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유럽의 V2X 통신기술 최근 동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-12-13 13:17:35

본문

1. 서론

자동차는 인간에게 공간적으로 빠른 이동성을 제공하는 수단으로 독일에서 자동차가 최초로 개발된 이후 자동차의 기능과 성능은 눈부시게 발전하였다. 이러한 자동차는 편리하게 이동할 수 있는 혜택을 주었지만 한편으로는 자동차 사고로 인한 사망과 사고, 그리고 환경적인 오염은 인간에게 어려운 난제를 안겨 주었다.

글 / 오현서 (한국전자통신연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 11월호

전세계적으로 자동차 사고로 인한 사망자가 매년 백만 명에 달하며 사고건수는 5천만 건에 달한다고 한다. 또한 자동차의 이동에 따른 교통 혼잡, 매연가스와 스모그 현상은 대도시를 중심으로 나타난 심각한 문제로 남아 있다.

이러한 자동차로 인한 사고, 교통 혼잡 및 대기 오염을 해결하기 위한 C-ITS연구가 미국과 유럽, 일본과 같은 선진국을 중심으로 추진되어 왔다. 미국은 1999년 V2X 통신을 지원하는 5.9GHz WAVE 주파수 대역을 할당하였고 2010년 IEEE에서 WAVE 통신표준을 확정하였으며 2011년부터 미시간 An Arbor에서 V2X 통신 시범사업을 추진하고 있다. 이러한 흐름에 따라 2008년 유럽은 WAVE 주파수 대역을 할당하고 ETSI에서 WAVE 표준을 수용하였으며, 2009년 유럽 의회는 유럽 표준화기관인 CEN, ETSI, CENELEC에게
C-ITS 표준 개발을 요청하는 M/453문서를 제공하였다.

따라서, 미국과 유럽은 동일한 WAVE 통신기술 표준을 기반으로 C-ITS 서비스를 실현하려는 목표를 가지고 연구를 추진한다고 볼 수 있다. C-ITS 서비스는 교통사고를 줄이고, 목적지에 도착하는데 소요되는 시간을 최소화함으로써 연료 소모를 줄이는데 목적이 있으며, V2X 통신기술은 C-ITS 서비스를 제공하는 기본적인 수단이 된다.

본 고에서는 유럽에서 추진되고 있는 V2X 통신기술 및 C-ITS 서비스를 소개한다. 특히 독일에서 5년간 추진된 SimTD 연구프로젝트와 네덜란드 TNO연구소에서 수행한 협력주행기술을 알아보고 이들의 연구추진전략과 주요 연구성과를 살펴 본다.

2. V2X 통신기술 개념

미국의 IEEE에서 표준화된 WAVE 통신기술은 차량이 고속으로 이동하는 전파 환경에서 차량간 또는 차량간 인프라간 패킷 프레임을 100msec 이내 짧은 시간 내에 주고 받을 수 있는 기술이다. WAVE 통신표준은 5.9GHz 전용 주파수 대역을 사용하며, IEEE 802.11p와 IEEE 1609.x 규격으로 구성되어 있으며 기본 구조는 그림 1과 같다.

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IEEE 802.11p는 무선 전송을 위한 물리계층과 MAC 계층을 포함하고, IEEE 1609.x는 IEEE 802.11p 위에 탑재되는 멀티 채널 계층, 네트워킹 계층,인증 보안 계층, 응용 서비스 계층을 포함하고 있다.

􀓋 IEEE 802.11p : 물리계층과 MAC 계층
􀓋 IEEE 1609.1 : ITS 응용 서비스 계층
􀓋 IEEE 1609.2 : 인증 및 보안 계층
􀓋 IEEE 1609.3 : 네트워크 계층
􀓋 IEEE 1609.4 : 멀티 채널 계층

WAVE 통신기술은 V2V(Vehicle to Vehicle Communication)과 V2I(Vehicle to Infrastructure Communication)통신을 지원하는 개념을 의미한다. 유럽은 새로운 WAVE 통신기술을 수용하면서 기존의 모든 무선 통신을 수용하는 확장된 V2X 통신 개념
을 의미한다. ETC(Electronic Toll Collection) 서비스를 제공하는 DSRC(Dedicated Short Range Communication) 통신기술과 텔레매틱스 서비스를 제공하는 셀룰러 통신기술, 그리고 광역의 교통정보를 제공하는 방송기술을 수용하면서도 WAVE 통신기술을 추가적으로 수용할 수 있어야 한다는 것이다. 즉, 무선통신기술은 지속적으로 진화하므로 무선통신기술에 무관하게 무선망에 접속이 가능한 CALM(Communication Access for Land Mobiles) 플랫폼을 지향하고 있다. 유럽의 CALM 플랫폼은 단말과 기지국, 센터가 통신망 접속과 서비스 제공 측면에서 모두 플랫폼 기능을 제공하고 있다.

