지능형 자동차를 위한 원격제어 모델 및 메시지 전파 프로토콜 = Tele-Operation Model and Message Dissemination Protocols for Intelligent Vehicles

국문 초록 (Abstract)

지능형 자동차는 인간의 개입을 최소화하여 자동차 스스로 사건의 감지, 데이터 처리, 정보 제공 및 수집이 가능한 첨단화된 자동차이다. 지능형 자동차는 운전자의 안전을 위해 자동차 내부 네트워크뿐만 아니라 외부의 이종 네트워크와 연계하여 더욱 다양한 안전 및 교통정보를 공유한다. 지능형 자동차의 안전 및 교통정보 수집영역을 확장하기 위해서는 다양한 이종 네트워크간의 효율적인 연계 모델의 설계가 매우 중요하다. 이러한 중요성에도 불구하고 자동차 환경의 다양한 특성, 광범위한 연구영역, 다양한 기술융합 등의 어려움 때문에 지능형 자동차를 위한 네트워크 아키텍처, 서비스 모델, 프로토콜에 관한 연구가 부족한 상태이다.
본 논문에서는 먼저 사전 연구로서 지능형 자동차를 위한 네트워크를 세 가지 즉, 자동차 내 네트워크, 도로-자동차간 네트워크, 자동차간 네트워크로 분류하고 각 네트워크 프로토콜별로 그 특징과 제약사항을 분석하였으며, 이를 바탕으로 아래와 같은 두 가지 연구를 수행하였다.
첫째, 자동차 원격제어를 위한 네트워크 및 서비스 모델을 제안하였다. 제안한 모델은 CAN 기반 자동차 내 네트워크와 CDMA 기반 도로-자동차간 네트워크를 기반으로 하며, 자동차 내 네트워크는 게이트웨이를 통해 인터넷에 연결된 지역 네트워크가 된다. 세부 연구에서는 자동차 원격제어 서비스 제공을 위한 서비스 모델과 사용자 인터페이스 설계를 수행 하였으며, 제안한 모델의 성능평가를 위해 자동차 원격제어 시스템과 서비스를 구현하였다. 성능평가 결과 다양한 이동 환경에서 1초 이내의 왕복응답시간과 자동차 원격제어 서비스에 적합한 QoS를 보였다.
둘째, VANET에서 효율적인 긴급 메시지 전파를 위한 PCB, RCB, OCB 등 세 가지의 멀티-홉 브로드캐스트 프로토콜을 제안하였다. 자동차 환경의 독특한 특성들로 인하여 MANET에서 제안된 네트워크 프로토콜들은 VANET에서 좋은 성능을 기대하기 어렵다. VANET에서 긴급 메시지는 운전자의 안전과 밀접하게 관련되기 때문에 신속한 메시지 전파 프로토콜이 요구된다. PCB는 소스노드로부터 거리를 기반으로 경쟁윈도우 크기를 계산하고 주어진 경쟁윈도우 내에서 임의의 메시지 전송 대기시간을 선택하는 방식을 사용하며, RCB는 소스노드로부터 더 멀리 있는 노드가 릴레이 노드로 선정되도록 주어진 경쟁윈도우의 일부를 예약하는 기법을 기반으로 한다. 한편, OCB는 소스노드로부터 가장 멀리 있는 노드가 보다 짧은 메시지 전송 대기시간을 선택하여 릴레이 노드로 선정될 수 있도록 주어진 경쟁윈도우의 크기를 최적화하는 방식을 적용한 기법이다. VANET 환경을 위해 제안된 세 가지의 멀티-홉 브로드캐스트 프로토콜은 경쟁윈도우를 이용하여 노드들 간의 경쟁을 통해 낮은 네트워크 부하와 짧은 종단간 메시지 전파 지연시간을 갖는다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성능평가 결과, 제안한 프로토콜은 기존의 기법보다 약 83% 우수한 성능을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The intelligent vehicle is a state-of-the-art technology that can actively sense accidental events occurred in road environments and autonomously cope with traffic accident. The information for driver's safety can not be obtained from the inside of a vehicle but also from the outside of a vehicle. In addition, it is shared through heterogeneous networks connecting several objects on the road. The expansion of communication area for traffic information in intelligent vehicle requires to design a connection model of several heterogeneous networks to improve traffic safety. However, only a few studies have been conducted on network architecture, service models, and protocols for intelligent vehicles. In this paper, networks for intelligent vehicles are classified into three parts: in-vehicle network, roadside-to-vehicle network and inter-vehicle network. Characteristics and constraints of network protocols are analyzed and two main studies are described based on the analysis.
