KOSEN Report 38
이 단어는 정보 통신 기술과 이 기술을 이용한 여러 오락거리를 온라인으로 접속해서 사용한다는 의미의 뜻을 가진다. 특히 최근의 스마트폰과 태블릿 PC의 대중화를 통하여 기술이 발전하고, 시장은 점점 커지고 있어, 연구자들에게는 이와 관련된 통신 기술의 과거와 현재, 미래를 살펴볼 필요가 있다.
글: 박민호
광주과학기술원 정보기전공학부 / www.gist.ac.kr
자료협조: KOSEN / www.kosen21.org
본 분석에서는 더 깊은 연구를 하려는 연구자들을 위하여 차량 애드혹 네트워크(vehicle ad hoc network, VANET)의 다양한 기술 개요와 참고 자료(reference)를 연결 지어 연구에 도움이 되고자 했으며, 전체적으로 바라볼 수 있는 시야를 가질 수 있도록 노력했다. 차량 통신은 통신 대상이 고정된 것이 아니라, 움직이는 특성을 가지고 있어 도전적인 과제이며, 많은 연구가 이뤄지고 있고, 각각의 연구는 많은 내용을 포함하고 있기에, 이 분석에서 한 번에 깊이 있게 다루지 못하여 아쉽다. 그러나 이 분석에서 다루는 관심 분야의 참고자료를 따라가다 보면, 관련 분야의 연구에 접근할 수 있으리라고 기대해본다.
이 논문에서 아쉬운 점이 있다면, RSU(roadside unit)를 배치해서 사용하는 경우와 이 경우 중앙 집중식이든 분산 방식으로든 교통 상황을 판단하고 관리하는 과정을 조절해줄 컴퓨터 서버와의 연결은 유선 링크로 구성되고, 어떻게 구성되는 것이 경제적이고 효율적인지에 대한 연구보다 무선 링크에 대한 부분을 강조했다는 점이다. 유-무선 통합 통신 시스템을 이용한 접근에 대한 부분도 빠져 있어 아쉬웠다.
개요
차량 운송은 세계를 이어주는 필수적인 수단으로 편리함을 제공하지만 매년 백만 명이 넘는 사망 사고가 발생한다. 그래서 우리의 일상생활에서 도로 안전은 중요하다. 오랫동안 정부와 자동차 산업계는 도로 안전을 위한 여러 지능형 교통 시스템(intelligent transportation system, ITS)을 계획하였다. 이에 다양한 능동 및 수동 안전 조치들(active and passive safety measure)이 현재의 자동차에 구현된다.
도로 안전을 강화하기 위해서 VANET을 통한 통신 기반의 안전 기법들이 최근 산학계의 관심 사항이다. 이 기법을 이용하면 중요한 교통 정보를 얻을 수 있고, 교통 상황 모니터링과 제어는 차량의 그룹화(vehicle platooning) 같은 방법[2, 3]을 통해 차량 수용력과 연비를 높일 수 있다.
다른 한편으로는 편하고 상업적인 차량 응용 기법들이 미래의 자동차에서 이용 가능해질 것이다. 도로상에서의 데이터와 오락 서비스는 차량 이용자의 생산성, 만족도와 편리성을 확실히 크게 증가시킬 것이다. 요약하면 통신 기반 차량 응용은 차량의 인포테인먼트에 적용될 것이고, 시공간당 자동차 수용력을 늘리고 자동차 연비 절감과 더 높은 안전성을 제공할 것이다.
-차량 네트워킹의 구조
VANET은 자동차 같은 접속점(node)이 빠르게 움직이는 이동 애드혹 네트워크이다. 특별히 VANET은 (1) 차량에 내장된 탑재체(on-board units, OBUs)와 (2) 고속도로와 인도에 배치된 길거리 구성품(roadside units, RSUs)으로 구성된다. 이것들은 자동차들 사이의 차량대차량(vehicle-to-vehicle, V2V) 통신과 자동차와 RSU 사이의 차량대기반시설(vehicle-to-infrastructure, V2I) 통신을 가능하게 해준다.
VANET의 구조는 그림 1에 표현돼 있다. 무선 통신 링크를 통해서 각 차량은 변화가 심한 애드혹 네트워킹 환경에서 근처에 있는 차량들과 통신한다. 교통 관련 정보는 운전자가 주변 교통 상황을 더 많이 알 수 있도록 주기적인 무선 봉화 방법(beaconing) 등을 이용한 V2V 통신을 통해 교환될 수 있다. 비상시에는 사고에 따라 생성된 메시지들이 위험 지역(zone of danger, zone of releva nce, ZOR)에 있는 차량들에게 전파된다[4]. 정보 공유와 게임 같은 동료대동료(peer-to-peer) 응용도 V2V 방식으로 통신할 수 있다. RSU가 있으면, 더 넓은 영역에 도로 상황 알림, 인터넷 접속 서비스를 인터넷 기간망을 통해서 양방향으로 통신할 수 있다. 이런 V2I 방식은 인포테인먼트 서비스를 쉽게 이용할 수 있게 해준다.
미국은 ITS용 단거리 통신 대역으로 중심주파수 5.9GHz에서 70MHz 대역의 인증을 받아서 사용할 수 있는 스펙트럼을 할당했다[5]. 유럽에서는 차량 통신용으로 2010-2020MHz 대역의 Fleetnet[6] 전용의(미국과) 다른 주파수 대역을 지정했으나, 최근에는 ITS에 사용할 중심주파수 5.9GHz 30MHz 대역의 무선 스펙트럼을 할당했다. 이를 이용한 다중 채널이 서비스 품질(quality-of-service, QoS)을 향상시키기 위해서 차량간 통신에 사용될 것이다. 또한 차량의 위치 정보는 위성항법장치(GPS) 덕분에 이미 일반적으로 이용되고 있고, 정보 전달을 위한 경로는 V2V나 V2I 통신을 통해 확립된다. 가까운 미래에 차량 네트워크 개념은 상호 차량간 비디오 영상 중계에서부터 충돌 사고를 피하거나 경고하는 도로 교통 모니터링까지 포함하는 통신 기반의 기술이 될 것이다.
-VANET의 잠재적 응용 가능성
차량 운행 환경에서 VANET은 세 가지 주요한 기능을 할 것이다. (1) 인포테인먼트 전송, (2) 도로 안전과 (3) 교통 모니터링과 제어이다.
인포테인먼트 전송: 인포테인먼트 전송의 핵심은 운전자와 탑승자에게 편의를 제공하는 것이다. 파일 전송과 게임[6], 내비게이션[7], 디지털 광고[8], 이동 사무실 개념[9] 같은 활동이 가능해질 것이다. 원거리 여행에서는 도로상에서 차량간 미디어 데이터 전송 또한 가능하게 한다[10, 11].
도로 안전: 안전 응용 기술은 사고를 피하고 추가적인 교통사고를 막기 위한 매우 중요한 기술이다. 원거리 및 근거리 교통 상황 알림[12, 13], 차량 그룹화[14], 차간 거리 조절[15]은 차량 안전과 에너지 절감에 유용하다. V2V 통신 방식을 통한 적응 운전 조작으로 인간의 실수에서 기인한 차량 충돌 문제도 줄어들 수 있다.
교통 모니터링과 제어: 교통 모니터링과 제어는 도로의 차량 수용력을 높이고 차량 혼잡을 줄이는 데 필수적이다. 이는 교통 흐름을 순조롭게 하여 차량 수용성과 이동 시간을 줄이고 [16], 교통 혼잡을 피해 운전 경로를 최적화 할 수 있다[17, 18].
이 논문에서는 VANET 규약(protocol)의 링크 계층(link layer)에서는 연구의 방향, 주제, 기술 등에 중점을 두고, 차량 네트워킹과 통신 기술이 도로 안전과 차량 인포테인먼트에 어떻게 적용되는지 살펴본다. 또한 경로 규약(routing protocol), 부하 조절 기술 같은 네트워크 계층(network layer)에서 연구 주제들은[19, 20]에서 참조할 수 있다.
