1. 개요

○ VANET(Vehicular Ad hoc NETwork) 형식의 VSN(Vehicular Sensor Network : 차량 센서 네트워크) 모니터링 기술에 관심이 집중되고 있다. 이는 VSN용 고속 모바일 무선 센서 네트워크를 포함한 센서와 무선 매체를 통해 통신할 수 있는 스마트 자동차의 집합이다. 미래 유비쿼터스(ubiquitous) 사회 모바일 사용자의 효율적인 감지 및 네트워킹 기능 등을 제공하고 있다. 아울러 다양한 트래픽 모니터링 및 교통 흐름제어와 같은 안전 응용 프로그램을 지원함으로써 차량의 충돌 방지, 독성 화학물질 검출 및 도로상태 감시 기능을 실행하고 있다. (p.1:1~14)

○ FCC(Federal Communications Commission : 미국연방통신위원회)는 이 목표를 실현하기 위해 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 또는 V2R(Vehicle-to-Roadside) 단거리 통신에 대한 75Mhz의 스펙트럼을 할당하였다. 아울러 다양한 모바일기기를 장착한 스마트 차량이 빠르게 증가하면서 IEEE는 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments : 차량 환경에서 무선 접속) 기능을 추가하는 새로운 IEEE 802.11 p 작업그룹을 형성했다. 향후 VSN을 통한 인터넷 접속이 중요한 구성요소 중 하나가 될 것이다. 기타 전통적인 무선 센서 네트워크 특히 VSN 라우팅(routing) 프로토콜 설계에 있어 새로운 특성을 나타내고 있다. 차량 통신 대역폭은 릴레이 데이터나 무선 링크에 의존하기 때문에 매우 제한적이다. 이에 불안정한 자동차의 고속 이동 시 네트워크 토폴로지(topology)는 매우 역동적이어서 신호 연결이 자주 끊어질 수 있는데 이러한 단점을 해결할 수 있다. (p.1:14~31)

2. 하이브리드 위치 기반 및 DTN 전달

(1) 개요

○ 위치 기반 라우팅 프로토콜은 사전에 설정된 네트워크 내 대상 노드(node)의 위치정보를 획득할 수 있도록 전체 네트워크에 주기적으로 위치정보를 방송하게 된다. 그러나 차량 센서 네트워크는 때로 네트워크 연결이 끊긴 상태에서 주행할 수도 있다. 이 연구에서는 차량에 장착된 디지털 지도(digital maps/electronic maps)를 기반으로 위치정보 서비스를 제공하는 GPS(Global Positioning System) 수신기, 내비게이션 시스템에 대해 설명한다. (p.3:18~27)

○ 이동 중인 차량의 위치, 속도, 및 GPS 방향뿐만 아니라 내비게이션 시스템을 통한 고정된 사이트의 고유 위치정보를 획득할 수 있다. 이 정보를 차량의 단거리 무선 채널을 통해 통신할 수 있으며, 주기적인 신호 메시지를 통해 위치정보를 전송할 수도 있다. 이때 이동 중인 차량 감지 데이터가 저장된 패킷을 생성하여 목적지 싱크에 전송함으로써 실행된다. (p.3:28~35)

(2) 구현사례

○ 이 연구에 이용된 교차로의 구조는 다음과 같다. 제1교차로(Ia)의 모서리에 sink를 설치하고 이를 통해 후면 교차로(Ib)와 교차로(Ib)에 연결된 교차로(Ic)의 교통상황을 실시간으로 감지하여 데이터 패킷(D)을 전송하는 구조이다. 이때 교차로를 통과한 차량(U), 차량(U)의 뒤를 따라 교차로를 통과하려하는 차량(S), 교차로를 통과중인 차량(V), 차량(V)의 맞은편에서 교차로에 진입하고 있는 차량(W)을 가정한다. 이러한 구조를 갖는 도로의 VSN 라우팅 사례를 <그림 1>에 나타낸다.

* 자료 : "Hybrid Position-Based and DTN Forwarding for Vehicular Sensor Networks", International Journal of Distributed Sensor Networks, 2012. 3. 24, p.3.

