[테크월드=선연수 기자] 자동차 제조사와 규제 당국이 커넥티드카(Connected Car) 도입을 위해 거리를 좁혀가는 가운데, 도시와 도로의 소유 당국은 안전한 스마트 교통 통신을 구축하기 위해 의욕을 불태우고 있다. 이때 도로 안전성을 보장하기 위해서는 실용적인 고성능 무선 기술을 사용하는 것을 전제 조건으로 해야 한다.
C-V2X는 차량간 통신(V2V), 차량과 보행자 간 통신(V2P), 차량-인프라 간 통신(V2I)을 모두 포괄하는 개념이다. 이는 무선 기술, 자동차 안전, 교통 효율성 등에서 축적된 다년간의 연구와 표준화 작업에 기반한다. 직접적인 통신 모드를 일컫는 사이드링크(Sidelink) 기술을 통해, 차량·도로변장치(RSU, Roadside Unit)가 상호 신뢰를 바탕으로 셀룰러 네트워크 없이도 직접적으로 통신 교류할 수 있도록 지원한다.
도로 안전성을 위한 표준과 테스트
전 세계 시장을 리드하는 자동차 제조사는 C-V2X 사이드링크의 장점을 인지하고 전 세계 다양한 NCAP(신규 차량 평가 프로그램)에 우수한 안전성을 지닌 C-V2X 기술 적용에 대해 검토 중이다.
중국은 C-V2X 기술을 차량과 인프라에 대규모로 적용하기 위해 발 빠르게 움직이고 이미 C-V2X 장착 승용차를 시판하고 있으며, 유럽은 ETSI(European Telecommunication Standardization Institute)가 개발한 지능형 교통시스템(ITS, Intelligent Transportation System)을 위한 액세스 계층 기술(Access layer technology)로 C-V2X를 활용하기 위해 신규 유럽 표준(EN, European Norm)을 제정했다. 한편, 미국에서는 연방통신위원회(FCC, Federal Communications Commission)의 주도로 5.9GHz ITS 주파수 대역의 30MHz를 C-V2X의 기본 안전 애플리케이션용으로 할당하는 등 초기 기술 구축이 시작됐다.
도로 안전을 끌어올리는 것은 자동차 업계 내 모든 혁신을 주도하는 기본 요건이다. 높은 신뢰성, 시의적절한 무선 성능은 도로상에서 구현되는 모든 솔루션을 위해, 엄격한 기준을 적용해야만 하는 타협 불가한 영역이다. 35년간 무선통신의 혁신을 주도해온 퀄컴(Qualcomm)은 3GPP 표준 규정을 위해 노력해왔으며 자동차 업계에는 20년간 최신 텔레매틱스 솔루션을 제공해왔다.
퀄컴은 5GAA와도 협력해 IEEE 802.11p(미국 내 DSRC와 유럽 내 ITS-G5) 기반 DSRC와 3GPP 릴리즈 14(사이드링크)의 일환인 C-V2X라는 두 가지 무선 기술을 비교하기 위해, 광범위하고 객관적인 테스트를 진행했다. 지난 10년간 두 무선 기술을 평가하기 위해 CAMP(Crash Avoidance Metrics Partners)에서는 다양한 시점을 기준으로 기능과 성능 테스트가 시행됐다.
현장 테스트는 세밀한 모니터링과 함께 이상적인 상황과 그렇지 않은 조건 등 다양한 환경에서 진행됐다. 기본 안전 메시지 전송 테스트에는 193바이트 패킷이 사용돼 ITS 대역(채널 184)의 10MHz 대역폭이 활용됐다. 5GAA의 테스트 보고서는 테스트 환경 설정, 조건, 매개변수, 결과를 세부적으로 공개하고 있다.
우리가 눈여겨 봐야 할 부분은 주요 신뢰도, 링크 마진 성능 매트릭스 등을 종합한 C-V2X와 DSRC의 성능 비교다. C-V2X는 DSRC 대비 우수한 성능과 신뢰도를 명백히 증명해 보였다. 해당 테스트는 비가시선(NLOS, Non-Line-Of-Sight) 상태에서 정물(靜物)과 동물(動物)의 방해와 배경 잡음 신호, 그 외 간섭 등 현실 교통 상황을 반영하도록 설계됐다. C-V2X는 DSRC와 상당한 격차(링크 마진)를 보였으며, 이는 드라이버와 도로 환경에 취약한 사용자(VRU, Vulnerable Road User)를 더 안전하게 보호할 수 있도록 돕는다.
