글로벌오토뉴스

상단배너
  • 검색
  • 시승기검색

협력적 운전자 안전 보조를 위한 자동차 통신 기술

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-12-30 16:43:41

본문

협력적 운전자 안전 보조를 위한 자동차 통신 기술

1. 서론
2004년 세계 보건 기구(World Health Organization)에 따르면 매년 도로 위에서 대략 120만 명의 사람들이 사망하고 5천만 명 이상이 부상을 당하는 것으로 집계되었다. 전 세계 각국의 정부, 자동차 업체, 그리고 관련 연구 기관들은 교통사고로 발생하는 인명 및 경제적 손실을 줄이기 위한 연구∙개발에 아낌없는 투자를 진행하고 있다.

글 / 서승우 (서울대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 6월호

2000년대 이후 1) 주변 차량의 위치 및 속도 정보를 감지하는 레이더, LIDAR, 초음파 센서, 카메라 등의 센서 기술과 2) 주어진 지연 시간 이내에 정보의 성공적인 전달을 보장하는 자동차 내부 통신(In-Vehicle Communications, IVC) 기술 3) 자동차의 효율성과 안정성을 향상시키기 위하여 동력발생장치∙전달장치∙제동장치 제어 기술의 비약적인 발전은 교통사고를 미연에 방지하는 운전자 안전 보조(Driver Safety Assistance) 기술을 가능하게 하였다. 자동 차체 제어(ACC : Automatic Cruise Control) 기술, 차선 변경보조(Lane Change Assistance) 기술, 차선 이탈 경보(Lane Departure Warning) 기술, 그리고 주차 보조(Parking Assistance) 기술 등이 운전자 안전 보조 기술의 대표적인 예로서 향후 다양한 차종에 적용될 것으로 예상되고 있다.

그러나 자동차에 장착된 센서들은 제한된 탐지 범위를 가지고 있어 넓은 범위의 주행환경을 인지하는데 한계가 있다. 탐지 거리를 확장하기 위해서는 자동차 통신 기술(Vehicular Communications)을 활용하여 자동차 간에 도로 상황 정보를 상호 교환∙전달함으로써 운전자 및 탑승자를 보호하는 새로운 운전자 안전보조 기술이 필요한데, 이를 협력적 운전자 보조 시스템(CDAS : Cooperative Driver Assistant System)기술이라고 정의한다. 본 고에서는 우선 협력적 운전자 보조 시스템의 응용 분야들에 대해서 살펴보고 그 기능을 지원할 수 있는 자동차용 통신 기술 및 동향에 대해서 설명한다.

2. 협력적 운전자 보조 시스템의 응용 분야
Vehicle Safety Communications Consortium of the Crash Avoidance Metrics Partnership (CAMP)에 따르면 협력적 운전자 보조 기술의 주요 응용 분야들은 다음과 같이 크게 5가지로 구분할 수 있다.

2.1 신호 알림 및 위반 경고 시스템
학교 주변, 곡선 주로, 교차로 등과 같이 안전 운전이 필요하거나 운전자의 시야 확보가 어려운 곳에 설치된 Road Side Unit(RSU)가 Infrastructure-to-Vehicle(I2V) 통신 기술을 이용하여 주기적으로 차량의 진입 정보를 메시지를 방송하여 근처 차량 운전자들이 교통 정보를 알 수 있게 하는 응용 분야를 말한다.

2.2 주행 보조 시스템
차량내 센서 네트워크 기술과 자동차 통신 기술을 활용하여 자동차 주변의 자동차 및 보행자 정보 등을 주기적으로 수집하고 이를 바탕으로 운전자에게 적절한 시점에 안내함으로써, 안전한 주행을 가능하게 하는 응용 분야이다.

2.3 주행 시계 보조 시스템
주행 시계 보조 시스템에서는 자동차 간(Vehicle-to-Vehicle, V2V) 통신을 이용해서 운전자에게 현재의 도로 환경에서 직접적으로 인지할 수 없는 정보를 제공함으로써 보다 안전하게 운행할 수 있도록 한다. 이러한 주행 시계 보조 시스템의 예로는 시계 강화 시스템, 차선 변경 경고, 사각 지대 경고, 긴급 정지 시스템 등이 있다.