-VANET에서 연구 도전 과제
차량 운행 환경에서 다양한 도로상 응용 기술을 지원하기 위해서 용량 증가, 간섭 조절, 요청 승인 조절(call admission control, CAC), 대역 예약, 패킷 소실 및 지연 시간 감소, MAC, 패킷 스케줄링, 공정성 보장 등을 포함한 효율적인 VANET 전용의 무선 자원 관리 전략이 필요하다. 하지만 VANET은 사용자 이동 패턴, 에너지 제약 문제, 실시간 응용 시나리오, 네트워크 구조 관점에서 전형적인 이동 애드혹 네트워크(MANET)와 상당히 다르다[21]. 따라서 VANET에 맞는 효율적인 전략을 개발해야 한다. 다음은 VANET에 대한 몇 가지 주요한 연구 주제들이다.
연결 끊김이 잦은 상황: 자동차는 빠르게 움직여 VANET의 토폴로지는 시간에 따라 빠르게 바뀌며, 통신 연결 시간이 짧다. 예를 들어 같은 방향으로 진행하는 두 자동차 사이의 통신은 수 분 정도 지속될 뿐이다. 진행 방향이 반대라면, 통신 링크는 수 초보다 작은 시간만 유지된다. 차량 이동성에 의해서 연결이 자주 끊기는 현상을 고려한 자원 배분이 필요하다.
매우 변화가 많은 시공간 교통 상황: 이는 아직 연구가 많이 필요한 부분이다. 초기 VANET에서 매우 적은 수의 차량을 시험한 경우에도 연결이 자주 끊겼으며, 또한 차량 속도 및 밀도에 의한 고속 및 저속 페이딩(fast and slow fading) 같은 무선 채널 장애가 발생했다. 이렇게 시공간 양면에 모두 변화가 심해 강한 적응 채널 접속 규약이 매우 중요하다.
다른 종류의 네트워크 사이의 데이터 전송: 이종 네트워크 간 정보 서비스를 고려하여, 채널 접속 규약과 네트워크 자원 할당 전략은 모든 자동차와 도로 사이에 효율적이고 질서 있으며 공정한 통신을 할 수 있게 해야 한다. VANET에서 안전과 관련된 메시지는 높은 우선 순위를 갖고, 인포테인먼트와 관련된 메시지는 낮은 우선순위를 갖는 것은 당연하다. 따라서 매우 유동적인 차량 환경에서 고품질의 인포테인먼트 서비스를 제공하면서도 차량 안전을 보장하면서 효과적인 통신 방식을 개발해야 한다.
링크 계층 규약과 기술만으로는 위에서 서술한 VANET 전용의 도전적 기술 과제를 완전히 해결할 수 없기에, 전체적인 해결 방안은 VANET의 프로토콜 스택(OSI 7 layer의 스택)에서 다른 계층의 특성을 고려해야 한다. 여기서는 약간의 VANET의 연구 도전 과제를 다루어서 MAC 계층의 채널 접속 규약과 자원 관리 기술에 대해서 개괄한다.
-VANET의 독창적인 특성
섹션 1.3에서 서술한 여러 연구에도 VANET은 특이한 특성으로 네트워크에 영향을 준다. VANET의 세 가지 주요 특성은 다음과 같다.
약간 예측 가능한 네트워크 토폴로지: 각 차량의 움직임은 고속도로와 도시 도로 같은 주요 도로로 제한되어 도로의 기하적 구조를 알면, 차량의 이동 패턴을 특정 시간 간격에 특정 규모로 예상할 수 있다. VANET은 이런 비교적 예측 가능한 네트워크 토폴로지를 가져 근사화할 수 있지만, VANET 특유의 이동 정보를 분석하는 데는 미치지 못했다.
위치 정보 이용 가능성: GPS 수신기의 위치정보를 이용하면, 메시지 전송의 지연 시간을 줄이고 인포테인먼트 서비스 같은 시스템 이용률은 늘릴 것이다.
전력 소비 가능성: VANET에서는 송수신기가 엄격한 에너지 소비 제한이 없는 자동차에 실려있다. 즉 고효율의 복잡한 알고리즘이 차량 운행 환경에서는 실현 가능하다.
-논문 구성
이 논문에서는 VANET에서 교통안전 서비스 및 인포테인먼트를 제공하는 여러 통신 방식을 시스템 관점에서 개략적으로 살펴본다. 섹션 2, 3에서는 각각 사용자와 시스템의 관점에서 도로상 서비스를 지원하는 다양한 무선 자원 관리 방법에 대해서 종합적으로 다룬다. 섹션 4에서는 최근의 VANET 연구 프로젝트가 소개되고, 섹션 5에서는 공개된 연구 주제가 논의된다. 마지막으로 섹션 6에서 결론을 짓는다.
보통의 독자는 섹션 2.1과 3.1에서 사용자 수준의 채널 접근과 시스템 수준의 자원 관리에 관해서 각각 연구 주제별로 기본적인 이해를 하고 섹션 4-6으로 들어가기 바란다. 통신 관점의 인포테인먼트와 교통안전 서비스에 대한 자세한 논의에 관심 있다면, 섹션 2.2, 2.3, 3.2, 3.3과 참고자료를 참조하기 바란다.
사용자 관점에서 본 VANET의 도로상 서비스
-연구 주제
이 섹션에서는 최종 사용자 관점에서 VANET의 도로상 서비스 제공을 위한 다양한 채널 접속 방식들을 개략적으로 알아본다. 반면에 시스템 관점의 자원 관리는 섹션 3에서 알아본다. VANET은 인포테인먼트와 안전 서비스 같은 다른 종류의 서비스 응용을 제공해야 하므로, 근본적 설계 목적에 따라 채널 접속 방식들을 두 개의 카테고리로 나눈다: (1) thin 인포테인먼트 서비스 제공과 (2) rich 인포테인먼트와 안전 서비스 제공이다. Thin 인포테인먼트 응용은 긴박한 QoS 요구가 없는 실시간 및 비실시간 교통 정보를 다룬다. 반면에 rich 인포테인먼트 응용은 미세한 QoS 지원이 요구된다. 그림 2는 다음에 논의할 도로상 서비스 지원 체계를 위한 기존의 통신 방식 분류체계이다.
무선 통신 시스템에서 다른 응용은 보통 다른 정도의 QoS가 필요하다. 예를 들어 음성 회의 같은 실시간 응용에서는 높은 BER과 지연 시간에 민감한 부분이고, 반대로 peer-to-peer 파일 공유 같은 데이터 응용에서는 지연 시간에는 둔감하지만 낮은 BER 같은 높은 전송 정확도가 요구된다. 이 논문은 MAC 계층 채널 접속과 자원 관리에 중심을 두고 있기 때문에 이용률, 패킷 낙수율, 패킷 충돌, 지연 시간, 지연 잡음, 공정성 같은 패킷 단위 QoS 성능 구조를 설명한다.
-Thin infotainment 서비스 지원
VANET에서 thin 인포테인먼트 응용에 사용되는 MAC의 최소 요구 조건은 광고, 웹 브라우징, 파일 공유 같은 최선의 노력을 다하는(best-effort) 서비스를 지원하는 것이다. Best-effort MAC 규약은 같은 종류의 정보 서비스를 지원하는 저비용 VANET을 위한 것이다. 다른 종류의 정보 서비스를 하려면, 다른 종류의 교통 유형에 다른 우선순위를 매겨야 한다. 예를 들어 비디오 중계 정보는 높은 우선순위를 가져야 하고, 이메일 서비스는 낮은 우선순위를 매겨야 한다. 모든 차량에 자원의 공정한 분배를 보장하려면, 공정한 채널 접속 규약이 필요하다.