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V2X 통신은 차량 관점에서 보면 IVN(In-Vehicle Network) 접속과 휴대폰과 노트북과 같은 Nomadic 디바이스와의 접속도 필요하다. 즉, 그림 2와 같이 차량을 중심으로 IVN과 Nomadic 디바이스접속까지 확장하는 개념으로 V2X 통신을 해석할 수 있다. 이러한 개념은 첨단 지능형 자동차서비스와 C-ITS 응용 서비스를 고려할 때 필요한 기능으로 확장된 V2X 통신기술 개념이다.

3. 연구 추진 전략

유럽은 C-ITS 서비스 실용화 사업을 추진함에 있어서 관련 기관들간에 긴밀한 협력체계를 구축하고 연구를 추진하고 있다. 국가별로 추진되는 테스트베드 사업에 있어서 ERTICO와 TNO 연구소의 역할이 매우 중요하다. ERTICO는 ITS 산업의 발전을 위해 정부와 산업체의 C-ITS 요구사항을 수렴하고 서비스 상용화를 위한 프레임 워크를 수행하며 핵심 비전은 다음과 같다.

􀓋 사고를 줄이기 위한 Safe Mobility 실현
􀓋 예상하지 못한 시간지연을 최소화하는 Smart Mobility 실현
􀓋 환경의 영향을 최소화하는 Clean Mobility 실현

ERTICO는 이러한 비전을 실현하려는 목표로 C-ITS 서비스 검증을 위한 테스트베드 사업을 총괄적으로 추진하고 있으며 서비스 실용화에 장애가 되는 요인들을 해결하기 위한 법과 제도를 마련하고 국제 협력과 표준화도 담당하고 있다.

네덜란드 헬몬트에 위치하고 있는 TNO 연구소는 에너지, 교통, 의료 등 다양한 분야의 융합기술을 연구하는 세계적 수준의 연구소이다. 융합기술을 수행함에 있어 정부와 산업체가 요구하는 사항을 반영한 연구목표를 설정하고 설정된 연구 목표를 달성하기 위해 연구 조직을 탄력적으로 운영하는 특징을 가지고 있다.

C-ITS는 자동차와 통신, 그리고 교통분야가 융합한 기술로 자동차의 기계 전문가와 통신 및 교통 분야 전문가가 같이 참여하여 연구 프로젝트를 공동으로 수행하는 매트릭스 인력 운용 체계를 따르는 것이다. TNO는 V2X 통신 테스트 베드를 구축하고 시험하는데 필요한 시뮬레이션 기술, 시험 방법론 연구 및 시험 기술, 테스트베드 운영 기술을 연구함에 있어 다양한 분야의 연구자가 참여하는 공동 연구 형태로 추진하고 있다.

TNO의 연구 결과물은 유럽의 국가에서 추진하는 테스트 베드에 모두 적용함으로써 TNO는 테스트 베드의 모형을 제시하고 동일한 시험 환경 및 방법을 제공하고 있다. 독일에서 수행한 SimTD 테스트베드의 구축 및 시험 기술은 TNO에서 제공하였고 테스트베드에 적용한 서비스는 ETRICO에서 제시함으로써, 각국에서 추진하는 테스트베드 사업이 동일한 서비스와 시험 조건하에서 추진됨으로써 전체적으로 시행착오를 줄이면서 서비스를 확산하는 방향으로 추진되고 있었다.

4. V2X 통신시스템

유럽은 C-ITS 서비스를 제공하기 위해 CALM 표준을 수용한 V2X 통신시스템을 개발하고 있다. SimTD에서 개발한 V2X 시스템은 차량에 탑재되는 ITS Vehicle Station(IVS), 노변에 설치되는 ITS Roadside Station(IRS), 그리고 센터에 구축되는 ITS Center Station(ICS)로 구성이 된다. 각각의 시스템은 복수의 서비스를 제공하면서도 서비스를 확장할 수 있는 OSGI 플랫폼을 채택하고 있다. 유럽의 OSGI 플랫폼은 가정에서 사용하는 서비스 플랫폼으로 가정과 차량은 사용자 측면에서 볼 때 동일한 서비스 환경을 제공해야 한다는 개념을 반영한 것으로 볼 수 있다.