<그림 1> VSN 라우팅 사례

○ GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing) 프로토콜에 따라 차량(U, V)은 교차로의 상황을 실시간으로 감지한 데이터 패킷(D)을 수신할 수 있지만, 차량(S, W)은 패킷 경계모드로 전환시점에서 패킷경로(Ib) 통해 릴레이되기 때문에 신호를 수신할 수 없다. 즉, 데이터 패킷(D)이 Ib→Id→Ic→Ia 교차로 순서대로 전송되기 때문에 해당 패킷이 교차로 부근의 모든 차량에 전달되기에는 제한요인이 있다. 이러한 세 개의 세그먼트를 따라 교차로 Ic 및 Id 사이의 세그먼트 신호등 또는 갑작스런 교통사고에 의해 차단 될 때 경로 연결이 해제 될 수 있다. 아울러 차량의 진행방향 쪽으로 릴레이 노드들이 너무 많을 때는 해당 교차로(Ib)의 경로보다 훨씬 짧은 시간 내에 데이터 패킷(D)을 수신할 수 있을 것이다. 이는 데이터 패킷(D)의 정보저장 및 전달능력에 따라 GPSR 프로토콜의 성능이 결정될 수 있다는 것을 시사하고 있다.(p.3:36~56)

3. 성능 평가

(1) 시뮬레이션 환경

○ NS-2에 GPSR-DTN과 GPSR-B로 구성된 교차로의 라우팅 기능을 구현하여 차량용 네트워크를 설계하기 위해 이동성 모델 생성기를 사용하여 VSN에 대한 실제적인 이동거리 및 양방향 교차로 신호등 배치 등의 결과를 도출하였다. 두 인접 신호등 간의 거리는 네트워크 연결에 큰 영향을 줄 수 있어 무선 전송 범위는 두 개의 인접 한 클러스터 사이의 거리보다 작을 때 신호등이 작동되도록 설계하였다. (p.7:1~47)

○ 간헐적으로 연결된 센서 신호에 의한 네트워크 교통 신호등은 주기적으로 중단되도록 설계하였다. 모든 네트워크는 2052m×2052m 평방 지도에 100대의 차량을 기준으로 레이아웃에 배치된다. 각 차량은 거리에 따라 20m/s의 속도로 주행한다. 통신범위는 250m로 설정되어 있고 이때 신호 메시지 기간은 1초이다. 10대 차량에서 획득한 데이터의 감지 간격은 0.5~5초로 하며, 모든 데이터 패킷의 목적지는 미리 정의된 위치에서 실행되도록 한다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터 값들을 <표 1>에 나타낸다. (p.7:47~57)

<표 1> 시뮬레이션 파라미터

※ MAC : Medium Access Control

* 자료 : "Hybrid Position-Based and DTN Forwarding for Vehicular Sensor Networks", International Journal of Distributed Sensor Networks, 2012. 3. 24, p.7.

(2) 시뮬레이션 결과

○ 그림 2는 시나리오에 대한 시뮬레이션 결과이다. (A)는 완전 연결 된 센서신호의 전송률이며, (B)는 간헐적으로 연결 된 센서신호의 전송률을 나타낸다. 이는 이 연구의 핵심인 향상된 DTN 라우팅 기술을 결합함으로써 위치 기반 라우팅 성능이 개선되었음을 보여주고 있다. GPSR 라우팅 프로토콜은 기존의 GPSR-DTN 보다 높은 신호 전달률을 나타내고 있다. 즉, 교차로 차량에 전달되는 패킷은 이동방향과 동일한 세그먼트에 인접한 차량의 인지성능에 따라 루프 방지 메커니즘의 성능이 결정될 수 있다는 것을 시사하고 있다. (p.7:58~74)

<그림 2> Simulation results

4. 맺음말

○ 교통신호와 관련된 교통사고는 낮은 트래픽 밀도에 의한 간헐적인 신호 연결 네트워크에서 흔히 발생할 수 있다. 이 연구에서는 기존의 위치 기반 VANET/VSN 라우팅 프로토콜을 개선하여 간헐적으로 연결된 차량 센서 네트워크에 적합한 차량 위치정보 기반의 새로운 하이브리드 신호전송 프로토콜을 제안하였다. 이는 운전자가 차량의 주행경로에 따라 실시간으로 방향설정에 대한 의사결정을 함으로써 루프 방지 메커니즘에 따라 도로의 정체나 교통사고 등을 피할 수 있게 하는 것이다. (p.8)

○ 시뮬레이션 결과 제안한 하이브리드 시스템은 기존의 위치 기반 도로교통 솔루션보다 성능이 우수함을 입증하였다. 향후에는 보다 현실적인 도로상황이 반영된 시나리오에 착안하여 알고리즘을 테스트하여 주행 차량의 대상을 확장할 수 있는 연구가 팔요하다. (p.8)