·Best-effort 채널 접속
Best-effort Best-effort 채널 접속의 목적은 패킷 충돌을 최소화해서 이용률을 높이는 것이다. IEEE 802.11a나 IEEE 802.11b는 무선 지역 네트워크(wireless local network, WLAN)[22]에 표준으로 가장 많이 사용된다. 이를 생각해보면, 이 오래된 MAC 규약은 차량 환경의 무선 접속(WAVE)을 위한 DSRC([5], 1999년 미국 FCC가 승인한 ITS 규약) 표준으로 채택되었고 신뢰성을 쌓았으며, IEEE 802.11p[23]로 확장된다. IEEE 802.11p 표준은 또한 IEEE 802.11e에서 기술한 분산 채널 접속(distributed channel access)을 확장하는 데 채택됐으며 섹션 2.2.2에서 다룬다.
DSRC와 IEEE 802.11a 표준의 매체 접속(medium access) 방법은 CSMA(carrier sense multiple access) 개념에 기반한다. 상술하면 만약 한 채널이 사용 가능 상태일 때, 자동차는 패킷을 전송한다. 그렇지 않으면 패킷 전송을 지연시킨다. VANET 같은 대규모 다중 도약 무선 네트워크(large-scale multi-hop wireless network)에 CSMA를 사용할 때의 문제는 노출된 터미널(exposed terminal)과 숨겨진 터미널(hidden terminal)의 문제로, 이는 시스템 성능 저하를 가져온다[24]. 이미 위에서 기술한 MAC 규약은 학술적으로 제안돼 있다. 예를 들면 CSMA/CA[25], FAMA[26], RIMA-SP[27] 같은 것이다.
전송 매체(transmission medium, 무선의 경우는 공기, 광통신의 경우는 광섬유)때문에 생기는 오랜 시간 지연에 의한 분산은 신호간 상호 간섭 문제(inter-symbol interference)를 유발하고 이를 줄이기 위한 한 가지 방법은 best-effort 채널 접속 기법에서 신호 지속 시간(symbol duration)을 늘리는 것이다. 이 방법은 IEEE 802.11p/WAVE 표준에서 사용됐는데, 신호 지속 시간은 IEEE 802.11a 표준보다 두 배이다[28]. 또한 VANET에서 패킷 충돌을 막는 다른 효율적인 방법은 전파 방해를 이용하는 것이다.
RI-BTMA[29]에서 수신자는 패킷 수신 중에 통신 대역 바깥에서 이용 중임을 알리는 신호(busy tone signal)를 전송한다. 비지 톤(busy tone)은 송신자의 송신 요청을 승인하는 역할도 하고, 송신 가능성이 잠재해있는 숨어있는 터미널의 전송을 막기도 한다. 그 동안 비지 톤을 이용하는 MAC은 에너지 소비 문제 때문에 널리 퍼지지는 못했다. 하지만 섹션 1.4에서 논의했듯이 자동차는 전력 소비 제한이 없어서, 비지 톤을 이용하는 방식은 VANET에서 실행 가능한 방식이다.
Slotted ALOHA는 Fleetnet[6]에서 패킷 무선 네트워크에 사용되는 임의 접속(random access)이 가능한 첫 번째 MAC 규약으로 최근에 VANET의 방식으로 제안됐다. 이용률을 높이기 위해서 reservation-ALOHA(R-ALOHA)[30]는 채널 할당 경쟁에 의한 부하를 줄이도록 패킷 전송을 위한 시간 할당 단위(timeslot)를 차량이 예약할 수 있도록 한다. Reliable R-ALOHA(RR-ALOHA)[31, 32]는 R-ALOHA를 개선시킨 것이며 숨겨진 터미널 문제를 해결한다. RR-ALOHA의 한 가지 단점은 모든 차량이 two-hop neighborhood의 전송 정보를 계속 업데이트해야 하는 큰 신호 부하가 있다는 점이다. 그럼에도 RR-ALOHA의 방식은 섹션 2.3.1에서 다룰 rich 인포테인먼트 응용에 사용되는 QoS 보장의 주춧돌이다.
·서비스 우선순위
서비스 차별화를 하는 방법은 차량을 분류해서 우선순위를 두는 것이다. IEEE 802.11e 표준[33]에서 강화된 분산 채널 접속(enhanced distributed channel access, EDCA) 개념이 통계적 방법을 이용하여 우선순위를 매긴다. EDCA 방법은 IEEE 802.11p/WAVE 표준[5]의 MAC 확장 계층에서 구현됐다. 여러 교통 흐름은 여러 개의 접속 카테고리(different access categories, ACs)로 분류된다. 높은 우선순위를 가진 AC들이 있는 교통 상황에는 더 작은 경쟁창(contention window) 크기와 짧은 중간 상호 프레임 공간(arbitration inter-frame space, AIFS)을 할당한다.
K개의 교통 상황이 있다고 하자. 교통 상황 그룹 j(1 <= j <= K)는 AIFS[1] < AIFS[2] < ... < AIFS[K] 사이의 AIFS[j] 값을 할당 받는다. 높은 우선순위를 가진 패킷은 서비스 차별화 개념에 의해 경쟁(자원 배분을 위한 경쟁)에서 이기기 쉽다. 여러 인포테인먼트 서비스가 잘 분류되더라도 상호작용해야 하는 게임, 섹션 2.3에서 다룰 안전 메시지 전송 같은 전송 시간 지연에 민감한 서비스에는 이진 지연 방식(binary backoff mechanism)[24]의 임의성 때문에 비효율적으로 보이지만, 최근 많은 연구 결과들이 VANET 용 EDCA의 성능을 향상시켰다. [34]에서는 투표에 기반한 MAC 규약이 우선순위 뒤집힘의 문제를 줄일 수 있다. [35]에서는 분산 봉화 개념(distributed beaconing scheme)이 VANET에서 토폴로지 조절과 링크 수준의 동기화를 가능하게 한다.
VMESH[36]은 EDCA를 채택했지만, 시스템 이용률을 높이기 위해 패킷 전송을 위한 다중 채널을 구현했다. 일반적으로 적절한 채널 할당 문제는 심지어 고정된 무선 네트워크에서도 NP-hard(NP-난해, trial-and-error 말고는 해결 불가능한 문제)이다. 고속의 자동차가 있는 대규모 VANET(large-scale VANET)에서는 분배 측면에서 주파수 재사용률을 최대화하는 것이 더 어렵다. [11]과 같은 서비스 우선순위를 갖는 네트워크와 우선순위가 없는 네트워크의 혼합형 MAC 규약에서는 VANET에서 중계 데이터(streaming data)는 바로 접속할 수 있도록 하고, best-effort 데이터는 경쟁에 기반한 접속을 하도록 제안했다.
VANET에서 차등적인 QoS가 있는 멀티미디어 응용에 사용되는 차량 통신용 제어 이론적인 패킷 스케줄링이[37]에서 제안됐다. 이 방식은 지연 시간에 민감한 정보를 제공하는 IEEE 802.11p/WAVE에 있는 기존의 EDCA 방식과 동시에 구현될 수 있다. 유일한 문제는 최적 제어 문제를 푸는 것이 컴퓨터로 계산하기에 비용이 많이 든다는 것이다. 따라서 고이동성의 차량 환경에서 서비스 차별화를 위해 제어 기반의 패킷 스케줄링을 하는 것이 필요한지 아닌지는 더 조사해봐야 한다.
