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고정된 노변 장치(RSU, Road Side Unit)와 주행하는 차량 노드를 이용한 통신 네트워크에 기반을 둔 VANET(Vehicular Ad Hoc Network) 시스템은 미래의 다양한 ITS(Intelligent Transportation System) 관련 서비스를 제공하기 위한 중요한 역할을 할 것으로 기대된다[1]-[4]. VANET 환경에서의 데이터는 교통 상황이나 날씨와 같은 일반적인 정보와 사고나 재해와 같은 긴급성을 요하는 정보도 존재한다. 특히 후자의 경우와 관련된 데이터의 경우 이를 다른 통신 노드로의 전송은 최소의 시간 이내에 이루어져야 할 것이다.

한편 VANET의 형태 중 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 시스템에 비하여 상대적으로 간단한 형태를 가지는 V2I(Vehicle-to-Infrastructure) 환경에서는 RSU의 전송 거리의 제약으로 인하여 이들 사이의 직접적인 데이터 교환이 불가능하여 도로상을 움직이는 차량 노드를 데이터 전달 매개체로 이용하여 데이터를 교환한다[1][2]. 따라서 RSU 간의 데이터 전달 지연값이 상대적으로 커지는 단점이 존재한다. 또한 RSU는 에너지 하베스팅 기능과 같은 독립적인 에너지원을 가지는 형태가 일반적이어서 이들의 에너지 소비와 데이터 전달 지연값을 함께 고려한 데이터 전달 기법이 적용되어야 할 것이다[2][5].

본 논문에서는 V2I 시스템에서 RSU 간의 데이터 전송 지연값을 감소시키기 위하여 차량 노드들의 전송 거리를 증가시키면서 동시에 RSU들의 전송 거리를 자신의 잔여 에너지값에 근거한 가변적으로 설정하는 데이터 전달 기법을 제안한다. 이를 통하여 RSU의 효과적인 에너지 사용과 더불어 기존의 방법에 비하여 감소된 데이터 전달 지연값을 다양한 시스템 환경에 따라 유지할 수 있음을 살펴볼 것이다. 전체 논문의 구성으로, 본 서론에 이어 2장에서는 기존 연구의 정리과 문제점을 분석하며, 3장에서는 본 논문에서 제안하는 방법을, 4장에서는 제안하는 방법의 성능 분석 및 비교 결과를 기술한다. 마지막으로 5장에서는 결론을 맺는다.

V2I 시스템에서 데이터의 전달 지연값을 감소시키기 위하여 단순히 RSU의 전송 통신 거리를 증가시키는 방법은 데이터 충돌의 확률을 높이며 데이터 전송률의 감소를 가져올 수 있다[3][4]. 특히 보유 에너지가 상대적으로 작아 효율적으로 에너지를 소비해야하는 환경에서는 전송 거리 증가는 RSU의 정상적인 동작에 치명적인 문제를 일으킬 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 기존의 OVS-OBRM(Optimal Vehicle Selection-Opportunistic Bundle Forwarding Mechanism) 방법[1]에서는 데이터를 보유한 RSU가 자신의 전송 영역 이내에 존재하는 차량 노드 중에 목적지 RSU의 전송 영역 이내로 가장 먼저 진입할 것으로 예상되는 차량 노드를 데이터 전달 매개체로 선택하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 발신지와 목적지 두 RSU와 단일의 차량 노드만이 전체의 데이터 전달 과정에 참여하며, 모든 차량 노드들의 지리적 위치 정보는 물론 이들의 속도 등의 실시간 정보에 기반을 두어야 하는 단점이 존재하였다.