First, a network architecture and a service model are proposed for vehicle tele-operation that can control and manage vehicles at a distance. The proposed model is based on the CAN-based in-vehicle network and CDMA-based roadside-to-vehicle network. The in-vehicle network becomes a local network connected to the Internet through a gateway. In a detailed study, a service model and user interfaces are designed to provide vehicle tele-operation services. A remote vehicle control system and services are implemented to evaluate the performance of proposed model. The results of the performance evaluation in various mobile environments show that round trip time takes less than one second and its QoS is suitable for vehicle tele-operation services.
Second, three types of multi-hop broadcast protocols, PCB, RCB, and OCB, are proposed to disseminate emergency messages efficiently in VANET. Since emergency messages in VANET are closely related to driver's safety, a protocol is needed to disseminate emergency messages promptly. PCB calculates a contention window size based on the distance from a source node and randomly selects a waiting time for message re-broadcasting in the given contention-window. RCB reserves a part of the given contention-window so that a relay node farther from the source node can be selected. OCB optimizes the size of given contention-window so that the farthest node from the source node can be chosen as a relay node by selecting a shorter waiting time for message re-broadcasting. The proposed three multi-hop broadcast protocols for VANET have a low network load and a short end-to-end delay time for disseminating emergency messages through contention between nodes using the contention-window. According to the results of the performance evaluation via computer simulation, the proposed protocols show about 83% higher performance than other existing broadcast protocols.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구동기 = 1
• 1.2 연구 목적 및 논문 구성 = 2
• Ⅱ. 자동차 네트워크 = 5
• 2.1 자동차 네트워크의 유형 및 특징 = 5
• 2.1.1 자동차 내 네트워크(In-vehicle Network) = 6
• 2.1.2 도로-자동차간 네트워크(Roadside-to-Vehicle Network) = 9
• 2.1.3 자동차간 네트워크(Inter-Vehicle Network) = 12
• 2.2 자동차 애드혹 네트워크(VANET) 기술 = 16
• 2.2.1 VANET의 특징 및 표준 = 18
• 2.2.2 VANET의 매체 접근 제어 = 25
• 2.2.3 VANET의 라우팅 = 29
• 2.2.4 VANET의 보안 = 33
• Ⅲ. 자동차 원격제어를 위한 네트워크 및 서비스 모델 = 37
• 3.1 개요 = 37
• 3.2 관련연구 = 38
• 3.2.1 자동차 원격제어(Vehicle Tele-Operation) = 38
• 3.2.2 네트워크 모델 = 40
• 3.3 제안하는 네트워크 및 서비스 모델 = 42
• 3.3.1 네트워크 아키텍처 = 42
• 3.3.2 클라이언트 모델 = 45
• 3.3.3 제어서버 = 48
• 3.3.4 게이트웨이 = 49
• 3.3.5 자동차 내 네트워크 = 52
• 3.4 시험 시스템 구현 = 54
• 3.4.1 하드웨어 구현 = 54
• 3.4.2 사용자 인터페이스 구현 = 59
• 3.5 성능평가 및 고찰 = 63
• 3.5.1 시스템 성능평가 모델 = 63
• 3.5.2 실험 및 성능분석 = 66
• 3.5.3 고찰 = 71
• Ⅳ. VANET을 위한 경쟁윈도우 기반 메시지 전파 프로토콜 = 73
• 4.1 개요 = 73
• 4.2 관련연구 = 76
• 4.2.1 플러딩 기반 멀티-홉 브로드캐스트 기법 = 78
• 4.2.2 테이블 기반 멀티-홉 브로드캐스트 기법 = 80
• 4.2.3 클러스터 기반 멀티-홉 브로드캐스트 기법 = 81
• 4.2.4 거리 기반 멀티-홉 브로드캐스트 기법 = 82
• 4.3 PCB(Pure Contention-window based Broadcast) = 85
• 4.3.1 경쟁윈도우 기반 멀티-홉 브로드캐스트 기법의 기본 개념 = 85
• 4.3.2 PCB 프로토콜 모델 = 87
• 4.3.3 PCB의 성능분석 = 90
• 4.4 RCB(Reserved Contention-window based Broadcast) = 97
• 4.4.1 RCB 프로토콜 모델 = 97
• 4.4.2 RCB의 성능분석 = 100
• 4.5 OCB(Optimized Contention-window based Broadcast) = 104
• 4.5.1 OCB 프로토콜 모델 = 104
• 4.5.2 OCB의 성능 분석 = 107
• 4.6 성능평가 및 고찰 = 110
• 4.6.1 릴레이 노드 및 메시지 중복 수신 분포 = 112
• 4.6.2 네트워크 부하 = 118
• 4.6.3 종단간 메시지 전파 지연시간 = 119
• 4.6.4 합성성능 = 121
• 4.6.5 고찰 = 123
• Ⅴ. 결론 및 향후 연구과제 = 125
• 참고문헌 = 128
• Abstract = 138