·공정성 보장
공정성은 네트워크 자원이 무선 node들 간에 얼마나 적절하게 공유되는지 측정하는 중요한 척도이다. IEEE 802.11a(CSMA/CA) MAC 규약은 이진 지수 백오프 과정(binary exponential backoff mechanism)[38] 때문에 공정성 성능을 만족하지 못한다. 자동차 속도에 의해 접속 시간의 차이가 있는 VANET에서 IEEE 802.11p/WAVE MAC 규약의 공정성에 관련된 성능은 더 나쁠 것이다. 따라서 불공정성 문제를 줄이기 위해 contention 윈도우의 크기 조절을 통해 백오프 과정(경쟁에서 뒤로 밀리는 과정)을 조절할 수 있다. 이를 고려한 VANET 전용 CSMA/CA 기반의 MAC 규약은[39, 40]에서 제안되었다. 또한[41]에 제안된 것처럼 적응 경쟁에 기반한(adaptive contention-based) MAC 규약은 차량 접점들간의 공정성을 높이는 퍼지 이론을 이용할 수 있다.
-Rich 인포테인먼트와 도로 안전 서비스 지원
Thin 인포테인먼트 응용에 더해서, 미래의 VANET은 상호 작용하는 게임에서부터 사고를 피할 수 있도록 경고하는 것까지 다양한 rich 인포테인먼트와 도로 안전 응용을 제공해야 할 것이다. 이런 응용은 섹션 2.2에서 다룬 채널 접속 방법은 더 이상 이용할 수 없고, 지연 시간과 신뢰성 같은 높은 QoS가 요구된다. 자원 예약 기법은 초기 단계이지만 rich 인포테인먼트와 안전 서비스를 지원하기 위해 미세한 QoS까지 보장하는 핵심 요소이다. 도로 안전 성능이 더 효율적이려면 경쟁하지 않는(contention-free) 주기적 교통 관련 메시지 전송이 보장되어야 하며, 동시에 종단간(end-to-end) 패킷 전송은 비상 상황 메시지를 지원해야 한다.
·경쟁을 통한 자원 예약
채널 경쟁(channel contention)은 자원 예약 기법을 구현하는 일반적 방법이다[24]. 한 예로 '우선순위를 할당 받는 부드러운 예약 다중 접속 방법(SRMA/PA)'[42]에서 자원들은 경쟁을 통해 실시간 및 비실시간 정보 전송 기회를 예약할 수 있다. SRMA/PA 규약은 낮은 우선순위의 정보가 예약한 자원을 높은 우선순위의 정보가 자원을 빼앗는 것을 용인한다. 이런 예약 기법은 전송 우선순위를 부여해 서비스를 차별화하고 자원 예약으로 실시간 정보의 패킷 낙수율을 줄인다.
그러나 SRMA/PA 규약은 분산 방식이지만, 정확한 시간 동기화가 필수적이다. 미래 자동차들은 정확한 시간 동기화를 위해 GPS같은 위치 정보 시스템을 장착할 것이므로 SRMA/PA는 rich 인포테인먼트 서비스에 이용될 수 있을 것이다. 한편 자원 예약은 자주 링크 연결이 끊기는 VANET에게는 아직 연구중인 문제이다. 따라서 이를 해결하기 위한 한 방법으로 교통 흐름 이론에서 유동적 전송 범위 정렬(dynamic transmission-range-assignment, DTRA) 알고리즘이 제안됐다[43]. 차량 밀도를 안다고 하면, 각 자동차는 링크 연결을 지속시키는 전송 범위를 정렬하여 자원 예약의 지속 가능성을 높일 수 있다는 것이다.
일반적으로 경쟁에 의한 자원 예약은 rich 인포테인먼트 서비스 같은 실시간 정보의 패킷 낙수율 면에서 QoS를 지원한다. 그러나 이 방법은 도로 안전 응용에는 더 비효율적일 수 있다. 왜냐하면 지연 시간에 민감한 교통 관련 메시지는 능동 안전(active safety)에는 주기적 봉화 기법(periodic beaconing) 같은 요청들의 접속이 보장돼야 하고, 수동 안전(passive safety)에는 비상 메시지 전송 같은 경우 바로 전송돼야 한다.
·채널 접속의 보장
능동 안전을 보장하기 위해서 교통 관련 메시지들은 경쟁하지 않는 채널 접속이 필요하다. 충돌이 없는 주기적 봉화(beaconing) 기법은 각 자동차의 위치, 속도, 가속도 같은 인접 차량들의 상태를 지켜보거나 업데이트할 수 있다. 이를 위해서 중앙 집중화된 자원 예약 기법이 제안되었다[44, 45]. [44]에서 QoS 지원을 받는 조절된 차량 인터넷 접속 규약(controlled vehicular internet access protocol with QoS support, CVIA-QoS)은 먼저 QoS 요청을 보장하고 나서 best-effort 정보에 나머지 대역폭을 할당하여 이용률을 최대화하는 제안을 한다. [45]에서는 조율된 외부 동료 통신(coordinated external peer communication, CEPEC)이라 불리는 또 다른 조절된 채널 접속 규약을 제안했다.
IEEE 802.16에서 CEPEC는 어렵지 않게 시간 지연에 민감한 안전 응용에 사용될 수 있다. [47]에 제안된 토큰 링 기반 MAC 규약은 안전과 인포테인먼트 서비스를 지원하는 V2V 통신 방식으로 설계됐다. 하지만 동종 채널 접속에서만 가능하여 모든 자동차는 같은 중요성을 가지는 것으로 취급돼야 한다. 하지만 어떤 자동차들은 도로 안전 면에서 위험을 인지하는 면을 고려하면 사고에 더 취약하다. [48]에서 토큰 링이나 클러스터 구조에서 잠재적 위험도를 측정해 차별화된 위험 수준을 차별화해 할당하는 접속 전략이 제안되었다. 채널 접속 우선순위를 고려하여 제안된 위험 인지 MAC 규약은 메시지 전송 시간을 최소화하고 잇따른 연쇄 충돌 위험을 최소화하는데 효율적으로 보이지만, 모든 자동차에 대해 위험 요소를 얼마나 정확하게 결정할지는 해결해야 할 문제이다.
이와 같은 시간 관점에서의 자원 예약과 더불어 네트워크 자원은 지리적 위치에 따라 차량들에게 자원이 예약될 수도 있다. [49]에서는 상호 차량 방식의 위치 인식 MAC 규약이 제안됐다. 주요도로를 한 대의 자동차가 단위 시간에 한 개의 cell을 점유하도록 cell을 나눈다(그림 3). 각 자동차는 현재 위치를 고려해서 고유한 CDMA(code division multiple access) 코드를 받는다. 각 차량의 위치는 고유한 것이기 때문에 자원 예약과 주기적 교통 관련 메시지 방송은 효율적으로 수행된다. 이는 [50]의 CDMA 기반 VANET의 원형에서 보듯이 그 투박함(robustness) 덕분에 능동 안전 구현에 현실성 있는 후보이다. 안전 메시지는 즉각 전송됨에도 불구하고 신호 퍼짐 현상에 의한 개별 패킷 전송의 데이터 전송 효율이 낮아지는 문제가 있다. 전력 조절도 CDMA 시스템에서 다중 사용자 간섭 같은 near-far 문제를 줄이는 데 필요하다.
따라서 중앙 집중 조절기가 없는 VANET에서 효율적이고 효과적인 전력 조절은 어렵다. Rich 인포테인먼트 응용을 위한 CDMA를 이용한 VANET은 더 연구돼야 한다. 다른 주목할 점은 공간 자원 예약과 교통 관련 메시지 방송의 주파수가 도로와 교통 상황에 따라 달라진다는 것이다. 따라서 시공간적으로 변하는 자원 예약 문제를 해결하기 위해 상황 적응적인 beaconing 개념이[51]에 제안됐다. 이 연구에서는 각 자동차와 주변 자동차들의 움직임에 따라 주기적 beaconing이 변동돼야 한다. 그럼에도 교통안전과 rich 인포테인먼트 서비스 지원의 효율성을 개선하기 위해서 적응 시공간 자원 예약(adaptive spatial-temporal resource reservation) 기법에 더 많은 연구가 있어야 한다.