2.4 일반 도로 안전 시스템
일반 도로 안전 시스템은 V2I, I2V, 그리고 V2V통신을 활용한다. 이러한 시스템의 목표는 도움이 필요한 운전자를 도와주는 동시에 도로 교통의 효율성을 증진시키는데 있다. 이러한 일반 도로 안전 시스템의 예로는 구급차와 같은 응급 차량 접근 알림, 응급 차량을 위한 신호 변경, 차량 사고 알림 등이 있다.

2.5 충돌 경고 시스템
충돌 경고 시스템은 센서, 자동차 통신 혹은 그 두 개를 동시에 활용하여 교차로와 차량이 존재하는 주변과 같은 지역에 근접하는 모든 차량에 대한 정보를 수집하여 주변에 알려준다. 이러한 정보를 바탕으로 시스템은 특정 지역에 충돌이 일어날 수 있는지에 대한 여부를 확인한다. 만약 충돌이 일어나는 경우가 발생하면 시스템은 즉시 충돌할 가능성이 있는 차량들에게 경고 메시지를 보내서 적절하게 대처할 수 있도록 한다. 이러한 충돌 경고 시스템의 예로는 교차로 충돌 경보 및 협력 충돌 경고 등이 있다.

3. 협력적 운전자 보조기능을 위한 자동차용 통신 기술
앞서 언급한 협력적 운전자 보조 기능들은 다양한 자동차 통신 기술에 의해서 그 목적을 달성할 수 있다. 자동차 통신 기술은 충분한 전송 파워, 높은 연산능력 및 예측 가능한 이동성과 같은 특징을 가지고 있지만 높은 이동성, 부분적으로 분리된 네트워크, 간헐적인 통신 접속과 같은 단점도 가지고 있다. 이러한 특징을 바탕으로 많은 연구가 진행이 되었으며 그 결과 협력적 운전자 보조 기능들에 맞게 통신 시스템이 설계되고 있다. 협력적 안전 보조 기능들을 제공하기 위한 통신 시스템은 크게 자동차 내부 통신(IVC), 자동차 간(V2V) 통신, 자동차와 인프라 간(V2I) 통신으로 구분될 수 있다.

3.1 자동차 내부 통신 (IVC)
자동차 내부 통신은 OBD와 다수의 ECU(Electronic Control Unit)들 간의 실시간 데이터 교환을 위해 설계된 버스 기반의 CAN과 FlexRay 등의 기술을 말한다. CAN은 높은 수준의 보안과 함께 실시간 제어 데이터를 효과적으로 통신하기 위하여 1983년 BOASH에 의해 개발되었고􀕝, 1991년에 CAN 2.0이 발표되었다. CAN은 메시지 분류하기 위한 Object Layer와 데이터 전송을 목적으로 하는 Transfer Layer, 그리고 실질적으로 비트 데이터를 전송하는 Physical Layer로 구성되어 있다. CAN의 특징으로는 메시지에 우선 순위를 부여하는 전송 체계, 대기시간 보장, 유연한 구성, 데이터의 일관성, 자동 재전송 등이 있다. CAN은 에어백, 장금 방지, 차체 제어, 창문과 문 및 거울 조절, 오디오 시스템 그리고 운항 시스템 등과 같이 다양한 종류의 ECU들을 연결한다.

FlexRay는 CAN이 가지고 있는 협소한 대역폭을 완화하고 시분할 매체접근제어를 기반으로 실시간성을 더욱 향상하기 위해 FlexRay 컨소시엄에 의해 설계된 통신 시스템을 말한다􀕞. 2009년에 개발되었으며 현재 FlexRay Communication System Specification Version 3.0이 배포되었다. FlexRay는 자동차용 어플리케이션을 위해서 자동차 내 통신에서 강인성, 확장가능성, 그리고 내고장성을 위해서 설계되었다.

FlexRay 컨소시엄의 핵심멤버로는 Bayerische Motoren Werke AG(BMW), Daimler Chrysler(DC),General Moters(GM), Volkswagen(VW), Freescale, Philips, Boash 등이 있다. FlexRay 기술은 단일 혹은 이중 채널, 세계 표준시 기반을 활용한 내고장성 시간 동기 시스템, 충돌 없는 버스 접근, 그리고 높은 전송 속도를 지원하는 시스템으로 향후 CAN을 대체하는 자동차 내부 통신 기술이 될 것으로 기대된다.

