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자율주행차에서 5G 및 DSRC V2X 지원 방법

대니쉬 아지즈 스태프 필드 애플리케이션 엔지니어, 크리스 뵘 디지털 설계 엔지니어, 피온 헐리 마케팅 매니저 / 아나로그디바이스

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헬로티 서재창 기자 |

 

 

요약

 

차량용 통신(V2X)은 높은 수준의 자율주행을 달성하는 데 있어 필수 요소임이 분명하다. 그러나 자동차 업계에서는 필요한 무선 접속을 셀룰러 액세스 기술(C-V2X)과 직접 액세스 기술(DSRC) 중 어느 기술에 의존해야 하는지 검토해왔다. 이 글에서 예시한 자율주행의 미래 활용 사례는 이 기술을 조정 및 연동해 두 가지 모두 사용해야 한다는 것을 보여준다. 

 

첨단 다중 무선 표준 디바이스는 서로 다른 각각의 기술에 대해 개별적인 모듈을 사용한다. 따라서 무선 간 표준 인터페이스가 없다면 이러한 협력 시스템을 실현하기는 어려워 보인다. 이 글에서는 듀얼 밴드, 듀얼 무선 표준 차량용 통신 시스템을 구현하는 최신 단일 칩 솔루션을 소개한다. 

 

이 단일 칩을 사용하면, 여러 대역에서 송신과 수신을 동시에 할 수 있다. 이 디바이스는 자동차 인증을 받지 않았지만, 사용된 기술은 제품 차별화와 서비스 품질 향상을 위해 향상된 제어를 제공함으로써 자동차 제조사를 지원하는 데 활용한다. 

 

머리말

 

이 글은 V2X 장치의 개발에 초점을 맞추고 있다. V2X 통신을 수행하는 데 사용할 수 있는 두 가지 무선 접속 기술과 함께 V2X 애플리케이션 시나리오를 간단히 살펴본다. 

 

V2X를 간략히 살펴봄으로써, 셀룰러 네트워크(셀룰러 V2X 또는 C-V2X라고도 함)에 의해 제어되는 V2X 통신용 무선 접속 기술이 전용 근거리 통신(DSRC)이나 IEEE 802.11p 같은 비면허 및 전용 주파수 스펙트럼 범위에서 다른 무선 접속 후보 기술을 보완한다는 것을 이해하게 된다. 

 

이를 위해 활용 사례의 요구사항과 여러 접속 기술의 이점을 활용하는 방안을 연관지어 볼 필요가 있다. 다중 표준 V2X 장치의 구현과 관련해 현재 개별 소프트웨어·펌웨어로 구현된 여러 모듈을 사용한다. 하지만 이러한 방법은 접속 기술을 연동 및 조정해 구현하는 기능의 가능성을 제한한다. 

 

ADRV9026은 ADI RadioVerse 포트폴리오의 무선 주파수 트랜시버(TRx)로서 6GHz 이하 주파수 범위를 커버한다. 이 다중 채널, 다중 대역 트랜시버 기술은 다중 대역 V2X 통신 장치를 가능하게 한다. 

 

차량-사물(V2X) 통신

 

자동차 산업은 모든 가능한 주행 시나리오와 조종 및 상황에서 완전 자동운전을 달성하기 위해 빠르게 혁신 중이다. 

 

무선 커넥티비티는 완전 자동운전뿐 아니라 낮은 수준의 자동운전을 가능하게 하는 기본 기술의 하나로서 요구되며, 특히 자율주행차의 안전이 중요한 애플리케이션은 무선 커넥티비티에 크게 의존할 것이다. 관련 개체들이 주행 공간이나 교통 시스템을 공유하는 경우 궁극의 신뢰성으로 안전한 조정을 수행하는 것이 필수적이다. 

 

이러한 개체에는 도로 위의 다른 차량, 사람, 교통 시스템 또는 교통 관리 네트워크를 포함한다. 따라서 시스템의 다른 개체와 정보를 교환, 협력 및 조정하기 위해 모든 차량에 무선 커넥티비티를 탑재하는 것이 필수적이다. 

 

이를 위해 유럽은 관리 기관(예 : ETSI)이 차량용 지능형 교통 시스템(ITS)의 기반을 마련했으며, 유사한 시스템이 미국과 아태 지역 등 전 세계에서 개발됐다. ITS는 다양한 애플리케이션과 활용 사례에 대한 통신 노드, 아키텍처, 프로토콜 및 메시지를 정의하고 규정한다. 