주기적 beaconing은 운전자에게 인접 지역의 차량 운행에 대해 알려준다. 많은 통신 기반의 능동 안전은 주기적 beaconing, 충돌 경고, 고속도로가 합쳐지는 부분의 도움, 사각 지역 경고와 적응 운행 제어에 의해 구현될 수 있다. 그러나 위에서 언급한 대부분의 자원 배분 경쟁이 없는 규약은 링크 계층의 부하(overhead)에 의해 전송 지연 시간이 초래된다. 게다가 고속 차량 이동성에 의해 위험 지역(zone of danger, ZOR)은 고속도로 충돌 같은 경우 범위가 매우 넓어진다. 따라서 임박한 교통사고의 경우 낮은 지연 시간을 갖는 효율적인 다중 건너뜀 메시지(multi-hop message) 전송 기법이 요구된다.
·낮은 전송 시간을 갖는 메시지 전송
오늘날 차량에는 전조등, 깜박이, 거울, 브레이크, 조종 장치 같은 사고 방지를 위한 수많은 능동 안전 장비들이 설비돼 있다. 교통사고 시에 탑승자 보호는 안전벨트, 에어백, 접히는 운전대 같은 수동 안전 장비 같은 것이 핵심적인 역할을 한다. 마찬가지로 섹션 2.3.2에서 언급한 주기적 beaconing 같은 통신 기반의 능동 안전 장비들은 잠재적 위험의 초기에 운전자에게 경고해줄 뿐이다. 자동차 사고를 피할 수 없을 때, 통신 기반 수동 안전 장비들은 교통사고 피해와 연쇄 충돌 사고의 충격을 줄인다.
통신 기반 수동 도로 안전 응용을 위한 대부분의 장비는 지연 시간이 있기 때문에, 긴급 메시지들은 즉시 또는 최소한의 지연 시간을 가지고 전송돼야 한다. 고속 운행 차량은 지연 시간이 짧은 multi-hop 메시지 전송 방식에서도 ZOR이 수 킬로미터 이상의 꽤 큰 범위이다. 수동 안전의 효율적인 방법은 긴급 메시지 전송을 위한 전용 채널을 사용하는 것이다. 다중 채널 토큰 링 기반의 채널 접속 규약이 사용된 사고 안전 응용을 위한 구현 예가[52]에 나와있다. 또한 사고의 발생과 인지 사이의 시간 간격을 최소화하기 위해서 사고 예방 경고 기법이[53]에서 수행됐다. 만약 사고를 피할 수 없으면, 이해관계가 있는 차량이 인접 차량들에 사고 예방 경고 신호를 방송하여 근처의 차량 운전자들은 반응 시간을 더 벌 수 있다.
통신 범위를 늘리기 위해서 긴급 메시지 전송시에는 더 큰 파워로 전송하는 파워 조절도 사용될 수 있다. 긴급 메시지는 신뢰성 있는 채널 접속 방식으로 방송되므로, 전송 범위를 확대하여 더 많은 운전자에게 방송된다. 하지만 최대 전송 파워 레벨에는 상한이 있어 전송 범위가 제한되어 연쇄 충돌의 잠재적 위험이 있는 ZOR에 있는 모든 차량들에게 즉각적인 사고 발생을 알려줄 수 없을 수도 있다. ZOR에 있는 차량들에 효율적으로 긴급 메시지를 전송하려면 차량 위치와 속도가 필요하다. 즉 먼저 일어난 사고에 잠재적으로 영향을 받는 모든 운전자들에게 즉각적으로 경고할 수 있도록 위치 인식 사고 메시지 방송 규약(location-aware event-driven message broadcasting protocol)이 요구된다.
[54]에서 지능 메시지 방송 규약(intelligent message broadcast protocol)이 위험시에 효과적이고 효율적으로 목적지 차량들에 긴급 메시지를 전송하는 방식을 제안한다. 일방통행로 같은 한쪽 방향으로만 움직이는 교통 흐름에서 긴급 메시지 전송 방향은 교통 흐름의 반대 방향이어야 한다. 제안된 위치 인식 MAC 규약은 긴급 메시지 전송을 하기 전에 도로 상황과 차량 방향을 확인한다. [54]와 비슷하게 multi-hop 메시지 전송 지연이 해결된 차량 자가 구조화 MAC(vehicular self-organizing MAC, VeSOMAC)이 [55]에 제안되었다. End-to-end 메시지 지연 시간을 더 줄이기 위해서 시스템 차원의 구조화(system-level clustering)가 요구된다. 섹션 3.2.1에서 논의했듯이 상호 구조화 통신(inter-cluster communication)은 시간 측면에서 통신 범위의 큰 확장을 가져올 수 있도록 1순위 노드나 통로(clusterheads or clustergateways) 사이에서만 수행된다. 주파수 재사용 기법도 rich 인포테인먼트 서비스를 수행하기 위해서 node clustering을 통해 구현이 가능하다.
시스템 관점에서 본 VANET의 도로상 서비스
-연구 주제들
이 섹션에서는 시스템 관점에서 VANET의 도로상 서비스 지원의 두 가지 주요한 주제를 다룬다. (1) 네트워크 관리 (2) 성능 향상이다.
시스템 관점에서 서비스 제공자의 주요한 목적은 수익을 최대화하기 위해서 사용자의 수를 최대화하고 인명 피해를 줄이기 위해서 차량 승객의 도로 안전을 향상시키는 것이다. 비용을 줄이고 속도를 높이기 위해서, node clustering에 의해 데이터가 교환되는, 자동차 네트워크의 분산 제어가 수행된다. 한편, 시스템에서 우선순위가 높은 교통 자원의 수를 늘리는 것은 승인 제어의 필요성을 높이면서 낮은 우선순위의 교통 자원의 성능을 줄인다는 의미이다.
CAC(call admission control)는 새로운 인포테인먼트 응용이나 실행중인 응용의 QoS를 보장하는데 필수적인 반면, VAC(vehicle admission control, VAC)는 도로 안전을 위해 단위 시간과 공간당 차량 흐름과 차량 밀도 같은 교통 상황이 관찰되고 조절된다. 다른 말로 효율적인 VAC는 능동 도로 안전을 구현하고 많은 교통사고를 막는다. 늘어나는 자동차 응용 요구에 맞춰서 인포테인먼트와 도로 안전 모두를 제공하며 사용자 만족도를 더 증가시고 통신 신뢰성과 지연 시간의 도로 안전 장비 성능을 증가시킬 수 있는 시스템 성능 향상이 매우 필요하다. VANET의 시스템 성능은 RSU를 배치하고 node 협조와 향상된 통신 기술에 의해서 향상될 수 있다.
-네트워크 관리
·노트 클러스터링(node clustering)
넓은 지역의 무선 네트워크를 관리하는 점에 있어 node clustering은 성능과 복잡도를 조절하는 시스템으로 유망할 것이다[56, 57]. 특히 무선 네트워크는 많은 수의 클러스터로 나누어져 있고, 어떤 무선 노드는 지리적으로 서로 가까이 위치하여 같은 클러스터에 소속된다. 클러스터 그룹원들의 관계 변화는 전체 네트워크가 아니라 해당하는 클러스터에서 지역적으로 정보가 업데이트된다. 클러스터의 최우선순위 노드가 있다면 효율적으로 패킷 지연 시간을 줄여 부족한 무선 자원을 이용할 수 있다.
마찬가지로 교통 관련 데이터 교환은 능동 안전 장비로 더 잘 조정될 수 있고 긴급 메시지는 수동 안전 장비로 ZOR에 전송될 수 있다. 하지만 고이동성 VANET에서 어떻게 최우선순위 노드를 선출할지는 여전히 어려운 과제이다. [58, 59]에서 VANET의 노드 클러스터링 알고리즘이 제안됐다. VANET에서 노드 클러스터화를 더 향상하기 위해 인간 특성을 고려해야 한다. [60]에서는 클러스터 형성 요소로 운전자의 의도와 자동차 움직임을 고려한다. 이 알고리즘은 클러스터의 수명과 메시지 지연 시간 면에서 유망하다. [10]에서는 peer-to-peer 전송과 노드 클러스터링을 함께 고려해서, 메시지 전송의 성공적인 전송률을 증가시켰다.
