Reliable Multicast MAC Protocol for Cooperative Autonomous Vehicles

This paper introduces reliable multicast MAC protocol for cooperative unmanned vehicles. cooperative unmanned vehicles communicate with infrastructure and other unmanned vehicles in order to increase driving safety. They exchange information related to driving and thus it requires real-time and reliable multicast. However, the international vehicular communication standard, IEEE 802.11p WAVE, does not provide a reliable multicast scheme on the MAC layer. To address the problems of reliability, we propose a reliable multicast protocol called WiVCL, which avoids contention and collision. Our evaluation shows that the WiVCL achieves a high degree of reliability and real-time features. ※ 본 연구는 미래창조과학부 산업전략기술개발 프로그램(10035250, 자동발렛파킹을 위한 센서기반 공간인지 및 자동주행 기술 개발) 의 연구비지원에의해 수행되었음 First Author : 한국전자통신연구원 산업IT융합연구단, jungsook96@etri.re.kr, 정회원 * 한국전자통신연구원, juwan@etri.re.kr, 정회원, jdchoi@etri.re.kr 논문번호 : KICS2014-02-036, Received February 4, 2014; Reviewed February 19, 2014; Accepted March 21, 2014 I. 서 론 최근 운전자의 조작 없이 자동차 스스로 주행 환경 을 인식하고 목표지점까지 운행할 수 있는 무인 자율 주행차량에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 구글 은 2012년 도요타 프리우스에 각종 센서를 장착해 ‘구글카’라는 무인자동차를 제작했다. 미국 네바다 주에서 50만 km가량의 시험 주행에 성공했으며, 주정 논문 / 협력적 자율 차량을 위한 신뢰성있는 멀티케스트 MAC 프로토콜 181 부로부터 ‘AU001’이란 번호판도 받았다. 구글카는 자동차 지붕 위에 ‘레이저 레인지 파인더’라는 장치와 위성항법장치(GPS)를 이용해 실시간으로 자동차 위 치, 도로상황, 차선 정보 등을 파악하는 기술을 갖췄 다. 구글은 앞으로 3 ~ 5년 이내 구글카를 실용화한다 는 계획이다. 글로벌 완성차 업체들도 무인 자동차 기술 개발에 관심을 기울이고 있다. 메르세데스 벤츠는 2013년 프 랑크프루트 모터 쇼에서 완전 자율 주행 차량을 선보 였다 . 닛산은 무인 발렛 주차와 회차 기능을 수행하 는 자율 주행 자동차를 소개했다. 이 업체들은 2020 년부터는 완전 무인 자율 주행 자동차 개발을 완료하 고 판매를 시작하겠다는 계획이다. 현재까지 학계 및 자동차 업계를 중심으로 진행된 자율주행 자동차 기술은 차량에 라이다, 카메라, 초음 파, GPS 등 자율 주행에 필요한 모든 센서를 장착하 고 차량이 독립적이고 자율적으로 자율 주행을 수행 하는 기술이 주축을 이룬다. 무인 자율 주행 차량이 도로를 안전하게 주행하기 위해서는 차량 자체의 자 율 주행 기능 개발이 요구되지만, 인프라 센싱, 교통 체계 등 도로 인프라 차원의 다양한 기술과 자율 주행 을 지원하기위한 고신뢰 통신 기술 개발도 병행되어 야 한다. 예를 들면, 주요 위험 지점에 설치된 인프라 센서를 이용하여 차량이 해당 지역에 진입하기 이전 에 무선 통신을 통해 미리 인프라에서 위험 정보를 제 공받고 대응할 수 있다. 또한 자율 주행 차량 간에 위 치 및 속도 정보를 공유함으로서 차량의 센싱 거리를 벗어나는 지역에 위치하는 다른 자율 주행 차량 정보 를 무선 통신을 통해 미리 인지 할 수 있다. 본 논문에서는 협력형 무인 자율 주행 차량 기술을 위한 무선 통신 기술에 대해 소개한다. 협력형 무인 자율 주행 차량은 차량 제어 정보 및 타 자율 주행 차 량들의 위치, 속도 정보를 무선 통신을 통해 제공 받 는다. 이러한 정보는 차량의 주행 안전과 밀접한 관련 이 있는 정보로 예측 가능한 전송 지연 시간 안에 높 은 전송 성공률로 전송 되어야 한다. 그러나 기존의 차량 통신을 위한 국제 표준인 IEEE 802.11p 는 이 러한 자율 주행 차량을 위한 요구 조건을 만족시키지 못한다. IEEE 802.11p는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 경쟁 방 식의 매제 접근 제어를 수행하며, 경쟁 방식의 매체 접근 제어는 네트워크 트래픽이 증가하면 통신 에러 가 기하급수적으로 증가한다. [6] 특히, 협력형 무인 자 율 주행 차량 기술에서 필요한 멀티케스팅 패킷은 더 욱 전송 성공률이 떨어진다. IEEE 802.11p는 멀티케 스트 패킷의 성공적인 전송을 고려하여 설계되지 않 았다. 즉, 숨겨진 노드로 인해 통신이 실패하는 숨겨 진 노드 문제 (hidden node problem)을 해결하기 위 한 RTS(Requst To Send), CTS(Clear To Send) 제어 패킷도 멀티케스트 패킷에는 적용하지 않았으며, 통신 실패가 발생하여도 수신 장치들로부터 ACK을 수신 하지 않기 때문에 이를 송신 장치가 인지하고 복구할 수 있는 방법이 없다. 이러한 멀티케스트 패킷 처리 메커니즘은 유니케스트 패킷에 비해 더욱 통신 실패 에 무방비로 노출되며 낮은 통신 성공이라는 결과를 초래한다. 본 논문에서는 협력형 자율 주행 차량을 위 한 매체 접근 제어 (Medium Access Control, MAC) 계층에서의 고신뢰 멀티케스팅 기법인 WiVCL (Wireless Vehicle Control Loop) MAC을 제안한다. 협력형 자율 주행 차량은 독립형 자율 주행 차량에 비 해 주행 안정성을 향상시키고 보다 효과적인 무인 자 율 주행이 가능하며, 이를 위해서는 차량 간 협력, 차 량-인프라간 협력을 위한 새로운 고신뢰 실시간 멀티 케스트 방식이 필요하다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 1장은 서론이며, 2 장은 멀티케스트 통신 성공 향상을 위한 고신뢰 멀티 케스트 기술 동향에 대해서 살펴보고, 3장에서는 본 논문에서 제안하는 IT융합기반 차량 자동유도 서비스 시스템의 개요 대해 논의하고, 4장에서는 WiVCL 고 신뢰 멀티케스트를 위한 알고리즘을 기술한다. 5장에 서는 시뮬레이션 결과에 대해 서술한 후, 6장에서 결 론을 맺는다.