Efficient communication amongst vehicles is one of the most important ingredients in intelligent transport systems (ITS) services which provide useful information such as traffic prediction, accident prevention and convergence services. However, reliability of the communications and a faster response should be more emphasized in the case of emergency information. Since vehicles are moving at a high speed, wireless channel are by nature time varying and may induce severe impairments in the data communications. To cope with transmission errors, error control technique is widely adopted.
In this thesis, we investigate efficiency of the physical layer (PHY) of the wireless access vehicular environments (WAVE) standard for vehicular communication which is based on IEEE 802.11p. In particular, we are interested in the error detection capability of the error-control codes for physical layer convergence procedure (PLCP) header in which an even parity-check code is in charge of the error detection. Our investigation shows that the undetected errors due to weak error detection capability of the even parity-check code result in significant loss of protocol efficiency and/or delays. That is, undetected errors in PLCP header allow the transmitter to send a large size of data frame which will be decoded with erroneous information in the PLCP header. IEEE 802.11p protocol has a strong error detection code, cyclic redendancy check (CRC)-32, in the follow-up data block and can detect errors in the PLCP header and/or the data block. However, since there is no way to tell in which transmission the errors occur, the entire transmission process must iterate from the beginning, transmission of PLCP header, which not only deteriorates the protocol efficiency but also makes the response slower. This inefficiency motivates us to propose a better structure of PLCP header.
The PLCP header is also protected with a convolutional codes for error-correction whose message consists of information about the follow-up data block and the 1 bit even parity. In the proposed PLCP header, we have a longer CRC code and thus a longer message/codeword of CC. The change in the length of codeword requires entire changes in the transmission architecture which we want to avoid. This technical challenge is accomplished by puncturing the codeword in a way to minimize the loss of error-correction capability due to the puncturing. To do so, we analyze the weight distribution of the codeword of CC and look for a good puncturing pattern in terms of large minimum distance.
Obviously, the error-detection and -correction capabilities can be traded off. That is, a longer CRC code provides a better error-detection capability, but we need puncture more, which deteriorates the error-correction capability. To get the best choice of the length of CRC code, we evaluate the frame-error rate (FER) and throughput efficiency at various lengths of CRC code, from 1 to 6. In the evaluation, we use a list Viterbi decoder since to some extend, the loss of error-correction capability can be compensated. The evaluation of FER shows that we have the best performance when the length of CRC code is 4. Notice that when the length of CRC code is less than 5, FER of proposed PLCP structure outperforms the conventional one, the CRC code of length 1. This seems contradictory since we are supposed to lose the error-correction capability at longer lengths of CRC codes. However, due to a stronger error-detection capability, we have a smaller number of undetected errors which provides smaller FERs. When the length of CRC code is bigger than 4, the loss of error-correction capability offsets the benefit of the stronger error-detection code and thus we have poorer performances.
We also analyze the through efficiency where we consider various sizes of data blocks which follow the PLCP header. If we have an event of undetected error(s) in the PLCP header, the decoding for data block will fail. Thus, the loss of throughput efficient becomes more severe at a longer data block length, and a longer CRC code is preferred when the data block size is bigger. However, when the data block size is small, the improvement from a stronger CRC code is marginal. Thus, we have such a big throughput losses with longer CRC codes. The throughput analysis also tells that the best choice of the CRC length is 4.
In this work, we show a way to improve throughput efficiency and FER by proposing a new frame structure of PLCP header together with a careful puncturing pattern. We believe this work will be a good reference in the process of making next-generation ITS.
인간의 삶을 윤택하게 만들려는 유비쿼터스 시대를 향해 나아가고 있는 지금, 무선 네트워크는 유비쿼터스 세상을 만들어가는 가장 기본적이고 핵심적인 요소 중 하나이다. 보다 나은 미래의 유비쿼터스 환경을 이루기 위해서는 무선 네트워크의 발전이 필수적이며, 그 중에서도 텔레매틱스 [1] 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 텔레매틱스 (Telematic) 는 원격통신 (Telecommunication) 과 정보과학 (Informatics) 의 합성어로써 자동차와 무선 통신이 결합한 새로운 개념의 인터넷 서비스이다. 이런 텔레매틱스는 크게 위치 항법장치 (Global Positioning System, GPS), 지리정보시스템 (Geo-Graphic Information System, GIS), 그리고 지능형 교통정보 시스템 (Intelligent Transport Systems, ITS) 에 관한 연구로 나뉘고 있다.
