 구간으로 정의된다. 즉, 핸드오 버 절차를 수행하면서 데이터를 수신할 수 없는 상 태가 되었다가 다시 데이터를 수신할 수 있는 상태 가 되기까지 소요되는 시간이며 이는 기지국간 수 신 데이터 갭으로 측정한다.

초기 접속 시 IP 할당 등으로 인한 초기 지연이 발생하였으나, 이는 핸드오버 지연과는 무관하므로 핸드오버 성능에는 영향을 주지 않는다.

총 3번의 핸드오버 시 발생한 핸드오버 평균지연 은 10msec, 최대 지연은 11msec로 나타났다.

그림 12는 OBE에 수신된 IP 프레임 간 수신 시 간 갭을 나타낸다. 평균 시간 갭은 10.34msec이며 최대 시간 갭은 314msec이다. 핸드오버 시점에서의 시간 갭은 각각 11, 10, 9msec로써, 이 결과를 통해 핸드오버 시점에서 프레임 손실이 없었음을 확인할 수 있다(CN에서의 프레임 송신 간격이 10msec이므 로). 그림 12에 나타나는 최대 시간 갭은 핸드오버 로 인한 갭은 아니며, 무선통신환경이 열악한 지점 에서 발생한 통신에러로 인한 갭이므로 핸드오버 성능 평가와는 무관하다.

그림 13은 OBE에 수신되는 IP 패킷의 수신 성공 률을 나타낸 그래프이다. 시험 구간에서 평균 96.72 %의 수신 성공률을 보이고 있으며, 기지국 간에 이 동하는 핸드오버 지점에서의 수신 성공률 역시 모두 95% 이상의 값을 보이고 있다. 따라서 핸드오 버로 인한 프레임 손실 현상은 관측되지 않는다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 WAVE 통신 시스템에서 차량 단 말이 기지국 간을 이동 시, 핑퐁 현상을 최소화하고 끊김 없는 IP 서비스를 제공하기 위한 핸드오버 메 커니즘을 제안하였으며, 실제 도로에서의 현장 시 험 결과를 분석하였다. 성능 분석 결과에 따라 본 논문에서 제시된 메커니즘이 실제 현장 시스템에 적용될 수 있음을 확인할 수 있다. 제안된 핸드오버 메커니즘을 이용하여 차량에 설치된 WAVE 장치들 은 도로 상을 이동하면서 보다 효율적인 서비스 데 이터의 교환이 가능하며, 서비스 제공자 역시 사용 자에게 보다 양호한 V2I 편의 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.