이후 발신지 RSU와 목적지 RSU 사이에 존재하는 다수의 RSU가 데이터 전달 과정에 참여하는 방법이 제안되었다[2]. 이 방법에 의하면 실제 데이터 전달 지연값이 목표 데이터 전달 지연값에 근접하도록 각 RSU가 데이터 전달 과정으로의 참여 여부를 결정하는 방법을 제안하였다. 즉, 데이터를 보유한 차량 노드가 한 RSU의 전송 영역에 진입할 경우 해당 RSU가 데이터 전달 과정에 참여하지 않아도 목표 전달 지연값을 만족할 것으로 예상되면 해당 RSU는 데이터 전달 과정에 참여하지 않는다. 이 방법은 긴급성을 요하지 않는 일반 데이터의 전달시, 즉 목표로 하는 데이터 전달 지연값이 충분히 큰 경우에 효과적으로 동작한다.

한편, 에너지 수집 장치를 가진 RSU가 지나가는 차량 노드와의 통신 설정 여부를 결정하는 방법을 제안한 연구가 수행되었다[5]. 해당 연구에서는 RSU 자신의 잔여 에너지 값이 특정값 이상이면 지나가는 차량 노드와의 통신 채널 설정과 데이터 전송의 확률을 증가시키도록 하였다. 이 방법은 단일의 RSU의 동작을 고려하고 있으나 이를 확장하여 다수의 RSU들에 적응적으로 적용하면 전체 시스템의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

본 논문에서는 기존의 RSU의 전송 방법에 대한 개선과 더불어 상대적으로 에너지 사용에 제약이 낮은 차량 노드들의 전송 거리를 증가시켜 전체적인 데이터 전달 지연값을 현저히 감소시키는 방법을 제안하고자 한다. 수치적 실험 분석을 통하여 기존의 데이터 전달 방법과의 비교와 분석을 하고자 한다.

본 논문에서는 차량 노드간의 직접적인 통신이 제공되지 않으며 단지 RSU와 차량간의 통신만이 가능한 V2I 형태의 VANET 시스템을 대상으로 한다. 바로 이웃하는 두 RSU의 거리는 이들의 전송 거리에 비하여 상대적으로 매우 크기 때문에 RSU 간의 직접적인 데이터 전송은 불가능하다. 이에 따라 RSU들은 이동하는 다수의 차량 노드를 데이터의 전달 매개체로 이용하여 데이터를 교환하도록 한다. 일반적으로 지리적인 제한 사항과 실제 구현상의 한계로 인하여 RSU로의 전력 공급은 에너지 하베스팅과 같은 독립적인 전력 공급 장치를 이용하며, 본 논문에서도 이러한 환경을 고려한다.

본 논문에서는 데이터를 보유한 차량 노드의 전송 거리를 RSU의 전송 거리 보다 더 크게 설정하여 전방에 위치한 RSU의 영역 이내에 진입하기 전에도 RSU로 데이터를 전송하도록 한다. 이는 일반적으로 에너지 소비에 제약이 큰 RSU들에 비하여 차량 노드들은 상대적으로 통신 기능을 위한 충분한 에너지를 가지고 있어 상대적으로 긴 전송 거리를 가질 수 있음에 근거한다.

이와 더불어 단일의 차량노드가 아닌 다수의 차량 노드가 동일한 데이터를 보유하게 함으로써 이들 중 가장 앞서가는 차량 노드가 다음 RSU로 데이터를 전송하도록 한다. 이를 통하여 기존의 데이터 전달 방법에 비하여 최종 목적지 RSU까지의 데이터 전달 지연 시간을 현저히 감소시킬 수 있으며, 이러한 감소의 정도는 차량 노드들의 전송 거리뿐만 아니라, 차량 속도와 밀도, 그리고 RSU들의 전송 거리 등에 의하여 결정됨을 예상할 수 있다.

제안하는 방법에 의하면 데이터를 발생한 RSU는 전송 영역 이내의 모든 차량 노드에게 즉시 데이터를 전송한다. 만약 데이터가 발생된 시점에 자신의 전송 영역 이내에 차량 노드가 존재하지 않으면 적어도 하나의 목적지 RSU로 향하는 차량 노드가 자신의 전송 영역 이내로 진입할 때까지 기다린다. 이를 통하여 단일의 또는 다수의 차량 노드가 동일한 데이터를 가지게 되며 데이터를 보유한 차량 노드는 목적지 RSU 방향으로 데이터를 주기적으로 발신한다.