클러스터화된 VANET에서 채널 할당은 [61]에서 연구됐고, 다중 채널이 있을 때, 세금에 기반한 채널 할당 방법이 [62]에서 처음 다뤄졌고, 효율적으로 상호 간섭 문제를 해결했다. 노드 클러스터링과 채널 할당은 차량의 그룹화(vehicle platooning,[3])에 사용될 수 있다. 그럼에도 QoS에 민감한 VANET 전용의 효율적 채널 할당 기법과 연합 노드 클러스터링 기법은 더 연구돼야 한다. 고속으로 이동하는 차량 환경에서 클러스터는 짧은 시간 동안만 형성되어 상호 또는 내부의 클러스터 메시지 전송의 효율성을 떨어뜨린다. 시스템 성능의 목적에서 더 많은 연구가 클러스터의 안정성 유지 부분에서 이뤄져야 한다.
·VAC에서 요청
무선 자원은 한정되어 있어 무선 네트워크는 증가하는 이용률, 패킷 손실 최소화, 공정성 유지 같은 트레이드오프가 있다. 이런 트레이드오프를 조절하는 많은 연구가 있으며, CAC는 새로운 자원 요청과 기존 자원 요청 모두를 위한 인포테인먼트 응용의 QoS 보장에 필수적이다. 알파벳 순서에 따르는 최대 최소 알고리즘(lexicographical max-min algorithm)은 새로운 요청의 승인을 결정하기 위해 개발되어,[63]에서 CAC 문제가 서비스 차별화와 신뢰성 있는 데이터 전송을 동시에 지원하는 문제로 정형화됐다.
한편 자동차는 전송 영역에서 다른 차량에 접속하기 위해서 가까워져야 한다. 그러므로 VANET에서 CAC는 도로의 지리적 특성을 고려해야 한다. 실제 주요 도로의 지형을 고려한 CAC 기법은[64]에 나온다. 요청 승인 조건은 무선 자원과 시공간 교통 변화에 따라 달라진다. 또한 CAC는 중앙 집중화된 방법과 분산 방법으로 수행될 수 있다. 중앙 집중 CAC에서는 전체적인 정보가 필요하므로 요청 승인/거부는 RSU나 최우선순위 노드에서 수행될 수 있다. 분산 CAC에서 각 자동차는 시간에 따른 도로상 교통 부하 통계와 이동 경로 같은 위치 정보에 기반한 요청을 보내거나 지연한다. 중앙 집중 CAC는 일반적으로 분산 CAC보다 단순한 구조이므로 중앙 집중 방식의 CAC인지 분산 방식의 CAC인지는 계산의 복잡성, 요구되는 시스템 성능 수준과 응용 시나리오에 따라 크게 좌우된다.
도로 지형을 고려하자는 생각은 VAC를 이용하여 능동 도로 안전 기법에 이용할 수도 있다. 영국 요크시 의회(the City of York Council, England[65])에 따르면 교통사고는 혼잡 시간대의 복잡한 교통 상황에서 더 자주 발생한다. 다른 말로 자동차 밀도가 높으면 더 많은 교통사고가 발생한다. 교통 흐름 이론 덕분에 자동차 밀도는 쉽게 근사 되며, 교통 신호, 멈춤 신호, 속도 제한과 다른 흐름 제어 정책을 통해 교통 제어가 가능하다.
CAC는 인포테인먼트 서비스를 주로 지원하는 반면, VAC는 능동 안전 기법에 필수적이지만 VAC 문제는 약간의 주목만 받고 있다. CAC/VAC 개념의 접합은 차량 밀도, 차량 이동성, 관련 있는 차량 위치, 주파수 재사용 패턴, 도로 지형을 고려한 VANET에서 매우 흥미를 끌고 있다. 인포테인먼트와 도로 안전 서비스 지원을 접합하기 위한 효과적이고 효율적인 CAC/VAC 연구가 더욱 필요하다.
-성능 향상
·RSU 배치
적절한 RSU 배치는 VANET의 성능을 매우 높이는 효율적인 방법이다. 고속도로나 도시의 거리에 따른 RSU 배치 전략은 잦은 네트워크 조각화(frequent network fragmentation) 같은 문제를 줄이고 인포테인먼트 서비스를 위한 효율적이고 믿을 수 있는 메시지 전송을 수행하고 도로 안전을 향상시킬 수 있다. 중요한 교통 정보는 잠재적 위험을 미리 운전자에게 정보를 주도록 전송될 수 있다. 몇 개의 RSU를 이용하는 안전 응용은 미국 연방 정부 도로교통 안전관리청(the U. S. National Highway Traffic Safety Administration)에 의해 수행된 차량 안전 통신(vehicle safety communication, VSC) 프로젝트에서 구현됐다[66]. [67]에서 주의 깊게 설치된 RSU는 성공적으로 전달된 메시지 전송률을 13% 향상시키는 것을 보여준다.
NP-hard 최적화 문제를 정형화시키기 위해서 RSU 배치 문제는 링크 신뢰성과 지연 시간을 최적화하기 위해 유전자 알고리즘(genetic algorithm, GA,[68])이나 greedy approach[69]를 이용해 풀 수 있다. 향상된 신뢰성과 지연 시간 성능으로 도로 안전 응용의 효율성은 증가될 수 있고 차량 사고율은 낮춰진다. 실제로 RSU는 교통사고 우범 지역에 위치해야 한다.
그러나 교통사고 우범 지역을 결정하는 문제는 어렵고 더 많은 여러 학문 분야의 노력이 필요하다. 차량 환경에서 인포테인먼트 서비스 지원을 고려한 최적화 RSU 배치 문제는 학문적으로 잘 연구되지 않았다. [70]에 보고된 것이 VANET에서 인포테인먼트 서비스를 지원하는 RSU의 최적 위치에 대한 몇 안 되는 연구이다. 최적화된 RSU 배치가 엔드 투 엔드(end-to-end) 통신 지연 시간을 최소화하고 시스템 이용률을 높이는 결과를 보여준다.
[71]에서 효율적인 대역폭 이론에 기반한 분석 작업을 통해 RSU의 수와 지연 시간의 효과를 연구했다. 또 다른 VANET의 RSU 위치 방법은[72]에서 제안됐는데, 고속도로 이동 패턴과 실제 경로 손실(path-loss) 모형(경로 손실 모형은 송신기와 수신기의 전파환경에 의해 전파의 경로에 따른 손실을 고려한 모형을 말한다.)을 고려한다. 이 방식은 시스템 이용률을 더 증가시키기 위한 적응 변조와 코딩의 이점을 이용하고 있다. 서비스 지역을 넓히기 위해 가상 접속점이 성공적인 메시지 전송률 증가를 위한 중간 기점으로 이용된다[73].
사실 가상 접속점을 도입하는 것은 노드 협력 개념과 비슷하다. 고속으로 이동하는 차량이 있는 VANET에서 중간 기점 선택은 해결해야 할 과제이며, 섹션 3.3.2에서 다룰 VANET을 위한 새로운 노드 협력 자원 할당 전략(new node cooperative resource allocation strategy)이 필수적이다. 하지만 위에서 언급한 RSU 배치 방법은 고속으로 이동하는 차량에 의한 작은 수준의 페이딩 효과(small-scale fading effect)에 의한 심각한 도플러 분산 효과의 영향은 무시했다.
노면 시험(field test)이 위에서 제안된 방법들의 실제 성능을 평가하는 데 필요하다. 게다가 한 개의 서비스 유형만 고려됐다. 그러므로 많은 인포테인먼트 응용 같은 이종 서비스에 위에서 제안된 방법을 VANET에 바로 이용하는 것은 QoS의 보장에 비효율적이다. 추가적으로 네트워크 접속률 분석을 통해 시스템 성능 면에서 잦은 네트워크 조각화의 효과를 측정하여야 효율적인 RSU 배치를 할 수 있다.