3.2 자동차 간(V2V) 통신
자동차 간 통신에서는 무선 통신 기능을 포함하는 OBU가 탑재된 다수의 자동차들에 의해서 구성된다. 즉 자동차들은 네트워크 인프라 없이 그들 스스로 무선 링크 통해 네트워크를 구성하고 상호 간에 통신을 할 수 있다. 이렇게 분산형 무선 통신으로 불리는 네트워크 인프라가 없는 형태에서는 라우팅 프로토콜, 신원 확인등과 같은 네트워크 구성 문제가 존재한다. 지난 10여 년 동안 다양한 자동차 간 통신 기술이 제안되었으며 자동차의 이동성, 연산 능력, 가용 전력량 등과 같은 특징에 따라 크게 Mobile Ad-hoc Networks (MANETs), Wireless Mesh/Sensor Networks 그리고 자동차 네트워크로 분류되었다. 그 중에서 자동차 네트워크는 MANET의 한 종류이며 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 네트워크 크기는 시골지역에서는 매우 작으나 도심으로 갈수록 규모가 커진다. 이동성은 매우 높으나 그 이동성의 패턴은 지형에 의존적이다.

또한 자동차들은 높은 연산능력, 저장능력 및 무선통신을 위한 충분한 에너지를 가지고 있다. 자동차 네트워크는 Wi-Fi(IEEE 802.11 b/g), WiMAX(IEEE 802.16e)와 같은 무선 통신 기술에 의해서 구성된다. 특히 IEEE 802.11p으로 불리는 Wireless Access in Vehicular Environments(WAVE)는 자동차용 어플리케이션을 위해 특별히 설계되었기 때문에 다른 무선 기술보다 더 많은 관심을 받고 있다.

WAVE를 위한 통신을 위해선 각 자동차들이 WAVE용 모듈을 포함하고 있는 OBU를 탑재하고 있어야 한다. WAVE를 통해서 각 자동차들은 스스로 네트워크를 구성할 수 있으며 주변 자동차와 통신을 통해서 충돌방지와 같은 안전 기능들을 위하여 차량의 위치, 속도, 가속도 등을 포함하는 메시지를 주고 받을 수 있다.

3.3 자동차와 인프라 간(V2I) 통신
자동차와 인프라 간 통신을 위해서는 RSU가 인터넷과 같은 인프라 네트워크와 연결되어 있어야 한다. 만약 RSU가 존재하지 않는 환경에서는 IEEE 802.11a/b/g/n WLAN, IEEE 802.16e WiMAX 및 상용 이동전화망을 직접 이용할 수 있다. 향후 유망한 자동차 네트워크들 중 하나는 IEEE P1609(WAVE)와 IEEE 802.11p 그리고 Dedicated Short-range Communications(DSRC)를 결합한 시스템이다􀕢. 네트워크 계층부터 어플리케이션 계층까지를 담당하는 WAVE 프로토콜 계층은 효율적인 전송을 위한 네트워크 자원을 관리하고, 암호화 인증과 같은 보안을 지원하며, 자동차 이동성을 위한 주소체계와 라우팅을 포함하는 네트워크를 제공한다. 구체적으로 IEEE 802.11p와 DSRC는 물리 계층과 데이터 링크 계층을 정의한다. DSRC는 5.9GHz 대역에서 정의된 7개의 10MHz 채널들을 사용하여 최대 1km까지 통신이 가능한 물리 계층 표준이다. 또한 IEEE 802.11p는 IP네트워크와 WAVE Short Messages Protocol(WSMP)을 지원하는 데이터 링크 계층 표준을 정의한다.

CSMA/CA 무선 채널에도 불구하고 IEEE 802.11p 기술은 가능한 빠르게 안전 관련 데이터를 전송하기 위하여 IEEE 802.11e의 EDCA 방식을 기반으로 우선 순위를 지원하는 방식을 채택하였다. 또한 IEEE 802.11p 기술은 자동차의 높은 이동성으로 인해 인증과 데이터의 기밀성을 위한 암호화와 같은 보안 기능을 지원하지 않는 특징을 가지고 있다.

4. 자동차 통신 기술을 위한 기술적인 과제들
본 장에서는 협력적 운전자 안전 보조 기능과 이를 지원하기 위한 자동차 네트워크에서의 기술적인 과제들에 대하여 알아본다.

