Intelligent Transport Systems (ITS) require many technologies and infrastructures in which most essential element is communication network. The conventional communication networks have several difficulties to apply to Vehicular Ad-Hoc Networks (VANETs) and many problems have been encountered such as broadcast storm, network partition, temporal network fragmentation due to highly dynamic topology, frequently disconnected network, and different and dynimic network density. These VANETs` characteristics require new vehicular communication technologies such as the Dedicated Short-Range Communications (DSRC) and the Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE). WAVE which is one of the most desirable vehicular communication technologies, consists of IEEE 802.11p and IEEE 1609.x, and supports Vehicle to Infrastructure (V2I) and Vehicle to Vehicle (V2V) communication.
Many applications like the cooperative safety application of ITS utilize beacon messages for V2V communication. Beacon messages, which include vehicle information, broadcast periodically and the beacon broadcast requires high accuracy and speed. Beacon reception ratio (BRR), awareness, delay time are critical elements for the beacon broadcast performance evaluation and many researchers have been conducted researches of beacon transmission rate, power, contention window (CW) size to enhance the beacon broadcast performance.
In this paper, we propose a new mechinism called the Bi-Beacon, which has two-level transmission power control depending on vehicle speed and controls the CW size depending on network condition. The two-level power control of transmission power depending on vehicle speed guarantees drivers with sufficient reaction time while keeping the awareness range by transmitting two-level power beacons. The CW control mechanism controls the CW size based on the number of received beacons and transmission power, which can be applied together with the two-level power control. The CW control is especially effective in improving BRR in a high vehicle density condition. Longer delay time resulting from the CW control can be reduced by updating beacon signals in a queue.
We evaulate the performance of the proposed two-level control power scheme using its analytical modeling which includes the impact of the hidden terminals and consurrent transmissions. Analytical results show that the proposed two-level power control yields the improved beacon reception ratio in various vehicle density conditions.
We use OMNeT++ simulation to evaluate the performance of Bi-Beacon. We obtain the performance of transmission power control, two-level power control, CW control, and beacon update in terms of beacon reception ratio, delay time, and awareness range. Simulation results of the two-level power control show that BRR is improved while the awareness range is maintained the same under all vehicle speeds. The CW control with the two-level power control reveals that BRR is improved especially in high vehicle density condition, but delay time becomes rapidly larger. The delay time problem is remedied by the beacon update scheme such that the delay time becomes shorter than requirement.
차량 무선네트워크 기술은 현재 기업이나 정부로부터 많은 관심 속에 다양한 연구가 진행 중에 있으며, 교통사고나 교통 혼잡으로 인한 사회적 비용이 해마다 증가하고 있어 앞으로도 지속적인 연구가 추진될 것으로 판단된다. 차량 네트워크 환경인 VANETs은 빠른 차량 속도에 따른 급격한 네트워크 구조의 변화, 빈번한 네트워크 접속 및 단절, 수시로 변하는 노드 밀도의 변화 등의 특징을 가지고 있어 기존 무선 통신네트워크 기술을 적용하기 많은 제약이 발생하며, 이로 인해 DSRC와 WAVE라는 새로운 차량 무선통신기술을 개발하게 되었다.
차량 네트워크를 통해 지원되는 ITS application 중에서 cooperative safety application은 가장 핵심적인 요소이며, V2V 통신에서 주기적인 비콘 브로드캐스트가 이루어져야 한다. 차량 사고 예방 기능을 향상시키기 위해서는 비콘 브로드캐스트 성능의 향상이 필요로 하며, 이를 위해서는 비콘 브로드캐스트의 혼잡제어가 작동되어야 하지만 WAVE에서는 ACK 신호를 사용하지 않아 혼잡제어 기능이 작동하지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 WAVE 표준기술에서 비콘 브로드캐스트 성능을 향상시키기 위한 Bi-Beacon이라는 새로운 기법을 제안하고 분석모델과 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다.
Bi-Beacon 기법은 크게 차량의 속도를 기반으로 두가지 출력의 비콘을 전송하는 two-level power control와 차량 밀도를 바탕으로 CW 크기를 제어하는 adaptive CW control로 구분된다. Two-level power control은 고정된 전송출력을 가지는 L-Beacon과 유동적인 출력을 가지는 S-Beacon을 교대로 전송하는 기법이다. 차량의 속도에 따른 S-Beacon의 전송출력 제어는 전송출력과 관련 없이 운전자에게 동일한 반응시간을 보장할 수 있으며, L-Beacon은 고정된 인지반경을 유지토록 도와준다. 따라서 two-level power control은 비콘 수신율을 향상시키면서 인지반경은 유지하는 특징을 가지게 된다. Adaptive CW control은 차량 밀도를 바탕으로 CW 크기를 제어하여 비콘 수신율을 향상시킬 수 있으며, 이 때 CW 제어기법에 따른 지연시간 증가는 큐에서 비콘을 업데이트하는 방법을 통해 비콘 지연시간을 감소시킬 수 있다.
Two-level power control에서 비콘 브로드캐스트에서의 비콘 수신율을 분석하기 위해 two-level power control 모델을 구현하였으며, 비콘 타입별 hidden terminal과 동시전송에 따른 영향을 계산하여 전체 비콘 수신율을 얻을 수 있었다. 모델링 분석결과 모든 차량 밀도에서 향상된 비콘 수신율을 나타내었다.
시뮬레이션을 통한 성능 평가를 위해서는 OMNeT++ 시뮬레이션을 사용하였다. 차량 속도에 따른 전송출력 제어기법과 two-level power control, adaptive CW control, 비콘 업데이트 기법을 단계적으로 적용하여 비콘 수신율, 인지반경, 지연시간에 대한 성능을 평가하였다. Two-level power control은 모델링 분석 결과와 같이 향상된 비콘 수신율을 나타내었으며, 인지반경이 줄어들지 않고 그대로 유지하는 결과를 나타내었다. Adaptive CW 제어기법은 특히 높은 차량 밀도 환경에서 비콘 수신율을 향상시키는 결과를 나타내었으며, 높은 차량 밀도에서 CW 최대값 적용은 지연시간이 급격히 증가하는 결과를 초래하였으나, 큐에서 비콘을 업데이트하는 기법을 통해 비콘 요구수준보다 짧은 지연시간에 수렴하는 결과를 얻을 수 있었다.