 

비면허 또는 전용 주파수 대역에서 DSRC 기반 애플리케이션을 향상하기 위해서는 새로운 인프라가 필요하다. 인프라 구축은 이미 많은 지역에서 스마트 하이웨이와 스마트 시티 추진을 통해 활발히 진행되고 있다. C-V2X의 경우 기존 셀룰러 인프라를 사용한다. 그림 1은 ITS 차량이 교통 시스템의 다른 차량이나 다른 개체와 통신하는 인터페이스를 보여준다. 다음은 각 인터페이스에 대한 설명이다. 

 

⦁ 차량-차량 간(V2V) 통신 : 처음에는 브로드캐스트 메시지에만 사용됐지만, 이제는 차량에서 유니캐스트 또는 멀티캐스트 메시징도 수행한다. 이 인터페이스는 비상 제동과 같은 경우 통신 범위의 한 차량에서 다른 차량으로 직접 정보 전파에 사용한다. 

 

⦁ 차량-보행자 간(V2P) 통신 : 스마트폰에 V2X 애플리케이션이 있다고 가정할 때, 이 인터페이스를 사용해 차량과 노변 사용자가 통신한다. 예를 들어 취약 도로 주변의 사용자는 접근하는 차량에 대해 경고를 받을 수 있다. 

 

⦁ 차량-네트워크 간 또는 차량-인프라 간(V2N/V2I) 통신 : 이 인터페이스는 스마트 교통을 원활하게 하는 모든 정보에 사용한다. 

 

 

V2X를 위한 무선 접속 기술

 

그림 2는 완전한 ITS의 계층화된 아키텍처를 보여준다. 최상단 애플리케이션 계층에서는 비상 제동 경고, 교차로 충돌 방지 및 신호등 시간과 같은 활용 사례에 대한 정의를 담는다. 다른 계층은 위치 결정·위치 정보, 인식 메시지 및 알림 등의 정보와 통신 지원 서비스를 제공한다. 마지막으로 이러한 프로토콜 메시지는 무선 기술을 사용해 공중으로 전송돼야 한다. 

 

DSRC는 이미 미국에서 차량용 통신용으로 구축됐으며, 유럽에서는 동일한 목적으로 IEEE 802.11p 기반 무선 접속을 구축했다. 이러한 무선 기술은 애드혹 통신을 위한 IEEE 802.11x 와이파이 표준을 기반으로 개발됐다. 

 

따라서 범위가 제한되고, 다른 와이파이 기반 시스템과 유사한 혼잡 및 서비스 품질(QoS) 문제에 직면할 수밖에 없다. 이뿐 아니라 DSRC는 교통 관리 서버의 커버리지를 보장하려면 노변 인프라 구축에 상당한 자본이 투자돼야 한다. 

 

반면에 셀룰러 통신 시스템으로도 알려진 공공 육상 모바일 무선 시스템을 통한 무선 접속은 커버리지와 QoS 문제에 대한 해결책을 모두 제공한다. 셀룰러 네트워크는 이미 대부분의 도로를 커버하며, 네트워크에서 제어하는 접속을 스케줄링하므로, 혼잡이나 통화 끊김을 방지해 QoS를 보장한다. 

 

V2X 서비스는 이미 4G LTE 셀룰러 시스템 표준에서 제시됐다. 그러나 4G LTE에서 주요 대상은 기본 안전 활용 사례다. 5G는 안전이 더욱 중요한 높은 신뢰성 활용 사례를 대상으로 한다. 셀룰러 V2X(C-V2X)라는 용어는 모바일 네트워크에서 제공하는 V2X 서비스를 가리키며, 4G LTE 또는 5G에 사용된다.

 

차량용 통신 시스템의 이러한 전체 그림은 다른 지역뿐 아니라 다른 주파수 대역에서도 여러 기술과 표준의 가능성을 열어준다. 다른 지역에서 다른 표준에 대해 다른 스펙트럼 대역을 고려할 경우, 전반적인 상황은 복잡해진다. 

 

 

셀룰러 V2X(C-V2X)

 

100% 셀룰러 네트워크 커버리지를 제공한다는 것은 모바일 네트워크 사업자에게 매우 어려운 과제다. 다른 한 편으로, 커넥티드 및 자율 주행에는 무선 커버리지 홀이 도로 함몰보다 더 나쁠 수 있다. C-V2X는 네트워크 커버리지 밖에서도 작동하는 향상된 기능을 제공한다. 그림 3a에서는 차량이 네트워크 커버리지 내에서 통신하는 시나리오를 볼 수 있다. 차량이 통신하는 데에는 다음의 두 가지 옵션이 있다.