·RSU의 협력
최근에 분산 접속점 협력 방식은 산업계와 학계에서 많은 관심을 받고 있다. 소스 접속점에서 전송된 신호는 무선 환경에서 다른 접속점들이 수신할 수 있기 때문에 소스와 주변 접속점들은 가상 안테나 배열을 형성해서 정보를 전송하고 연합해서 처리할 수 있다. 효율적인 접속점 협력은 시스템 이용률을 높이고 전송 정확도를 높인다. RSU 지원 접속점 협력 방법은 특히 안전 응용에 유용하다.
사고가 발생한 경우 사고에 따른 긴급 메시지는 만약 소스와 목적지 사이에 deep fade가 있다면 수동 안전 기법의 효율성이 나빠져서 ZOR에 효율적으로 전송될 수 없을 것이다. Diversity 기반의 협력 규약을 구현하면, 링크 신뢰성이 매우 향상된다. 높은 diversity order를 가진 적절한 수신 기법은 시변(time-varying) 무선 채널에 이용될 수 있고[74], 추가적으로 통신 신뢰도의 개선을 가져온다. [75]에서 시공 단위 코딩(space-time block coding)에 기반한 협력적인 중간기점(relay) 방법이 다중 도약 VANET 용으로 제안됐다.
효율적인 협력은 성공적인 메시지 전달률, 지연 시간, 이용률, 링크 신뢰성의 면에서 큰 성능 향상을 가져온다. RSU가 지원하는 diversity 성능은[76]에서 분석되고 최적화됐다. 그 결과는 링크 신뢰성이 diversity order가 4일 때, SNR 면에서 4배의 향상을 가져온다는 것을 보여준다. 이와 달리 인포테인먼트 서비스 강화를 위한 접속점 협력을 통한 공간 다중화(spatial multiplexing)는 아직 연구 중이다. 하나의 명백한 문제는 소스와 주변 접속점들의 통신 링크가 불확실하다는 것이다. Diversity를 이용한 인포테인먼트 전달을 위한 규약은[77, 78]에 제안됐다. 이 두 가지 방법 모두 자동차는 RSU와 메시지를 처음에 교환하고 이용률을 높이기 위해서 인근 자동차의 접속점 협력을 유발한다. 그럼에도 이용률 요구 사항과 인접 접속점들의 이용 가능성을 알아채는 인근 접속점 선택의 문제는 적절히 연구되지 못했다.
한편 자동차들 간의 효율적인 협력은 상호 차량 통신 신뢰성(inter-vehicle communication reliability)을 높일 수 있다. 하지만 고속의 이동성 때문에 채널 근사 에러는 피할 수 없고, 차량 협력의 효율성은 약화된다. 이타적이지 않은 차량 협력의 경우 협력적인 전송은 보통의 직접 전송보다 항상 이득이 아니다[79]. 언제 차량 협력이 이득이 되는지 결정하는 기능이 필요해진다. VANET에서 협력적인 차량 그룹화(platooning)를 이룰지는 많은 관심을 받고 있으며 아직 연구가 더 필요하다.
·다른 고급 통신 기술들
향상된 통신 기술들이 시스템 성능 증가를 위해서 무선 네트워크에서 사용된다. 예를 들어 다중입력다중출력(multiple-input-multiple-output, MIMO) 기술은 도로 안전 서비스 지원을 위한 diversity 성능과 인포테인먼트 서비스 지원을 위한 시스템 용량 향상에 사용된다. 그러나[80]에서 볼 수 있듯이 VANET에서 MIMO 채널 모델은 차량들의 고이동성 때문에 Jake''s model[81] 같은 전형적인 무선 네트워크의 것과는 상당히 다르다. 그러므로 고속으로 이동하는 차량이 있는 VANET 용의 새로운 MIMO 방식이 필요하다.
한편 지향성 안테나는 전송 충돌을 줄이고, 주파수 재사용률을 높인다[82]. 차량의 움직임은 주요도로에 제한돼 있기 때문에 지향성 안테나 기반의 통신 규약은 실질적인 구현에 필수적으로 요구된다. 최근에 네트워크 부호화 개념은 시스템 성능을 엄청나게 향상시켜서 많은 주목을 받고 있다[83]. 네트워크 부호화 기반의 정보 전송으로 이용률과 시간 지연 측면의 시스템 성능은 크게 개선됐다[84]. 게다가 인지 무선 네트워크는 인가된 우선순위의 사용자에 의한 낮은 스펙트럼 이용률과 스펙트럼 혼잡으로 유망한 해결책으로 많이 연구되고 있다[85]. 효율적인 채널 탐사와 채널 개발 기술은 VANET의 자원 이용률을 향상시키는 데 이용된다[86].
그러나 면허 승인이 없는 사용자들은 우선순위가 있는 사용자들이 사용하고 남은 무선 자원만을 공유할 수 있어 VANET에서 이들의 QoS 보장은 매우 어렵다.
연관된 연구 프로젝트
무선 기술이 진보함에 따라서 차량 통신은 ITS를 구현하기 위해 전 세계적으로 많은 연구 활동이 활성화되었다. 상호 차량 통신(inter-vehicle communication)의 초기의 연구 프로젝트는 1980년대로 거슬러 간다. 일본의 자동차 주행 전자 기술 협회(Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving, JSK, 2003년에 일본 자동차 연구소 JARI로 통합되었다.)[87]가 고속도로 운행 기법을 소개했고, 1990년대에는 이와 비슷한 두 개의 유럽 프로젝트 PROMETHEUS와 DRIVE가 있었다[88]. 비슷한 시기에 차량 통신에 관한 연구 활동이 미국에 있었다.
1997년에는 샌디에고에서 캘리포니아 PATH(California Partners for Advanced Transit and Highway)[15]에 의하여 성공적으로 여덟 대의 차량 그룹화 시스템이 시연되었다. 이 시연은 V2V 통신을 통해서 자동차들이 강하게 묶였지만 부드러운 조율을 통해 작동하여 자동차 이용률과 도로 안전의 혁신적인 향상을 보여줬다. 자동차 그룹화의 비슷한 시연은 유럽에서 1990년 후반에 있었고 초기 2000년도에 일본에서 DEMO 2000[89]이 있었다. 자동차 그룹화의 기술이 실현 가능하다는 사실에도 불구하고 더 많은 연구와 시연들이 필요하다.
도로 안전의 부분은 PReVENT[90]라는 유럽 프로젝트가 예방 안전 응용과 기술의 시연 개발을 시작했다. PReVENT의 중요한 특징은 운전자에게 향상된 시야와 수동 조작이 필요 없고 완전 자동화되어 사고를 피하는 기능이다. 다른 유럽의 도로 안전 관련 프로젝트는 COMeSafety[91], SAFESPOT[92], SeVeCOM[93], COOPERS[94]이다. 최근 미국 운수성(the United States Department of Transportation, DOT)은 교통사고를 줄이는 2030년 운수 비전(Transportation Vision for 2030)으로 알려진 캠페인을 시작했다. DOT는 안전 응용을 위한 V2I와 V2V 통신 기술에 중심을 맞추고 있다. 아우디, BMW, Fiat, Opel, 폭스바겐 등의 유럽의 많은 자동차 제조업체들이 시작한 자동차 대 자동차 통신 컨소시엄(the Car-to-Car Communication Consortium, C2C-CC)[95]은 도로 안전과 교통 효율을 포함하는 ITS의 공개 기준을 알리고 개발하는 데 집중하고 있다.
