[트렌드탐구] '차량사물통신(V2X)' 자율주행 센서의 한계를 극복하다
[트렌드탐구] '차량사물통신(V2X)' 자율주행 센서의 한계를 극복하다
  • 유원형 기자
  • 승인 2019.04.13 10:15
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[메가경제 유원형 기자]  인류의 역사에서 자동차의 탄생과 성장사는 매우 짧다. 최초로 내연자동차가 등장한 1886년을 기점으로 기산한다고 해도 133년정도 밖에 되지 않는다. 1903년 설립된 포드사가 5년 뒤 T형 포드를 생산하고 1913년 생산 공정에 컨베이어 벨트를 도입하면서 사실상 본격적으로 자동차 시대가 열리게 됐다는 것을 고려하면 100여년 남짓이다.

우리나라 자동차의 역사는 1911년 대한제국 순종의 전용차와 조선총독부의 관용차로 들여온 것이 시초였다. 그후 우리나라에 ‘마이 카(My Car)’ 붐이 불기 시작한 시기는 70여년이 지난 1980년대부터였다. 이 때부터 자동차는 부자와 권력층 등 소수의 전유물이 아니라 대중화하며 일반 시민들의 일상과 떼려야 뗄 수 없는 존재가 되었다.

차량사물통신(V2X)의 정의

그동안 자동차는 인간 친화적으로 변해왔지만 어떤 경우든 사람이 직접 핸들을 잡고 가속장치와 브레이크를 조정하며 운전해야 했다. 하지만 이제 자동차는 점차 인간의 손과 발, 눈을 자유롭게 하는 쪽으로 빠르게 탈바꿈하고 있다. 자율주행기술의 발전 덕분이다.

자율주행기술은 4차 산업혁명의 핵심 메가트렌드 중 하나다. 자율주행차를 구현하기 위한 기술은 여럿 있겠지만 그 중 안전성의 고도화를 위해 꼭 필요한 기술이 바로 차량사물통신인 V2X(Vehicle to Everything)이다.

 

2019 서울모터쇼'의 자동차부품연구원 부스. 라이다와 레이더 등이 장착된 자율자동차의 면모를 확인할 수 있었다. [사진= 스포츠Q DB]
2019 서울모터쇼'의 자동차부품연구원 부스. 라이다와 레이더 등 센서가 장착된 자율자동차의 면모를 확인할 수 있었다. 차량사물통신(V2X)는 센서의 한계를 극복하기 위한 자율주행 핵심기술이다. [사진= 스포츠Q DB]

 

V2X는 자율주행차 시대를 앞두고 급속히 확장할 것으로 전망되면서 스마트자동차 산업의 신성장동력으로 세계적인 주목을 끌고 있다. 이에 자동차와 IT업체들은 자율주행차 개발을 위해 V2X에 연구와 투자를 아끼지 않고 있다.

V2X은 차량과 '모든 X(everything)'와의 통신을 뜻한다. 차량 간 통신(V2V, Vehicle to Vehicle), 차량과 인프라 간 통신 (V2I, Vehicle to Infrastructure), 차량과 보행자 간의 통신(V2P, Vehicle to Pedestrians) 등 운전 중 도로 인프라 및 다른 차량과 통신하면서 교통상황 등의 정보를 교환하거나 공유하는 기술을 포괄한다.

V2X는 유·무선망을 통하여 차량과 차량 간의 통신으로 서로 위험한 상황을 알려주거나, 교통 인프라(주차장·신호 등)와 차량 간 통신으로 주차 정보 위치, 신호 변경 시간 등의 정보를 제공한다.

V2X 기술은 완벽한 자율주행을 위해서는 반드시 필요한 기술로 꼽힌다. 자율주행이 완벽하게 성공하려면 안전에 대한 높은 신뢰성을 갖춰야 한다. 이를 위해서는 차량이 위험 신호를 실시간으로 인식할 수 있는 게 선결 조건이다. ‘고신뢰성-저지연 차량용 통신’ 기술의 고도화 및 보급 활성화 방안이 필요한 이유다.

3G나 4G와 달리 ‘초고속, 초연결, 초지연’의 특성을 지닌 5G 통신은 V2X 기술의 성숙에 더없이 좋은 인프라다.

V2X는 ‘커넥티드 카’나 ‘스마트 카’를 넘어 완전한 자율주행차를 구현하려는 모빌리티 업계의 노력으로 빠르게 진화하고 있다. V2X는 운전의 안전성과 편의성은 물론 효율성까지 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다.

각종 센서 기술이 발전하고 있는 상황에서 굳이 V2X 통신 왜 필요할까?