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단말은 AU(Application Unit)와 CCU(Communication & Control Unit)로 구성되어 있다. AU기능은 차량용 PC로 OSGI 서비스 플랫폼을 지원하며 사용자 인증과 보안을 제공한다. CCU는 다수 서비스에 필요한 무선랜, 3G UMTS, WAVE, 일본의 868MHz 차량간 통신기술을 모두 지원하는 통신 플랫폼이다. SimTD에서 사용한 CCU, AU의 규격은 표 1과 같다.

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미국과 유럽에서 채택한 WAVE 통신은 200km/h 고속 이동환경에서 최대 27Mbps 데이터 전송 속도, 전파통달거리는 최대 1km, 100msec 이내의 짧은 패킷 Latency와 짧은 무선 링크 접속, 그리고 차량간 통신과 차량과 인프라간 신뢰성 있는 통신이 성능의 기본적인 목표로 삼고 있으며 <표 2>와 같다. 유럽의 경우 미국의 규격이 대부분 동일하지만 주파수 할당이나 전파 출력이 최대 30dBm(1 Watt)인 점에서 차이점이 있다.

유럽의 차량 단말은 자동차 OEM 회사인 보쉬, 콘티넨탈 등에서 개발하고 있는데, 서비스와 통신 플랫폼을 모두 제공하는 측면에서 사용자에게 편리하나 시스템이 복잡하고 단가가 높은 단점이 제기되고 있다. 따라서 사용자 측면과 서비스 제공자 측면을 모두 고려하여 좀 더 슬림화된 AU와 CCU개발이 필요하다고 본다.

그림 3은 V2X 통신을 제공하는 CCU 보드 외형을 보여 준다.

5. 응용 서비스 현황

유럽은 V2X 통신시스템을 구축하고 차량 안전 및 이동성, 환경개선을 위한 서비스를 선택하기 위하여 V2X 통신망을 구축하고 서비스를 검증하는 사업을 국가별로 추진하고 있다. SimTD는 독일의 자동차업체, 통신 및 SW업체, 교통기관이 콘소시엄을 구성하여 2008년부터 2013년까지 5년간 테스트베드를 구축하고 서비스를 검증하는 프로젝트이다.

테스트베드는 프랑크푸르프 지역의 도심지, 국도, 고속도로를 대상으로 구축하였으며 차량 시뮬레이션과 교통 시뮬레이션 및 테스트 베드 시험 과정을 통해 서비스의 필요성과 효과를 분석하였다.

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SimTD에 적용된 서비스 기능은 표 3에 나타난 것처럼 모두 22가지인데 그 중에 중요한 서비스는 고속도로상에 도로전방 상황을 알려 주는 경고 서비스와 도심지 교차로에서 신호등 정보 제공 서비스가 있다. 미국은 이러한 서비스를 제공하기 위해 BSM(Basic Safety Message)를 사용하고 있다.

유럽도 BSM과 유사한 CAM(Contextual Awareness Message)를 사용한다. 이 메시지는 도로의 전방 상황을 무선으로 운전자에게 알려 주어 교통사고를 예방하는데, 가령 전방에 도로 공사나 사고가 있어서 소통이 막히는 경우에 그 상황 정보를 알려 주는 것이다. 또한 도심지 교차로에서 신호기의 정보를 차량에 알려 주어 운전자가 교차로의 상황을 알고 대비함으로써 사고를 예방할 수 있다. 이러한 CAM 메시지의 주요 특징은 다음과 같다.

􀓋 정보 : 차량의 주행 상태 및 위치
􀓋 방송 주기 : 100msec 단위
􀓋 통신프로토콜 : WSMP
􀓋 통달 거리 : 100~300m 정도

차량 안전 및 교통 안전 지원 서비스를 제공하고 아울러 V2X 통신을 협력 주행에 적용하는 기술도 개발중에 있다. 현재 차량 레이더를 이용한 ACC(Adaptive Cruise Control) 서비스가 있는데 이는 차량 레이더가 전방 차량과의 일정 거리를 유지하면서 종방향으로 자동제어를 하는 시스템이다.

이에 비해 협력 주행은 ACC와 차량간 통신기능을 모두 제공하는 기술이다. 협력 주행의 차량간 통신은 선두 차량의 주행 속도와 감가속 정보를 실시간으로 전달하여 후속차량이 자동적으로 종방향 주행제어를 하는 시스템이다. 이러한 협력 주행시스템은 ACC에 비해 차량간 거리를 현저히 줄일 수 있고 이론적으로 교통용량을 3배까지 증대시킬 수 있고 운전자는 안전성과 편리성을 높이는 효과는 얻게 된다.

