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[오토저널] 자율주행자동차 V2X 통신 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2021-01-26 17:04:23

본문

V2X 기술의 정의
자율주행자동차는 운전자의 안전과 편의를 목적으로 첨단 안전 장치인 ADAS시스템(카메라, 레이더, 라이다 등)과 각종 센서를 차량 내·외부에 탑재하여 충돌 등 위험한 상황을 회피할 수 있도록 경고를 주거나 능동적으로 차량을 제어하는 자동차를 의미한다. ADAS시스템 등 센서 기반의 자율주행 자동차는 센서의 인식 범위 내에서만 활용할 수 있으며 주변 건물, 구조물에 의한 시야 가림 및 짙은 안개 등의 악천후와 같은 상황에서는 주변 환경을 인식하는데 한계가 있다.

V2X는 Vehicle to Everything의 약자로 차량이 유·무선 통신망을 이용하여 주변 차량 및 도로 인프라 등과 정보를 교환하거나 공유하는 기술을 의미하며 차량과 차량간(V2V, Veghicle to Vehicle), 차량과 인프라간(V2I, Vehicle to Infrastructure), 차량과 보행자간(V2P, Vehicle to Pedestrian), 차량과 모바일 기기간(V2N, Vehicle to Nomadic Device) 통신을 포함한다. V2X 통신 기술을 사용하여 자율주행자동차에 장착된 센서의 인식 범위 한계를 극복할 수 있으며 주변상황 인식이 어려운 상황에서도 주변 환경을 인지할 수 있어 레벨 4 이상의 완전 자율주행 구현을 위한 핵심 기술중에 하나로 주목받고 있다.

V2X 통신 기술 표준 동향
대표적인 V2X 통신 기술로는 IEEE 802.11a 무선랜 기술을 기반으로 자동차 주행 환경에 적합하도록 개정된 WAVE(IEEE 802.11p) 무선 통신 기술이 있다. WAVE(DSRC) 기술은 2010년에 표준화된 이후 2016년에는 네트워크 및 전송 계층 표준으로 IEEE 1609.3, 다중접속을 위한 채널할당 표준으로 IEEE 1609.4, 보안 통신 표준으로는 IEEE 1609.2를 개발하였으며 미국자동차공학회(SAE)에서는 V2V 및 V2I간 정보 교환을 위한 메시지 형식을 정의한 J2735 표준과 안전 통신을 위한 단말기 최소 성능 요구사항을 정의한 J2945/1 표준을 개발하였다. 이를 기반으로 WAVE 통신 기술은 다양한 연구 및 실증사업 등 성능 검증을 통해 차량용 통신 기술로 발전되어 왔다.

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2018년에는 기존 WAVE 기술과 호환성을 유지하면서 통신 성능을 개선하기 위한 NGV(Next Generation V2X, 802.11bd) 표준화 작업이 시작되었으며 2019년까지 논의된 주요 기능으로는 <표 1>과 같다. 또한 NGV 표준에서는 채널 복잡도, 가시·비가시 환경 등 다양한 통신 환경을 고려하기 위한 채널 모델을 제안하고 그러한 환경에서 통신 성능을 보장하기 위한 기술들을 논의하고 있다.

두 번째는 이동통신 기술을 기반으로 차량간 통신에 적합하도록 개정된 무선 통신 기술인 C-V2X 기술이 있다. LTE 기술을 사용하여 단말간 직접 통신(PC5 인터페이스)에 적합하도록 정의된 3GPP Rel. 14 표준을 2017년에 완료하였으며 2020년 6월에는 초저지연, 고신뢰성, 고속 이동성 지원 등의 특징을 갖는 5G 기술을 정의한 3GPP Rel.16 표준이 완료되어 상용화 추진에 속도를 내고 있다. C-V2X 통신 기술은 차량간 직접 통신 이외에도 이동통신 기지국을 사용한 차량간 통신이 가능하며 특히 5G 기술은 자율주행차의 원격운전, 고밀도 군집주행, 센서정보 공유 등 다양한 서비스 제공이 가능할 것으로 예상된다.

해외 V2X 관련 정책 동향

●미국
2017년 초 미국도로교통안전국(NHTSA)1은 V2V 통신을 위한 전송 메시지와 형식, 최소 성능 요구사항 및 평가방법 등을 정의하고 DSRC 장치 의무 장착을 위한 규칙제정공고(NPRM) 연방자동차안전기준(FMVSS) No.150을 발의하였다. FMVSS No.150에는 통신 기술 프로토콜 표준 지정, 메시지 형식과 정보, 메시지 인증에 관한 방법, 소프트웨어 및 하드웨어 업데이트 요구사항, 부정작동 감지 및 보고, 하드웨어 보안 및 개인정보 보안, 기준 적용 시기 등의 내용이 제안되어 있으며 <표 2>와 <표 3>은 제안된 내용 중 차량간 통신에 사용되는 기본안전메시지(Basic Safety Message, BSM)의 전송과 내용 요구사항을 요약한 것이다.