현재 자율주행차의 핵심 센서인 레이더, 라이다(LiDAR), 카메라 시스템 등의 발전으로 완전 자율주행에 가까운 발전을 보이고 있다. 하지만 자율주행차에 장착된 센서들은 시야를 벗어나지 않은 영역 내에서만 활용할 수 있다는 제약 조건이 있다.

하지만 V2X 기술은 센서의 한계를 극복하고 시야 제약조건에 구애 받지 않는 360° 인식 능력을 제공한다. 이를 통해 시야 확보가 어려운 교차로나 기상 악화 상황에서도 더 멀리 볼 수 있도록 보완해주고 있다.

일례로, 2016년 5월 자율주행 모드로 달리던 테슬라 차량이 직진을 하던 중 좌회전하는 트럭과 충돌하여 운전자가 사망하는 사고가 발생했다. 사고의 주된 원인은 역광 등으로 인해 트럭이 카메라로부터 안보이게 되었기 때문으로 전해졌다.

'차세대 지능형 교통시스템(C-ITS)'과 ‘커넥티드 카(Connected Car)’

정부는 2017년 말에 5대 신산업 선도 프로젝트를 발표했다. 인공지능(AI), 빅데이터 및 미래형 모빌리티 등 4차 산업혁명 대응을 위해 전기·자율주행차, IoT 가전 등 성장 가능성과 국민 체감이 높은 부문이 선정됐다.

 

[출처= 현대자동차]
차량사물통신(V2X)의 종류 [출처= 현대자동차]

 

이후 산업통상자원부는 전기·자율주행차 산업 세계 4강 실현을 목표로 5대 전략과 국제 표준화 계획을 발표했고, 국토교통부는 자율주행 조기 상용화를 위해 스마트 인프라 구축과 산업생태계 조성 계획을 내놨다.

이후 C-ITS와 커넥티드 카의 핵심 기술 중 하나인 V2X 통신 기술 개발이 활발하게 진행됐으며, 상용화를 위한 다양한 실증사업이 이뤄지고 있다.

C-ITS(차세대 지능형 교통 시스템, Cooperative Intelligent Transportation System)는 교통 인프라에서 차량에 정보를 단방향으로 전하는 교통관리중심의 ITS에서 벗어나 차량과 차량, 차량과 인프라 간 양방향으로 데이터를 지속적으로 공유하여 돌발상황에 신속하고 능동적으로 미리 대응할 수 있는 교통안전중심의 차세대 ITS를 뜻한다.

‘커넥티드 카(Connected Car)’는 자동차에 V2X 통신을 기반으로 ‘연결성’을 제공, 주변의 자동차나 도로 인프라, 보행자 등과 양방향 소통을 통해 안전주행, 교통 혼잡 방지 및 다양한 서비스를 제공할 수 있는 자동차를 의미한다.

정부는 지난 2014년 7월부터 대전~세종 간 고속국도와 일반국도, 도시심지 도로 87.8㎞ 구간에서 단말기 3000대와 노변기지국 79대로 15개의 안전 및 편의 서비스를 검증하는 C-ITS 시범사업을 진행했다. 이후 2018년부터 서울시, 제주도 및 수도권 고속도로 구간

에서 C-ITS 실증사업을 추진하면서 본 사업으로의 길을 열었다.

국내에서는 C-ITS 시범·실증사업 이외에도 대구, 울산 등 지자체 자체적으로 추진, V2X 통신 기반으로 C-ITS 및 커넥티드 카 테스트 베드를 구축하는 등 V2X 통신 인프라를 본격적으로 구축하고 있다. 지난해 2월 국토교통부는 C-ITS와 커넥티드 카 지원을 위한 노변기지국(RSU)을 2020년까지 수도권의 모든 고속도로에, 2021년까지 고속도로 주요 5개 노선에, 2022년까지 전국 모든 고속도로에 설치하겠다는 계획을 세웠다.

앞서 정부는 지난 2016년 9월 방송 중계용 주파수로 할당되어 있던 5.9GHz 주파수 대역을 C-ITS용 주파수로 분배했다.

V2X는 근거리 통신망의 최적화 과정

IEEE 802.11a는 허가가 필요 없는 대역인 5GHz에서 6~54Mbps 속도로 동작하는 무선 랜(LAN) 표준으로 대역폭은 20MHz이다. V2X 표준은 IEEE 802.11a의 대역폭을 반으로 줄여 만든 IEEE802.11p로부터 시작되었다.