이후 RSU들의 동작은 그림 1과 같은 과정으로 이루어진다. 즉, 임의의 RSU가 차량 노드로부터 데이터를 수신하면 자신의 전송 영역 이내의 모든 차량들에게 이를 즉시 전송한다. 발신지 RSU에서의 동작과 마찬가지로 만약 전송 영역 이내에 차량 노드가 존재하지 않으면 적어도 하나의 차량 노드가 자신의 전송 영역으로 진입할 때까지 대기한다.

Fig. 1. 
RSU’s procedure when receiving data

만약 RSU가 새로운 데이터를 수신하고 이를 자신의 전송 영역 이내의 차량 노드에게 전송한 이후 시간에 차량 노드로부터 동일한 데이터를 수신하면 이를 무시하며 해당 RSU는 해당 차량 노드에게 데이터의 삭제 요구를 전송한다. 이를 수신한 차량 노드는 데이터를 삭제하여 더 이상 해당 데이터의 전달 과정에 참여하지 않는다.

에너지 사용에 제한이 있는 RSU들의 효율적인 소비의 관점에서 본 논문에서는 제안하는 또 다른 점은 RSU들의 전송 거리를 자신의 잔여 에너지 값에 의존하여 결정하도록 한다.

이를 통하여 잔여 에너지가 큰 RSU가 더 긴 전송 거리를 가지게 하여 상대적으로 더 넓은 영역 이내의 다수의 차량 노드들이 데이터를 보유하도록 한다. 이는 결과적으로 데이터 전달 지연값의 감소에 더 많은 기여를 하도록 한다. 또한 잔여 에너지값이 낮은 RSU는 상대적으로 짧은 전송 거리를 갖게 하여 낮은 에너지 소모를 유지하고 결과적으로 동작을 지속할 수 있도록 한다.

임의의 RSU i의 전송 거리는 자유공간에서의 데이터 전송에 따른 에너지 소비 모델[6]에 근거하여 잔여 에너지값의 제곱근에 비례하도록 설정하며, 이는 구체적으로 식 (1)과 같이 정의한다. 또한 RSU i는 자신을 중심으로 양쪽 방향으로 동일한 전송 거리를 가진다고 가정한다.

여기서 E(i)는 RSU i의 잔여 에너지값을, E_max와 R_min는 RSU가 가질 수 있는 전송 거리의 최댓값과 최솟값을 각각 의미한다. 만약 RSU의 잔여 에너지가 고갈되었거나 최소 에너지값 이하인 경우는 데이터 전달 과정에 참여하지 않는다. 이 경우 해당 RSU에서는 데이터의 수신과 다른 차량 노드로의 데이터 전달을 수행하지 않는다.

데이터가 목적지 RSU에 이르는 경로상의 모든 RSU와 이 주변을 이동하는 모든 차량 노드들은 위의 과정을 반복한다. 즉, 데이터를 보유한 차량 노드들 중 가장 선두에 위치한 차량 노드로부터 전방에 위치한 RSU로의 데이터 업링크 전송과 해당 RSU에 의하여 새로운 차량 노드들이 데이터를 보유하는 과정이 반복되어 데이터가 목적지 RSU까지 전달된다.

본 논문에서는 제한적인 에너지원을 가지는 RSU와 에너지 사용 제한 상대적으로 낮은 차량 노드로 이루어진 V2I 시스템 환경에서 개선된 데이터 전달 기법을 제안하였다. 제안하는 방법에 따르면 차량 노드의 전송 거리를 확장하고 RSU의 최대 전송 거리를 적응적으로 가변함으로써 RSU간 데이터 전달 지연값을 기존의 방법에 비하여 현저하게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 이에 따라 실제의 도로 환경 구축시 데이터의 긴급성 정도, 교통 환경, RSU의 에너지 상태 등의 변화에 따라 적절한 시스템 파라미터를 결정함으로써 RSU의 생존성을 증가시키면서 데이터 전달 지연값을 적절히 낮은 값으로 유지할 수 있을 것으로 기대된다.