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제안된 요구사항을 검증하기 위한 평가절차 및 평가방법도 상세하게 정의되어 있다. <표 4>는 성능 검증이 필요한 평가조건과 내용을 요약한 것이다. FMVSS No.150은 발의된 이후 다양한 의견 수렴을 거쳤으나 C-V2X 진영의 기술 중립성 유지를 요구하는 반대 의견으로 최종 부결되었다. 부결된 이후 V2X 통신 기술의 역할과 통합을 고려한 새로운 안전기준 발의가 기대되었으나 통신 기술 두 진영간의 첨예한 의견 대립으로 현재까지 잠정 유보된 상태이다.

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최근에는 5GAA와 WIFI 진영에서 ITS 주파수 대역인 5.9GHz 대역에 대한 지속적인 사용 요청의 결과로 2019년 12월 미국연방통신위원회(Federal Communications
Commission, FCC)는 DSRC 기술을 위한 기존 ITS 주파수 대역을 WIFI와 C-V2X, DSRC로 재배치하는 규칙제정공고(NPRM) FCC 19-129를 발표하였다. <그림 1>은 FCC 19-129의 주요 내용을 요약한 것이다.

2020년 6월까지 V2X 통신을 위한 ITS 대역을 75MHz에서 30MHz로 축소하는 것은 차량 안전과 미래 교통안전에 심각한 위협이 될 수 있으며 협력 주행, 센서 공유, 객체 공유 등을 위한 서비스 구축이 불가능해지기 때문에 기존 ITS 대역을 유지해야한다는 의견과 V2X 기술 확산에 실패한 ITS 대역을 광대역 WIFI 채널의 가치와 효용성을 향상시키기 위해 주파수를 재분배 해야하며 ITS 전용은 30MHz로 충분하다는 등 다양한 의견이 제출 되었다. 

FCC는 제출된 의견을 바탕으로 2020년 10월 28일 제안된 규칙의 일부 내용을 확정하는 1차 보고서 및 주문서(Report and Order)인 추가 규칙제정공고(Further NPRM, FNPRM)을 발표하였다. FNPRM의 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.

•5.850~5.895GHz 대역(하위 45MHz)을 비면허 장치로 재할당하며 1차 보고서 및 주문서 시행일 이후 실내 운용을 위해 즉시 접속할 수 있도록 규칙을 채택
•1차 보고서 및 주문서 시행일로부터 1년 후에는 5.850 ~5.895GHz 대역에서 DSRC 장치 운용을 중지하고 5.895 ~5.925GHz 대역(상위 30MHz)에서만 운용할 것을 요구
•2차 보고서 및 주문서 시행일로부터 2년 후에는 5.895 ~5.925GHz 대역의 모든 운용은 C-V2X 기반 기술로 전환하거나 DSRC 운용을 중단할 것을 요구

위와 같이 FCC는 FNPRM을 통해 모든 ITS 운용을 C-V2X 기반 기술로 원활하게 전환하기 방법, 상위 30MHz 대역에서 C-V2X 독점 운용과 관련한 기술적 고려사항(채널 사용, 전력 및 안테나 높이, 스펙트럼 전력 제한치 등) 및 기타 발생할 수 있는 여러 가지 문제점에 대한 의견을 요구하고 있다. FCC의 이러한 결정으로 인해 미국뿐만 아니라 WAVE(DSRC) 기반으로 많은 실증사업 및 인프라 구축 사업이 추진되었던 우리나라 및 다수의 유럽 국가의 정책 방향에 적지 않은 영향을 미칠 것으로 예상된다.

●유럽
유럽의 경우 2019년 3월 유럽연합교통부(European Commission for Mobility and Transport)는 기존 C-ITS 관련 지침(Directive 2010/40/EU)을 법령화하는 ‘Commission delegated regulation (EU) of 13.3.2019’를 고시하였다. 이 법안에는 차량간 통신을 위한 근거리 통신 기술로 WAVE 기반의 ITS-G5로 지정하고 차량 및 노변기지국간 상호운용성을 보장하기 위한 C-ITS의 서비스, 시스템 요구사항, 보안 정책 등에 대해 정의되어 있다. <표 5>는 유럽과 미국 법안의 내용 중에서 V2V 통신을 위한 파라미터를 요약 비교한 것이다.

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유럽집행위원회(European Commission)은 이 법안을 유럽연합 최고 의사결정 기구인 유럽이사회(European Council)에 상정하고 의견 수렴을 진행하였다. 이와 관련하여 다수의 유럽 국가, 제작사, C-V2X 단체 및 협회 등에서 기술 중립성 유지, 최신 셀룰러 기술의 우위, 자율주행 차량의 배치 및 경제적, 환경적, 안전상의 이점이 세계 다른 지역보다 뒤쳐질 위험성을 이유로 반대 의견을 강력하게 주장하였다.