차량 탑승자의 편의를 늘리기 위해 인포테인먼트 서비스 제공이 몇몇 최근 연구 프로젝트에서 고려되고 있다. 예를 들어 협력적인 차랑 기반시설 시스템(Cooperative Vehicle-Infrastructure Systems, CVIS) 개발을 강조하는 연구를 하는 한 유럽 연구 프로젝트가 시작됐다. Fleetnet[6]은 독일 연구 프로젝트이고 그 목적은 인터넷 서비스 같은 편의 서비스와 협력 운전 같은 안전 응용 모두를 제공하는 V2V 통신을 위한 플랫폼 개발이다. Network on Wheels(NOW)[96]은 독일에 기반을 둔 다른 연구 프로젝트이다. NOW의 주요 목적은 인포테인먼트와 능동 안전 서비스 제공을 위한 통신 규약의 개발이다. 기능 시험과 시연을 위한 시험대가 VANET의 성능 평가를 위해 NOW에서 구현됐다. 향상된 운전중의 인포테인먼트 시연을 위해서 TracNet[97]은 차량 탑승자를 위해 인터넷 접속을 제공한다.
차량 통신의 미지의 잠재력은 안전 서비스와 도로상 인포테인먼트 제공을 위해 많은 수의 공동 계획이 있다. 정부, 자동차 산업계, 학계의 VANET에 대한 시너지는 점점 커지고 있으며 VANET을 통한 수익성 좋은 새로운 시장의 정립과 도래를 위한 혁신적인 연구 프로젝트가 계획될 것이다.
공개된 연구 문제들
-도로 안전과 인포테인먼트 응용의 결합
섹션 2에서 논의했다시피 도로 교통 안전과 인포테인먼트 응용이 제공되는 VANET에서 안전 메시지는 항상 최고 우선순위를 가지고 자원 접속이 보장돼야 한다. 그러나 대규모 영역의 VANET에서 교통 부하나 지형 같은 교통 조건과 인포테인먼트 카테고리와 만족 수준과 조건 같은 사용자 요구는 시공간 측면에서 매우 다양하다. 고정불변의 채널 접속 규약은 안전과 인포테인먼트를 위한 이용률, 패킷 낙수율, 공정성 같은 미세한 QoS를 제공하는 데 덜 효과적이다. 적응 자원 예약 방법(adaptive resource reservation approach)이 고유동성의 VANET에서 도로상의 다른 응용들을 조합하는 데 필수적이다.
-VANET/LTE internetworking
VANET 배치의 초기 단계에서 단지 소수의 자동차들만이 OBU가 설치되어 도로 상에서 통신을 할 수 있기 때문에 VANET과 무선 휴대 전화 시스템의 연동은 최근에 많은 주목을 받고 있다[98, 99]. 그렇다 하더라도 자동차의 고속 이동성, 차량 환경에서 잦은 네트워크 할당 같은 VANET 특유의 특성은 피할 수 없다. 셀룰러 시스템의 조력을 받는 VANET에서 네트워크 접속성을 높이는 실현 가능한 옵션은 육지 이동을 위한 통신 구조(communications architecture for land mobile, CALM [98]) 같은 상호 보완적인 네트워크이다.
이런 VANET은 매우 띄엄띄엄 위치한 자동차들로 이루어진 순수한 VANET 보다 메시지 전달률 면에서 더 많은 메시지 전송이 가능하다[99]. 그러나 VANET/LTE 네트워크 결합과 연동을 통한 효율적인 자원 관리 기법의 개발은 더 많은 연구가 필요하다.
-VANET에서 사생활과 보안 문제
무선 네트워크는 일반적으로 변조 공격과 연속 공격 같은 다양한 종류의 보안과 사생활 침해 위협에 민감하다. 차량 탑승자의 의도적인 나쁜 행동은 도로상에서 다른 운전자와 탑승자들에게 치명적인 연속 결과를 유발한다. MANET과는 다르게 VANET에서의 보안과 사생활 침해 문제는 고속으로 움직이는 자동차의 이동성 패턴 같은 특이한 네트워크 특성에 의해 해결해야 할 문제이다.
한편으로는 사생활 보호는 운전자나 승객의 이름, 차 번호판 같은 민감한 정보를 보호하는 데 필수적이다. 다른 한편으로는 경찰관 같은 인가된 단체가 뺑소니 운전자의 위치 같은 범죄 조사와 피해자와 목격자를 구분하는 것 같은 비상의 경우 메시지 송신자를 확인해야 한다. 그러나 VANET에서 보안과 사생활 침해 문제는 거의 주목 받지 못하고 있다[18]. 인포테인먼트와 안전 응용을 제공하면서 효율적이고 믿을 수 있고 보안이 되는 VANET에 특화된 통신 방법이 필수적이지만 더 깊은 연구가 필요하다.
-교통 흐름 이론에 따른 접근법
[4, 43]에서 논의된 바대로 교통 흐름 이론은 도시 공학자에 의해 개발되었지만 VANET과 관련된 통신 문제의 설계와 모델링을 위한 도움이 될 수 있다. 도시 공학 연구는 고속 도로, 도시 거리, 일방통행로, 다차로 같은 다른 종류의 도로 타입을 위한 실질적 교통 흐름의 엄밀한 수학적 모델뿐 아니라 차량 그룹화, 차량 통행, 십자 교차로 같은 차량 교통의 행동 특성을 상술하는 모델을 제공한다. 교통 흐름 이론은 수십 년 간 이뤄졌고, 실제 교통 측정을 통해 증명된 것이다. 교통 흐름 이론을 통한 VANET의 시스템 성능 최적화를 이루는 것은 더 많은 연구 조사가 필요하다.
-이동성 모델과 파라미터들
실제 차량 환경을 반영하는 차량 속도, 운전자의 공격성 같이 변화하는 시스템 고려 요소들이 포함된 정확한 이동성 모델은 VANET 용 통신 규약의 설계와 성능 평가에 필요하다. 예를 들어 이동성 정보는 MAC 계층의 공정한 자원 배분 성능 향상에 이용된다[100]. 학문적으로 많은 연구가 VANET을 위한 실제 근사 이동성 모델(close-to-reality mobility model) 제공을 위해 수행됐다[101, 102]. 그러나 이 제안된 모델들은 통신이 지원되는 차선 변경 같은 제약이 있는 소수의 시나리오에만 적합하다. VANET을 위한 실제 이동성 모델은 동적 시공간의 도로와 교통 변화 같은 차량 환경의 고유한 특성과 협력해야 한다. 이 역시 연구가 더 이뤄져야 한다.
결론
차량 운행은 우리의 일상이 되어서 상호간 차량 통신과 차량 탑재 컴퓨팅의 요구가 커지고 있다. OBU와 RSU로 이뤄진 VANET은 V2V와 V2I 통신을 구현할 수 있다. 이런 긴급 차량 네트워크 패러다임은 안전과 편의 서비스를 포함한 새로운 도로상 응용의 넓은 범위를 포함하는 것이다. 특이한 네트워크 특성과 응용에서 나온 목적 때문에 기존 무선 네트워크의 채널 접속 규약과 자원 관리 방식은 고속으로 이동하는 차량이 있는 매우 유동적인 VANET에는 적합하지 않다.
이렇게 유동적인 차량 운행 환경에서 성과를 얻기 위해서 VANET에 특화된 통신 전략을 고안하는 것이 필요하다. 정리하면 이 논문은 통신 관점의 도로 안전 서비스와 인포테인먼트 제공 부분을 설명하기 위해 노력했다. 다양한 인포테인먼트와 도로 안전 응용에 QoS를 제공하는 다양한 사용자 수준 채널 접속 규약과 시스템 수준 자원 관리 방법을 다뤘다. 그리고 많은 관련 연구 프로젝트와 공개된 연구 주제들 또한 논의했다.
그림 1. VANET의 그림
그림 2. VANET에서 도로상 서비스를 지원하는 존재하는 통신 방식의 분류체계
그림 3. 위치 인식 채널 접속을 통한 공간 자원 예약
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