 

옵션 1은 통신하는 2개의 V2X 노드 사이에 셀룰러 네트워크가 관여하는 전통적인 Uu 인터페이스(3GPP가 최종 사용자 장치와 무선 기지국 사이의 무선 링크에 대해 지정한 이름)를 사용한다. 옵션 2는 PC5라고 알려진 새로운 인터페이스를 사용하는 방법으로서 V2X 노드 간 직접 통신을 제공한다. 사이드링크 통신이라고도 한다. 

 

그림 3b에는 네트워크 커버리지가 없다. 그러나 V2X 노드는 PC5 인터페이스를 사용해 여전히 통신할 수 있다. 이 커버리지 시나리오에서 네트워크는 할당된 모든 셀룰러 대역을 사용한다. 다음 섹션에서는 네트워크 커버리지 밖에서 어떤 대역을 사용하는지 설명한다. 

 

 

V2X 스펙트럼 할당


유럽은 차량용 통신을 위해 5.9GHz 대역에 70MHz 대역폭의 전용 스펙트럼을 할당했다. 전 세계에서 전용 스펙트럼을 할당하려는 노력이 진행 중이다. 또한, 이 대역에서 ITS-G5 및 C-V2X를 사용하기 위한 조율 작업이 진행되고 있다. 

 

C-V2X의 경우, 이미 PC5 및 Uu 인터페이스를 조합해 여러 셀룰러 대역에서 이 서비스를 사용한다. 셀룰러 표준은 V2X용 듀얼 밴드의 동시 운용을 검토하고 있다. 표 1은 4G LTE 및 5G NR(5G New Radio) 인터페이스 셀룰러 무선 접속 기술을 사용해 V2X 서비스를 동시에 운용하기 위한 몇 가지 대역 조합 예시를 3GPP 규격5, 6에 기초해 정리한 것이다. 진한 회색 바탕으로 된 행들은 5G NR에만 해당된다. 

 

V2X 동시 대역 구성

LTE 4G / 5G NR

또는 V2X 운용 대역

인터페이스

운용 대역

업링크 BS 수신 - UE 송신

다운링크 BS 송신 - UE 수신

듀플렉스 모드
Flow - Fhigh
V2X_34-47 34 Uu 2010MHz   2025MHz TDD
47 PC5 5855MHz   5925MHz TDD
V2X_39-47 39 Uu 1880MHz   1920MHz TDD
47 PC5 5855MHz   5925MHz TDD
V2X_41-47 41 Uu 2496MHz   2690MHz TDD
47 PC5 5855MHz   5925MHz TDD
V2X_38-47 38 Uu 2570MHz   2620MHz TDD
47 PC5 5855MHz   5925MHz TDD
V2X_48-47 48 Uu 3550MHz   37000MHz TDD
47 PC5 5855MHz   5925MHz TDD
V2X_79-47 79 Uu 4400MHz   5000MHz TDD
47 PC5 5855MHz   5925MHz TDD

▲표1 - 4G LTE 및 5G NR에서 동시 V2X 운용을 위한 Uu-PC5 주파수 대역

유럽은 무선 접속 기술에 대해 중립적인 입장이다. 이와 관련해 일부 연구에서는 ITS-G5/DSRC가 C-V2X에 비해 갖는 장점을 설명하고, 또 다른 유사한 연구는 C-V2X가 ITS-G5에 비해 갖는 장점을 주장한다. 이에 따라 자동차 및 통신 업계 파트너는 면허 스펙트럼뿐 아니라 비면허 스펙트럼에서 V2X 서비스가 무선 접속 기술의 이점을 활용할 수 있는 솔루션을 개발하기 위해 노력 중이다. 
 

듀얼 밴드 및 듀얼 RAT V2X 시스템

 

여러 무선 접속 기술(RAT)과 여러 스펙트럼 대역에서 통신이 가능할 때, 자동차 OEM은 어떤 것을 채택할지 결정해야 한다. (글의 작성 시점 기준) 미국에서 FCC는 DSRC 기반 무선 접속에 힘을 실어주는 반면, 아태 지역은 C-V2X.9의 개발과 구축을 환영하고 있다. 