 

[출처= 현대자동차]
SAE가 정의한 자율주행 0~5단계 [출처= 현대자동차]

 

지난 2010년 7월 미국의 전기전자기술자협회(IEEE)는 IEEE 802.11a의 주파수 대역폭을 10MHz로 감소시켜 앰뷸런스나 승객용 차량 등의 차량 환경에서 통신을 위한 물리계층 및 MAC 계층 표준인 IEEE 802.11p WAVE를 제정했다.

물리계층과 MAC 계층은 컴퓨터 네트워크 구조를 구성하는 OSI 7계층 모형의 요소다. 물리계층은 기본 네트워크 하드웨어 전송 기술로 가장 낮은, 첫 번째 계층이고, MAC(매체접근제어, Media Access Control) 계층은 두 번째 계층인 데이터 링크 계층에 속하며 공유 매체에 대한 효율적인 접근 제어 관리를 담당한다.

여기서 WAVE(차량 이동 환경에서의 무선 액세스, Wireless Access in Vehicular Environments)는 자동차 환경에 맞도록 개발된 차세대 통신 방식이다. 고속으로 주행하는 차량 환경에서 통신 서비스를 제공하기 위해 특화됐다. V2I(차량과 인프라 간 통신) 및 V2V(차량 간 통신)의 차량 안전 서비스를 위한 최적의 지능형교통시스템(ITS)으로 평가된다.

WAVE는 시속 200㎞의 고속 주행 시에도 끈김이 없는 연속 통신이 가능하다. 통신 지연에 민감한 V2X 통신의 기반 기술에 이미 적용되고 있다. 2010년에 완성된 IEEE 802.11p는 WAVE의 표준 패밀리 중 하나다.

WAVE는 IEEE 802.11p뿐만 아니라 차량통신을 위한 여러 표준을 포함한다. WAVE 표준 패밀리 중 IEEE 1609 표준 시리즈는 차량환경에서 고속(최대 27Mbps), 단거리(최대 1km)에서 저지연 통신을 수행하기 위한 시스템 구조로 정의된다.

미국에서는 약 3.8톤 이하 자동차의 도로주행 안전성을 향상시키기 위해 5.9GHz 주파수대의 DSRC(근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템, Dedicated Short Range Communications) 관련 법제화를 추진하고 있다.

DSRC는 지능형 교통 서비스를 제공하기 위해 도입된 새로운 통신수단으로서, 도로변에 위치하는 노변장치(소형기지국)와 차량탑재장치(차량단말기)로 구성되는 통신 시스템이다. 커버리지 100m 이하인 대부분의 ITS 서비스가 가능하다.

◆ 같은 듯 다른 유럽의 V2X 표준화

유럽 표준은 어떨까? 유럽에서는 장소와 시간에 구애받지 않고 어느 누구, 어떤 단말기로도 차량 내에서 텔레매틱스 같은 멀티미디어 서비스를 받고자 하는 수요의 증가에 대응하는 방식으로 표준화를 진행해 왔다.

지난 2000년 도로정보 및 제어시스템에 관한 표준화를 수행하는 ISO기술위원회인 ‘ISO/TC 204’에서 이를 위한 표준화를 추진했다. 바로 CALM (Communication Access for Land Mobile)이다.

CALM은 ‘ITS 스테이션(ITS-Station)’이라는 통신 시스템을 통해 어떤 물리계층을 갖는 단말기로도 통신이 가능한 표준을 지향하고 있다. 특히 5.9GHz 대역의 IEEE 802.11p를 기반으로 하고 있는 차량에서의 통신 시스템 중의 하나인 ITS-G5뿐만 아니라, 2G, 3G 등의 셀룰러도 포함시켜 표준화를 진행하고 있다.

북미의 DSRC에 대응하는 유럽 표준인 ITS-G5는 DSRC와 같이 IEEE 802.11p를 물리계층과 MAC계층 프로토콜로 사용하고 있다.

LTE 기술을 이용한 차량통신 표준

차량 안전을 위한 ‘차량통신’ 표준도 착실히 진행돼 왔다. 지난 2000년대 초부터 IEEE 802 계열의 기술을 확장한 DSRC/WAVE가 IEEE 802.11p로 표준화되며 연구되어 왔다. 이후 2015년 초부터는 이동통신망인 LTE 기술을 이용한 차량통신에 대한 표준화 움직임이 본격적으로 시작되었다.

 

[출처= 현대자동차]
차량/교통 서비스 인프라 [출처= ETRI]

 

국제 이동통신 표준화 기구인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 2017년 3월 LTE 차량 통신을 위한 표준화를 완료했다. 이후 성능 개선 및 5G와의 융합을 위한 논의가 진행되고 있다. LTE기술로 지연시간을 단축하고 차량 간 직접 통신을 지원하는 표준이다.