그 중에서 ITS 서비스는 Vehicle to Vehicle (V2V) 통신과 Vehicle to Infrastructure (V2I) 통신을 통하여 미연에 교통사고를 방지하고, 고속으로 이동하는 차량에서 인터넷 서비스를 제공하는 것이 ITS 서비스의 가장 중요한 목표이다. 차량 간 멀티홉 통신 (Vehicular Multi-hop Communications, VMC) 은 차량 간 교통사고를 미연에 방지하는 것 등 차량 간 정보교환을 목적으로 현재 많은 나라에서 표준화에 착수하고 있으며, 활발한 연구가 진행되고 있다 [2]. 본 논문은 그 중에서도 미국에서 연구 중인 Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) 규격 [3] 인 IEEE 802.11p [4] 표준에서 물리계층에 관한 연구를 진행하였다.
VMC 환경에서 사용되는 WAVE 규격의 물리계층 표준은 IEEE 802.11p에서 정의한다. IEEE 802.11p 는 기존의 무선 랜 규격에서 빠른 속도로 움직이는 차량에 ITS 서비스를 적용하기 위한 것으로, 빠른 응답속도와 정확한 전송을 요구한다 [5]. IEEE 802.11p 에서 정의된 물리계층에서는 오류 정정부호로써 길쌈부호 (Convolutional Codes) 를 사용한다 [4]. 길쌈부호는 현재 가장 많이 쓰이는 오류 정정부호 중 하나로서 짧은 길이의 부호를 가지는 정보 전송에 많이 사용되고 있다. IEEE 802.11p 에서 짧은 길이의 제어정보를 전송하는데도 길쌈부호가 쓰이고 있으며, 제어정보의 오류 검출 여부를 통해 정보의 전달을 결정한다.
본 논문에서는 IEEE 802.11p 에서 제어정보의 오류 검출 능력의 한계를 지적하고, WAVE 규격에서 정보 (DATA field) 를 전송하기 이전에 사전 정보로 전송하는 정보 (SIGNAL field) 의 오류 검출 능력의 취약점을 보완하고자 한다. WAVE 규격에서 SIGNAL 은 DATA 의 길이 정보와 부호율, 그리고 변조 방법에 대한 정보를 포함하고 있으며 [4], SIGNAL 의 오류는 DATA 의 복호에 치명적인 결함을 발생하게 한다. 이러한 SIGNAL 의 오류 검출은 Even Parity Check 에 의하여 이루어진다. 하지만 Even Parity Check 부호의 오류 검출 확률은 50% 로 굉장히 취약하기 때문에 [8], 본 논문에서는 SIGNAL 의 오류 검출 능력의 취약점을 보완하기 위하여 보다 긴 길이의 오류 검출 부호를 사용하고자 한다. 하지만 WAVE 규격에서의 물리계층 표준화 작업은 거의 마무리 단계여서 SIGNAL 의 규격을 바꾸는 것은 쉽지 않은 일이다. 본 논문에서는 SIGNAL 의 규격의 변화를 최소화하기 위하여 SIGNAL 의 길이는 그대로 유지하며, 오류 검출 능력을 향상시키기 위하여 보다 긴 길이의 Cyclic Redundancy Check (CRC) 부호 [8,9] 를 연접한 후 천공 (puncturing) [10, 11] 을 하였다. 본 논문에서 CRC 부호를 연접하여 늘어난 길이를 천공을 함에 있어 보다 좋은 성능을 얻기 위하여 최소 자유거리 (minimum free distance) [9] 를 분석하여 천공 알고리즘을 제안하였으며, 제안한 천공기법 외의 임의로 천공한 부호와 비교하여 제안한 천공기법의 성능을 검증하였다. 실험을 통하여 WAVE 규격에서 가장 적합한 길이의 CRC 부호를 찾아내었고, 보다 좋은 성능을 얻기 위하여 옵션으로 리스트 비터비 복호기 [12] 를 사용할 것을 제안하였다.
본 논문의 결과로 WAVE 규격에서 보다 효율적인 정보 전송과 보다 빠른 차량 간 통신을 가능하게 하여 사고를 미연에 방지하는데 도움이 될 것으로 기대한다. 그리고 WAVE 규격뿐만이 아니라 Even Parity Check 에 의하여 오류 검출을 하는 정보 전송에 있어, 기존의 규격을 그대로 유지하면서 오류 검출 능력을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2 장에서 본 연구에서 사용하는 부호들에 대하여 알아보겠다. 먼저 오류 검출부호 중 하나인 CRC 부호에 대하여 설명하고, 오류 정정부호 중 하나인 길쌈부호의 부호화와 복호화에 대하여 알아보겠다. 3 장에서는 기존의 WAVE 규격에서 물리계층이 적용되는 환경을 살펴보고, 본 논문에서 제안한 천공기법을 설명하겠다. 4 장에서는 실험에 대한 결과들로 본 논문에서 제안한 천공기법에 의한 성능 향상과 WAVE 규격에 추가적인 옵션으로 리스트 비터비 복호기를 사용함으로써 더 나은 성능을 보여줄 수 있음을 보여주겠다. 마지막으로 5 장에서 본 논문의 결과와 기대효과에 대하여 설명하겠다.