차량이 고속으로 주행하면서 협력주행을 하기 위해서 CAM 전송주기는 10msec 정도
로 빨라져야 한다. 차량의 속도와 가속도 정보가 10ms 정도로 무선으로 전달되기 위해서는 CPU 상에서 소프트웨어 처리시간의 제약을 주게 된다.

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TNO에서는 ACC 기능이 탑재된 자동차에 V2V 통신모듈을 부착하고 제어를 함으로써 3대까지 협력주행이 가능함으로 보여 주었다. 이러한 협력 주행은 완전한 자율주행에 실용화 가능성이 높은 시스템으로 미국과 일본에서도 활발하게 연구를 진행하고 있다.

6. 시험 방법 및 결과

V2X 통신시스템을 이용한 C-ITS 서비스를 검증하고 효과를 분석하기 위해 3가지 시험방법을 도입하였는데 그것은 차량주행 시뮬레이션, 교통흐름 시뮬레이션, 그리고 테스트베드 시험으로 각각의 결과를 서로 비교 분석하여 테스트베드의 신뢰성을 높이고자 했다.

차량주행 시뮬레이션은 V2X 통신과 연동되는 차량 시뮬레이션으로 V2X 안전 메시지의 유무에 따라 운전자의 반응을 분석하는 것이다. 즉, V2X 안전 메시지를 제공할 때 운전자의 반응을 분석하고 다양한 V2X 안전 메시지를 제공할 때 어떠한 메시지가 운전자가 필요로 하는지를 파악하는 것이다. 표 3에서 제시한 V2X 안전 메시지를 제공하는 경우 도로에서 공사가 있다는 것을 알려 주는 메시지가 가장 유용한 것으로 분석이 되었다. 이러한 분석은 통해 V2X 메시지에 따른 운전자 반응 모델링을 하고 시뮬레이터를 개발하는데 사용이 되었다. 교통흐름 시뮬레이션은 V2X 안전 메시지를 적용할 때 교통흐름에 대한 영향을 분석하는 것이다. 이 분석은 차량단말의 적용율에 따라 크게 영향을 받기 때문에 차량단말 적용율에 따라 교통흐름을 분석한 결과 차량단말의 적용율이 증가할수록 교통흐름이 저하되는 현상이 나타남을 알 수 있었다.

V2X 통신시스템을 실제 도로에 구축하고 서비스 시험을 추진하여 통신의 성능을 분석하고 서비스 효과를 분석하였다. SimTD 테스트베드에서는 120대의 IVS, 100대의 IRS, 그리고 센터를 구축하였다. 실제 시험에 투입된 운전자는 500명이고 41,000시간 동안 시험에 참여하여 총 1,650,000km를 주행하였고 차량주행 시뮬레이션, 교통흐름 시뮬레이션 결과와 상호 비교 분석을 하였으며 전반적으로 긍정적인 결과를 얻었다.

V2X 통신의 성능도 시험을 하였는데 교차로에서 차량간 NLOS 환경에서 안전 메시지를 최대 97m까지 전송이 가능하였으며 이 경우 운전자에게 허용된 시간이 7초이므로 교차로에서 안전 지원을 할 수 있다는 결론을 얻었다. 표 2는 SimTD에 적용된 메시지이다.

7. 결론

유럽에서 추진되고 있는 V2X 통신 및 C-ITS 서비스 연구를 살펴 보았다. 금년 6월에 끝난 독일의 SimTD 프로젝트는 유럽의 최근 동향을 파악하고 전체적인 연구 추진 방향을 이해하는데 도움이 된다고 생각이 된다. V2X 통신을 기반으로 하는 C-ITS 연구를 수행함에 있어 자동차와 통신, 그리고 교통 인프라측면의 기술 협력과 상호 연계를 위한 표준개발이 매우 중요한 사항이므로 우리 나라의 C-ITS를 연구하는데 참고할 필요가 있을 것이다. 또한 V2X 통신시스템을 개발할때 통신과 서비스측면에서 개방형 플랫폼을 지향하고 있다는 점에서 주목해야 하며 국내에서도 슬림화된 V2X 통신 플랫폼 개발과 표준화도 필요하다고 본다.

마지막으로 미국과 유럽에서는 C-ITS 시범사업과 실용화가 활발하게 추진되어 있으므로 국내에서도 WAVE 주파수 할당과 WAVE 칩셋 개발, 그리고 V2X 차량 시뮬레이터 및 통신 인증 기반이 마련되어야 할 것이다.
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