이러한 이유로 2019년 7월 유럽이사회는 WAVE 중심의 C-ITS 법안을 최종 부결하였으며 새로운 입법안 마련을 위해 WAVE 및 C-V2X 진영 간에 기술적, 정치적인 대립이 치열할 것으로 보인다.

●중국
중국은 국가발전개혁위원회에서 V2X 기술을 포함한 자율주행차 비전 및 전략을 수립하고 산업정보기술부에서는 자율주행차 관련 규정 제정 및 차량 형식 승인 등을 수행하며, 중국표준화관리위원회에서는 산업정보기술부와 함께 국가 표준을 제정 하는 등 관계 부처가 협동하여 자율주행 기술 개발을 위한 역할을 수행하고 있다. 2017년 상하이에서 Datang Telecom 및 포드가 참여하여 C-V2X 성능 테스트를 위한 테스트베드 구축을 시작으로 2018년에는 국가 최초로 우시 도심 내부 지역을 C-V2X 테스트베드로 지정하고 포드는 이곳에서 세계 최초로 일반 도로에서 C-V2X 테스트를 성공적으로 마쳤다고 발표하였다. 2018년 10월 5.905~5.925 GHz 대역을 ITS 대역으로 할당하고 중앙 및 지방정부에서 수행하는 C-ITS 사업에 WAVE방식 대신 C-V2X 기술 사용을 의무화하였다.

2019년까지 C-V2X 기술 표준 및 인증을 완료하고 상용 서비스를 위해 현재 20여개 이상의 C-V2X 시범 및 실증사업이 추진되고 있으며 향후 5G-V2X 적용을 위한 관련 표준 및 스펙트럼 연구도 진행하는 등 세계에서 C-V2X 상용화 사업을 가장 적극적으로 추진하고 있다.

국내 통신 안전기준 추진 방향
V2X 통신 기술은 자율주행자동차뿐만 아니라 일반자동차에도 적용될 수 있으며 이를 통해 원거리에서 도로위험 정보 및 교통상황에 대한 알림 및 충돌임박 상황에 대한 경고 메시지를 통해 사고를 예방하는 등 자동차의 안전성을 크게 개선할 수 있는 기술로 기대되고 있다. 따라서 세계 각국에서는 V2X 기술 채택을 위해 양 기술진영이 팽팽하게 대립하고 있었지만 앞서 살펴본바와 같이 DSRC 기술을 유지해온 미국에서 C-V2X 기술 채택을 위한 ITS 주파수 재분배 규칙을 확정하는 추가 규칙제정공고 발표 등 세계 각국의 정책 추이를 보면 자율협력주행을 위한 통신 기술은 점진적으로 DSRC에서 C-V2X로 무게 중심이 이동할 것으로 예상된다.

자동차안전연구원에서는 자율협력주행을 위한 통신 성능 
안전성 평가기술 개발과 이를 통해 V2X 통신 안전기준을 도출하기 위한 연구를 진행중에 있다. V2X 통신의 안전성을 확보하기 위해서는 차량과 차량간 및 차량과 인프라간에 주고 받는 메시지의 정확성과 신뢰성이 보장되어야 한다. 특히 차량의 현재 상태(속도, 방향, 위치 등) 정보가 포함되어 있는 기본안전메시지의 정확성은 매우 중요하기 때문에 메시지 내용의 정확도 평가를 위한 성능기준이 필요하다.

또한 V2X 통신은 무선 통신망을 사용하므로 통신 환경에 대한 영향성이 매우 크다. 특히 차량은 다양한 주행 경로를 따라 이동할 수 있으므로 그만큼 통신 환경의 변화도 다양하며 이로 인해 통신 성능이 저하될 확률이 높아질 수 있다. 특히 높은 차량 밀도로 인해 채널사용률이 높아지는 혼잡환경과 고층 건물에 의한 비가시 환경, 기상악화로 인한 전파 산란 환경 등에서는 통신 성능 저하뿐만 아니라 심각할 경우 통신이 불가능한 상황이 발생할 수도 있다. 따라서 메시지 정확도 평가뿐만 아니라 실차 주행 조건을 고려한 다양한 통신 환경에 대해서도 통신 안전성 확보를 위한 성능기준이 필요하다.

국내 통신 안전기준은 앞서 설명한 것과 같이 크게 두 가지 방향성을 갖고 연구를 진행하고 있으며 향후 국내 V2X 통신 기술이 결정되면 해당 기술에 적합한 성능 요구사항 및 안전서비스 등 다양한 측면에서 검토하여 V2X 통신 성능 안전성 확보를 위한 성능기준 도출을 위해 지속적으로 연구를 추진할 계획이다.

글 / 조병찬 (한국교통안전공단)
출처 / 오토저널 2020년 11월호 (http://www.ksae.org)
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