본 논문은 V2X(Vehicle to everything) 기반의 C-ITS(Cooperative Intelligent Transportation System) 교통안전서비스의 정확한 성능 평가를 위해 V2X 무선 채널 특성과 IEEE 802.11p/WAVE(Wireless access in vehicular environment)의 물리계층, 매체 접근 제어 계층, 네트워크 및 어플리케이션 계층, 그리고 트래픽 시뮬레이터가 통합된 V2X 전 계층 통합시뮬레이션을 구현하고, 이를 이용하여 C-ITS 안전서비스의 성능을 가상 모의실험을 통해 분석하였다.
충돌경고 안전서비스 시뮬레이션은 먼저 성능을 분석코자 하는 시나리오를 정의하고, 적합한 도로 환경과 트래픽 분포를 모델링한다.
각 차량에서는 차량의 현재 위치, 이동 방향, 속도, 가속도, 그리고 요 각속도(yaw rate) 등과 같은 운행 상태 정보를 BSM(Basic safety message)을 통해 전송한다. BSM은 미 자동차 기술 협회인 SAE(Society of Automotive Engineers)에서 재정한 J2735 안전메시지 표준이며, 100ms 마다 주기적으로 주변 차량들에게 브로드캐스팅 된다.
동일 주파수 채널을 통해 BSM을 전송하려는 송신기가 다수 존재하는 조건에서, 동시 전송에 의한 패킷 충돌을 회피하면서 다수의 송신기들이 효율적으로 패킷을 전송하기 위해, EDCA(Enhanced Distributed Channel Access) 알고리즘을 사용하는 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance) 매체접속제어 프로토콜에 의해 해당 시간 슬롯에서 주파수 채널을 점유하고 BSM을 전송할 송신기를 선택한다. EDCA에 의해 각 송신기에서 랜덤 백오프(random backoff)가 생성됨에도 불구하고, 차량의 밀도가 높은 경우 패킷 충돌이 발생할 수 있다. 이 때, 충돌이 확인된 BSM들은 전송 실패로 간주되고, 대기 중 송신기들에 대해 매체접속제어 과정을 수행하는 단계로 회귀한다.
성공적으로 BSM을 송신한 송신기에서 나머지 수신기 사이의 경로 손실을 WINNER(Wireless World Initiative New Radio)-II 모델에 의해 구하고, 경로 손실에 따른 수신기에서의 평균 수신 전력과 평균 수신 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 계산한다.
물리계층에서의 링크레벨 시뮬레이션을 통해 구해진 평균 PER(Packet Error Rate) 결과를 이용하여, 해당 수신기의 평균 수신 SNR에 의한 평균 PER을 구하고, 현재 수신된 패킷의 에러 발생 유무를 판단한다. 만약 패킷 에러가 발생하면, 대기 중 송신기들에 대해 매체접속제어 과정 수행하는 단계로 회귀한다. 위의 BSM 생성에서 패킷 에러 판정 단계의 과정들은 BSM을 송수신 할 수 있는 시간 구간 동안 모든 송신기들에 대해 수행된다.
각 차량은 수신된 주변 차량들의 BSM을 이용하여 경로를 예측하고, 충돌을 예측한다. 사용된 경로 예측 모델은 CTRA(Constant turn rate and acceleration)로 일정한 값의 요 각속도와 가속도의 가정 하에서, 현재 위치에서 3.5초 까지의 궤적을 계산한다. 만약, 다른 차량의 이동 궤적이 정해진 거리인 3.5m 이내로 접근하면 충돌 경고를 운전자에게 발생하고, 운전자는 긴급 제동을 수행한다.
위의 BSM 발생부터 충돌 예측까지 과정은 100ms 주기마다 수행되고, 차량 위치는 현재 위치에서 속도, 가속도, 방향, 요 각속도를 바탕으로 100ms 시간에 해당하는 거리만큼 이동한다. 그리고 BSM 발생부터 충돌 예측까지의 과정들을 시뮬레이션 종료까지 반복한다.
본 논문은 도심환경 교차로에서의 사고유형 시나리오 환경을 통해 차량의 속도와 밀도에 따른 C-ITS 교통안전서비스 성능을 분석하는 것이 그 목표이다. 따라서 차량 밀도와 이동속도의 변화에 따라 3가지 시나리오에 대한 시뮬레이션을 진행하였다.
시뮬레이션 결과는 관찰 대상인 두 대의 차량이 차량 밀도 50대, 속도 60km/h일 때, 신호를 무시하고 직진 운행을 진행하며 발생되는 사고유형에서 차량간 충돌이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 속도가 증가함에 따라 제동거리가 길어지게 됨으로 높은 사고율을 발생하게 되며, 차량밀도의 증가는 트래픽 환경의 혼잡도가 증가하기 때문에 BSM 수신 에러율 증가로 이어진다. BSM 수신 에러가 발생하게 되면 충돌회피에 필요한 상태정보를 알 수 없게 됨으로 충돌방지 알고리즘의 부재로 이어지고 교통사고로 직결됨을 확인하였다.
본 논문은 차량간 통신을 통해 교통서비스를 제안하기 위해선 차량 밀도에 따른 트래픽 환경과 주행속도가 동시에 고려되어야 함을 확인하였다.