기존의 WAVE 기술은 직접통신을 통한 차량 안전에 초점이 맞춰져 있었지만 차량통신은 차량 간 직접 통신 이외에 이동통신망을 이용 할 수 있다. 이 때문에 통신 커버리지 문제 해결뿐만 아니라 보다 많은 데이터 전송이 가능해져 영상 등 다양한 서비스도 지원할 수 있게 됐다.

이에 따라 차량 간 통신은 다양한 조합이 가능해졌다. 차량 간 통신은 WAVE, 차량-인프라 간 통신은 LTE로 하거나 5G커버리지 내에서는 5G를 이용하는 식이다.

5G는 저지연, 대용량, 높은 신뢰성의 특징을 갖는 차세대 통신 기술로, 다중 MIMO와 같은 향상된 무선 기술, 400MHz에 달하는 채널당 대역폭, 가상화된 코어망 구조를 이용하여 20Gbps 이상의 데이터 전송이 가능하다.

이러한 저지연·고신뢰성·고대역폭 특성은 차량 및 교통 데이터의 요구사항과 잘 맞는다. 이 때문에 지난해 8월부터 시작된 3GPP Release 16 표준화 과정에서 차량 간 직접 통신에 5G 무선 기술을 적용하고자 하는 논의가 시작됐다. 5G의 표준화는 올해 하반기 완료될 예정이다.

5G와 V2X, 그리고 자율주행차의 성숙

3GPP외의 표준화 활동도 주목된다. 5G를 이용한 자율주행이나 차량 분야 적용에의 관심이 높아져, 2016년 말에는 주요 차량 제조사와 IT회사가 모여 5G를 이용한 차량통신을 조기에 활성화하기 위해 5G자동차협회(5GAA, 5G Automotive Association) 단체를 결성했다.

 

V2X 서비스 [출처= 현대자동차]
V2X 서비스 [출처= 현대자동차]

 

이후 5GAA에서는 5G 기반 차량 솔루션 개발, 차량 시스템 구조 혁신 및 설계, 솔루션 성능평가 및 상호연동 시험, 표준화 및 인증 사업 및 상용화 전략 수립 등 다양한 워킹 그룹을 구성해 5세대이동통신(5G) 기술 및 서비스 연구를 추진해 왔다.

올해 연말까지 각 서비스에 대한 5G 요구사항과 실제의 성능검증을 추진하고, 5G표준화 및 상용화가 완료되는 시점에서 자율주행이나 원격주행, 주행데이터 분석 등을 포함한 대부분의 자동차 필요사항을 지원할 수 있을 것으로 예상된다.

현대의 자동차는 점차 IT 기술과의 연관성이 깊어지고 있다. V2X도 자동차에 접목되는 기술이지만 자동차 제조업에 국한되지 않는다. IT기술과 융합하면서 자동차 제조사는 물론 정보기술 업체들도 활발하게 연구·개발에 뛰어들고 있다.

지난해 4월 시장전문조사기업인 ABI리서치에 따르면 2025년에 출고된 차량 중 800만대가 레벨 3~5의 자율주행차가 될 것이며 무려 3600만대의 라이다(LiDAR)가 출하될 것이라고 예상했다.

미국 자동차공학회(SAE)는 자율주행기술을 레벨 0~5로 분류했다. 레벨3은 조건부 자동운전, 레벨4는 운전자 탑승 자율운전, 레벨5는 운전자 없는 완전 자율운전 단계를 가리킨다.

자동차와 정보통신기술(ICT)의 융합은 가속화할 전망이다. 커넥티드 카가 증가하면서 최근 자동차에는 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 같은 첨단 운전자 지원시스템이 장착되고 통신과 보안의 중요성도 커지고 있다. ADAS는 차량 스스로 상황을 인지하고 판단해 기계장치를 제어하는 기술이다.

V2X 통신은 자율주행 서비스 제공을 위한 고효율의 주파수 전송률과 측위(위치를 재거나 위치 정보를 얻는 것) 정확도가 요구될 수 밖에 없어 통신기술과의 융합은 필수적이다.

초고속·초연결·초지연의 특성을 지닌 5G가 상용화하면서 V2X통신이 더욱 각광을 받고 있어 장차 ADAS 시장의 확대에도 크게 기여할 것으로 전망된다.

미래 자동차 시장에서도 우위를 점하려는 선진국들과 연구기관, 주요 기업들은 증가하는 V2X통신을 선도하기 위해 기술 개발과 표준화에 박차를 가하고 있다. 이미 차량 자체에만 적용되는 능동 안전시스템 개발은 대부분 완료됐다. 현재는 통신 기술을 통한 V2X융합 기능에 초점을 두고 기술 경쟁이 벌어지고 있다,

연구 주체들은 V2X융합 기술의 상용화를 2025년정도로 잡고 역량을 집중시키고 있다.