4.1 PHY and MAC 프로토콜 디자인
MANET과 비슷하게 자동차 네트워크는 잠재적으로 유선 인프라와 연결될 수 있는 무선 멀티 홉 네트워크이다. PHY와 MAC 프로토콜은 자동차 통신 기술의 높은 동적 환경에 적응하는 동시에 신뢰성 있는 무선 멀티 홉 통신을 제공할 수 있도록 설계되어야 한다. 또한 해당 프로토콜들은 협력적 운전자 안전 보조 기능들의 다양한 서비스 요구사항을 지원할 수 있어야 한다. 마지막으로 PHY와 MAC 프로토콜은 무선 링크 환경에서 빠르게 위치를 변화하는 차량에 맞춰서 빠른 핸드오프도 지원할 수 있어야 한다.

4.2 방송 및 라우팅 프로토콜
제한된 노드 수를 가지고 있는 대부분의 애드혹 네트워크와는 다르게 자동차 통신 기술에서는 도로의 환경에 따라 네트워크의 크기가 매우 다양해진다. 예를 들어 출퇴근 시간 도심에서의 자동차 네트워크는 통신범위 내에 존재하는 노드 수가 매우 많이 존재할 가능성이 높은 반면, 늦은 시간이나 한적한 시골에서는 통신 범위 내에 존재하는 노드 수가 매우 적을 가능성이 높다. 그러므로 협력적 운전자 안전 보조 기능을 효율적으로 제공하기 위해서는 이러한 가능성을 고려하여 데이터를 처리할 수 있도록 방송 및 라우팅 프로토콜들이 설계되어야 한다. 그에 따라서 라우팅과 네트워크 방송 알고리즘은 자동차 네트워크와 협력적 운전자 안전 보조 기능들의 특징에 적합하도록 설계되어야 한다.

4.3 보안
많은 자동차용 기능들이 도로의 안전과 매우 밀접한 관련이 있기 때문에 자동차용 기능들의 오동작은 운전자와 탑승객들의 생명에 심각한 위협이 된다. 따라서 통신에 참여하는 사용자들 간에 안전한 서비스 접근및 안전한 통신을 제공할 수 있는 보안 구조를 설계하는 것은 매우 중요하다. 이러한 노력의 일환으로 자동차 네트워크의 협력적 운전자 안전 보조 기능을 위한 신뢰성 있는 인증, 접근 제어, 권한부여 그리고 익명성
을 제공할 수 있는 보안 메커니즘을 디자인 하는 것이 매우 중요해지고 있다.

4.4 IP 주소체계와 이동성 관리
자동차 통신에서는 운전자 안전 보조 기능들을 위하여 높은 이동성을 보장해야 동시에 높은 신뢰성을 요구함에 따라 IP 주소 체계와 이동성 관리가 중요해지고 있다. 자동차 네트워크에서 이러한 과제들은 자동적 그리고 분산 처리 방법으로 다루어 하며 이를 위한 다수의 연구들이 진행되었다. IETE, C2C-CC 그리고 ETSI TC ITS와 같은 표준화 단체들이 V2I와 V2V통신을 효율적으로 지원하기 위한 IPv6를 활용한 자동 구성 및 네트워크 이동성에 초점을 맞추어 연구를 진행하고 있다.

5. 결론
본 고에서는 운전자와 탑승자의 생명을 보호하기 위한 협력적 운전자 안전 보조 기능들과 그 기능을 위한 자동차 통신 기술들 그리고 자동차 통신 기술에서의 기술적 과제들에 대하여 알아보았다. 협력적 운전자 안전 보조 기능은 크게 신호 알림 및 위반 경고 시스템, 주행 보조 시스템, 주행 시계 보조 시스템, 일반 도로안전 시스템, 충돌 경고 시스템 등으로 구분하여서 살펴보았다. 이어 자동차 통신 기술도 자동차 내부 통신(IVC) 기술, 자동차 간(V2V) 통신 기술, 그리고 자동차와 인프라 간(V2I) 통신 기술로 분류하여 정리를 하였다. 마지막으로 자동차 통신 분야에서 향후 해결해야 할 다양한 기술적 과제를 대하여 제시하였다.
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)