 

그림 4는 그림 2의 수정된 버전으로 무선 접속과 패킷 접속 사이에 새로운 하위 계층을 도입해 액세스 계층을 정교화했다. 이를 무선 접속 관리(WAM)라고 한다.

 

이 하위 계층의 기능은 네트워크에서 무선 수준까지 최적화된 V2X 서비스 제공을 보장한다. 활용 사례(지연 요구사항, QoS 등), 트래픽(혼잡) 및 링크(무선 품질) 조건에 따라 조정(다이버시티) 또는 협력(높은 처리량)해 다른 무선 접속 기술을 선택한다.

 

예를 들어 ITS-G5 무선 인터페이스에서 혼잡이 탐지되면, C-V2X를 사용하여 동일한 메시지를 PC5를 통해 보낸다. 이는 다이버시티 이득을 제공하고 신뢰성을 보장한다. 차량이 고밀도 지도 데이터를 교환하는 활용 사례의 경우, 요구되는 높은 처리량을 충족하기 위해 Uu 인터페이스를 PC5 또는 ITS-G5와 협력해 사용할 수 있다. 

 

IEEE 기고문은 분석적 방법과 함께 시뮬레이션 방법을 이용해 그림 4에 보이는 것처럼 유사한 개념의 이점을 매우 자세히 제시하고 설명한다. 앞서 표 1을 이용해 설명했듯이, C-V2X 프레임워크 내에서 셀룰러 시스템 표준화 기관은 이미 5.9GHz 대역에서 PC5 및 ITS-G5와 함께 4G LTE Uu 및 5G NR Uu 대역의 동시 운용을 검토하고 있다. 

 

따라서 대역의 동시 운용과 앞서 설명한 개념으로 듀얼 밴드와 듀얼 RAT V2X 시스템을 위한 기반이 표준화 기구와 응용 산업 연구 커뮤니티에 의해 마련됐었다고 말할 수 있다. 이제 자동차 업계가 듀얼 밴드 및 듀얼 RAT V2X 개념의 이점을 활용하는 최적의 하드웨어 구현을 찾을 때다.

 

 

미래 V2X 시스템을 위한 단일 RF IC(ADRV9026)

 

오늘날의 무선 장치들은 이미 여러 무선 표준을 탑재하고 있다. 각 표준마다 고유의 모듈이나 일부 하드웨어를 사용해 구현된다. 이들 대부분의 모듈은 RF 수준에서 애플리케이션 계층까지 하나의 솔루션을 제공한다. 

 

하지만 이러한 아키텍처에서 듀얼 밴드 V2X 시스템을 구현하고 조정과 협력 메커니즘을 제공하기는 쉽지 않다. 모듈 제조사나 공급회사가 여러 표준 사이에서 조정 또는 협력을 구현하는 데 필요한 중간 계층에 접근하는 자유도를 제공하지 않기 때문이다. 사용 가능한 무선 모듈을 사용해 이러한 구현을 실현하려면 외부의 표준화된 인터페이스가 요구된다. 

 

이러한 시스템을 구현하려면 먼저 설계가 필요하다. 소프트웨어 정의 무선(SDR)를 사용하는 무선 송신기 및 수신기 설계는 모든 단계에서 디지털 데이터에 액세스하고 처리하는 데 완전한 자유도를 제공한다. 

 

ADI RadioVerse 포트폴리오는 RF를 비트로, 비트를 RF로 변환하는 많은 광대역 무선 트랜시버를 포함한다. 이러한 RF 대역과 베이스밴드 사이의 신호 변환은 제로 중간 주파수(ZIF) 아키텍처를 기반으로 한다.

 

기본적으로 이 구조는 모든 회로가 훨씬 좁은 대역폭에서 동작하기에 직접 RF 샘플링에 기반한 변환에 비해 전력 소모가 훨씬 적다. 이뿐 아니라 이 아키텍처는 ZIF가 송신기와 수신기 모두에서 필터링 요건들을 완화하므로 훨씬 단순하고 저렴하게 RF 프런트 엔드를 구현할 수 있다. 

 

ADRV9026은 RadioVerse 포트폴리오를 듀얼 밴드 SDR 차원에서 확장한 최신 단일 칩, 완전 통합 RF IC다. 각각 4개씩의 송신 채널과 수신 채널이 있어 75MHz~6GHz 사이의 어떤 캐리어 주파수도 송수신하도록 독립적으로 프로그래밍하고 제어할 수 있다. 