차량사물통신(V2X)의 실증과 응용

자율주행 자동차는 돌발상황에 즉각 대처할 수 있어야 한다. 차량에 이상 신호가 감지되면 운전자에게 즉시 해당 사실이 통보되고 수동 운전 같은 대처 방안도 제시될 것이다. 그리고 악천후 상황에서도 자율운전이 가능하도록 관련 기술은 지속적으로 발전할 전망이다.

자율주행 자동차는 사고 발생 시엔 차량사물통신(V2X)을 통해 도로 인프라나 다른 차량과 통신하며 교통 상황을 공유, 2차 사고를 방지하도록 설계될 예정이다.

 

'2019 서울모터쇼'의 SK텔레콤 부스에 소개된 '스마트 플릿'. [사진= 스포츠Q DB]
'2019 서울모터쇼'의 SK텔레콤 부스에 소개된 커넥티드 카 플랫폼 '스마트 플릿'. [사진= 스포츠Q DB]

 

자율주행 자동차는 더 이상 영화나 상상이 아니다. 우리 앞에 성큼 다가와 있다. 메르세데스 벤츠, BMW, 아우디, 볼보, 테슬라, 포드, GM, 토요타 등 대부분의 글로벌 자동차 업계는 물론, 구글과 우버 등 IT 서비스 업계에서도 관련 연구에 매진하고 있다.

현대자동차도 V2X를 통해 송수신해야 할 정보의 양이 방대해질 것을 대비해 ‘5G 통신’ 기반의 V2X 시스템 선행 연구에도 개발 역량을 집중해왔다. 운전자에게 경고나 안내 메시지를 전달하는 수준을 넘어 적극적으로 차량 운행에 개입, 위험 상황에서 직접 차량을 제어하는 기술로 고도화하고 있다.

‘T맵 V2X’의 인공지능은 스마트폰 모션 센서, GPS 정보, 빅데이터 등으로 차량 급제동 여부를 판단한다. SK텔레콤 커넥티드카 플랫폼 스마트 플릿은 급제동 신호를 포착하면 뒤따르는 차량을 추적해 경고를 전달한다.

SK텔레콤 커넥티드 카 플랫폼 ‘스마트 플릿(Smart Fleet)’은 급제동 신호를 포착하면 뒤따르는 차량을 추적해 경고를 전달한다.

현대자동차의 V2X 서비스는 보행자와 충돌 가능성이 있을 때, 선행 차량이 급제동할 때, 교차로에서 충돌 가능성 있는 차량이 있을 때, 교통 신호 제공 및 교통 위반·통과 속도 제공, 공사 구간이 있을 때, 속도 제한 구간으로 제한 속도가 있을 때 등에 적용된다.

KT는 지난해 12월 14일 “국내 최초로 C-V2X(Celluar V2X) 상용화 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. C-V2X 차량단말기는 차량-차량, 차량-보행자, 차량-교통인프라 간 상황을 시간으로 파악하는 기술이다. KT는 5G 통신이 추가된 5G-V2X 차량단말기도 개발중이라고 밝혔다.

KT가 개발 중인 5G 네트워크 슬라이싱(쪼개기) 기술과 V2X 기술이 결합되면 차량 간 데이터를 주고 받을 때 자율주행차가 요구하는 높은 보안성과 초저지연 정보 전달이 가능하다. ‘5G네트워크 슬라이싱’은 5G 핵심기술 중 하나로, 물리적 '코어 네트워크'를 독립된 다수 가상 네트워크로 분리하는 기술이다.

전홍범 KT 융합기술원장은 "KT가 평창동계올림픽에서 보여줬던 5G 자율주행의 핵심기술을 실제 상용화 수준까지 완성했다는 데 의미가 있다"며 "미래 차량 서비스의 청사진을 계속 제시할 것"이라고 말했다.

지금 이 순간에도 차량사물통신(V2X)의 기술을 선점하기 위해 자동차와 정보통신 선도국들은 투자와 연구를 집중하고 있다. 차량사물통신(V2X)은 완전한 자율주행기술을 꽃피우게 할 화룡점정이기 때문이다.

<자료참조= 자동차부품연구원(KATECH) ‘자율주행차 기술동향 및 안전설계’, 국가표준코디네이터 사무국 ‘자율주행자동차 V2X 통신 표준화 현황’, 한국과학기술원 ‘V2X 기술동향’, ETRI '자율주행 자동차 보안기술 동향‘>

 



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