 

수신 대역폭은 최대 200MHz이며, 송신기 합성 대역폭은 최대 450MHz이다. 또한, 각각 최대 450MHz 대역폭을 갖는 온칩 관측 경로가 제공돼 고전력 전송 시나리오에서 전력 증폭기의 선형화를 지원한다. 그림 5는 이 트랜시버의 전체 기능을 나타낸 블록 다이어그램이다. 

 

 

ADRV9026은 향상된 국부 발진기(LO) 아키텍처를 사용해 6GHz 미만의 여러 주파수 대역에서 동시에 송수신할 수 있다. 그림 6은 단일 RF IC ADRV9026을 사용해 서로 다른 대역 또는 서로 다른 무선 접속에서 동시 송수신하는 사례를 나타낸 것이다. 여기서는 세 가지 대역의 조합만 선택했다.

 

ADRV9026은 75MHz~6GHz 사이의 어느 대역에서나 수행하는 것이 특징이다. ADRV9026에는 4개의 독립적인 RF 채널이 있기에 각각의 개별적인 대역 또는 기술에 대해 2 × 2 MIMO 기능도 실현한다. ADRV9026을 사용하면 이득을 몇 배로 올린다. 

 

 

⦁ C-V2X 내에서 모든 대역을 유연하게 선택하며, 이러한 유연성은 추가적인 인증 비용 없이 제공된다.

 

⦁ 여러 RAT를 협력해 사용하려면 더 높은 동기화가 필요하다. ADRV9026을 사용하면 하나의 RF IC로 두 개의 대역을 제어할 수 있으므로 이러한 동기화를 더 간단히 달성한다. 

 

⦁ ADRV9026을 사용하면 RF-비트 변환을 안테나와 가까운 경로에서 수행한다. 이렇게 하면 5.9GHz V2X 대역에서 상당히 높은 동축 케이블의 RF 신호 손실을 피할 수 있다. 

 

⦁ RF 성능에서 ADRV9026은 무선 기지국 요구사항을 충족한다. 기존 무선 모듈은 최종 사용자 장치를 위해 개발된 ASIC을 기반으로 한다. 따라서 ADRV9026은 더 높은 RF 성능을 제공하며, 이는 더 낮은 지연과 더 높은 신뢰성, 더 높은 QoS를 의미한다. 이 모든 지표들은 더 높은 데이터 속도와 무선 전송 쓰루풋을 제공하며, 이는 높은 안정성과 함께 향상된 운전 및 탑승 경험으로 이어진다. 

 

⦁ 더 높은 데이터 속도와 더 낮은 지연을 통해 운전자 또는 자율주행 시스템에 더 짧은 반응 시간을 제공하므로 안전 관련 활용 사례가 보다 잘 지원된다. 예를 들어 비면허·전용 무선 자원이 혼잡 제한에 도달하는 교통량이 많은 시나리오에서는 협력·조정 시스템이 독립형 또는 단일 접속 시스템보다 높은 신뢰성과 우수한 안전 표준을 제공한다. 

 

따라서 인지 지능 및 단일 RF IC 지원과 함께 협력적이고 조정된 구현을 통해 V2X 활용 사례의 요건을 충족하는 것이 필수적이다. 아나로그디바이스는 ADRV9026과 같은 단일 디바이스 상에서 이를 달성하는 기술을 보유하고 있다. 

 

결론

 

지금까지 자율 주행차를 구현하는 핵심 요소인 V2X 통신의 현재 개발 동향을 살펴봤다. V2X 통신에는 V2X 서비스의 주요 요건들을 충족하기 위해 서로 보완할 수 있는 두 가지 무선 기술이 있다. 이는 C-V2X와 DSRC·ITS-G5로서 면허 및 비면허 대역에서 운용된다. 조정 및 협력적인 V2X 시스템을 실현하기 위한 다른 옵션들도 있다. 

 

아나로그디바이스는 더 높은 RF 성능, 더 낮은 지연, 더 높은 데이터 속도, 그리고 더 높은 신뢰성으로 듀얼 밴드 및 듀얼 무선 표준을 지원하는 기술을 갖추고 있다. 두 가지 다른 무선 대역에서 두 가지 V2X 기술에 동시에 무선 접속을 제공하는 이 RF IC를 사용해 어떻게 V2X 통신 장치를 설계하는지 알아봤다. 




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