신뢰도와 링크 마진
송수신 차량 간 통신 신뢰도 평가 테스트를 다양한 신호 강도에서 배경 잡음 유무를 기준으로 경로 손실을 측정해 시행한 결과, C-V2X는 DSRC를 현격한 차이로 앞서며 높은 신뢰도를 지닌 것으로 나타났다. 실제 도로에서 빌딩, 언덕, 그 외 다른 장애물은 전파 사각지대이거나 신호 강도가 매우 약한 지역으로 나타난다. 예를 들어, 자동차가 ‘지나가지 마시오(DNPW, Do Not Pass Warning)’라는 신호를 언덕길에 있는 다른 차량에 송신할 경우, 약한 신호 세기는 차량이 제때 신호를 수신하는 데 영향을 미쳐 충돌을 야기할 수 있다. 그러나 C-V2X는 우수한 링크 성능에 바탕해 약한 신호 세기를 보완해준다. 이는 DSRC가 할 수 없는 영역이다.
C-V2X 사이드링크는 높은 신뢰도를 제공하기 위해 동일한 데이터 패킷이 다른 코딩으로 전송되는 블라인드 하이브리드 자동 재송 요구(HARQ, Hybrid Automatic Repeat Request)를 사용한다. 수신 차량은 상황에 따라 다중 전송 메시지를 모두 사용해 원본 메시지를 재구성할 수 있다. DSRC는 HARQ를 사용하지 않는 반면, C-V2X 사이드링크는 DSRC 대비 최대 10dBm에 이르는 링크 버짓(Link budget)을 가진다. 더 좁은 대역폭을 사용하는 C-V2X가 시스템 용량 손실 없이도 하위 채널을 다른 전송 신호와 공유한다는 점은 주목할 만하다. C-V2X는 DSRC에 비해 최대 2배 높은 링크 버짓을 제공하는 셈이다.
경로 손실이나 채널에 소음이 있을 경우, C-V2X는 더욱 빛을 발한다. 더욱이 현실 세계는 비가시선(NLOS) 조건으로 구성되는 경우가 많다. 현재 라이다(LiDAR) 시스템, 카메라 센서와 같이 차내에 장착된 센서들이 비가시선(NLOS) 조건에서 제대로 작동하지 않기 때문에 C-V2X 사이드링크의 이점이 상당히 중요하다.
약한 신호를 얼마나 잘 수신할 수 있을까?
DSRC와 달리 C-V2X 상에서는 채널을 동시에 공유할 수 있다. 근접한 하위 채널을 통해 신호를 동시에 전송할 수 있는 것이다. 그러나 일부 우려의 측면도 있다. C-V2X 기술이 적용된 수신 차량이 높은 빌딩, 나무, 다른 차량, 근접한 하위 채널에서 발생하는 더 강한 신호에 방해받아 약해진 신호를 감지하는 데 애를 먹을 수 있다는 점이다.
퀄컴은 C-V2X 기술을 탑재한 차량이 근접한 하위 채널을 통해, 다른 2대의 차량이 서로 다른 전력의 신호 세기에서 송신하는 기본 안전 메시지 신호를 얼마나 잘 수용하는지 알아보기 위해 테스트를 진행했다. 이는 ITS 주파수 10MHz 대역폭 이상에서 이뤄졌다.
첫 번째 차량은 주파수 자원의 전반부를 사용해 대략 1ms 응답속도로 신호를 송신하고 두 번째 차량은 주파수 자원의 후반부를 사용해 100ms 응답속도로 신호를 보냈다. 수신 차량은 ITS 주파수의 10MHz 대역폭에서 신호를 수신하도록 구성됐다. 시험 결과는 모든 실제 도로 시나리오에서 C-V2X가 테스트 중인 장치의 평균 누출률을 -35dB로 유지하면서 3GPP 릴리즈 14 표준으로 규정된 최소한의 기준을 충족한다는 것을 보여줬다.
C-V2X와 DSRC의 성능 비교
전 세계의 경제가 확장되고 성장하면서 도심 교통체증은 더 심화되고 있다. 퀄컴이 혼잡도가 높은 장소에서 C-V2X 테스트를 진행한 결과, 엔드 투 엔드 지연(End-to-end latency) 시간이 여전히 100ms 이내인 것을 확인했다. 테스트는 다양한 통신 환경 조건에서 이뤄졌고, C-V2X가 DSRC에 비해 전반적으로 1.3배에서 2.9배의 이점을 가짐을 확인했다.
[표 1]은 DSRC 대비 C-V2X가 갖는 장점을 한눈에 살펴볼 수 있다. 특히, 비가시선(NLOS) 환경에서 C-V2X에 대한 링크 버짓(Link budget)이 상당히 증가한 것을 볼 수 있다. 다시 한번 강조하자면, 비가시선(NLOS) 환경은 실제 교통 상황과 흡사한 조건이며 이 결과는 C-V2X가 2배 이상의 장점을 발휘하는 것을 의미한다. 이는 더 연결된 지능형 운송 네트워크를 지향점에 두고 안정성을 비약적으로 높일 수 있음을 말한다.
릴리즈 16으로 신뢰도 한층 Up
퀄컴은 다양한 대역의 배열에 걸쳐, 여러 가지 장치를 지원하는 연결 패브릭(Fabric)을 통합해 전 세계를 연결하는 것을 5G의 비전으로 삼고 있다. 특히, 사이드링크(Sidelink)는 퀄컴이 주목하는 혁신의 핵심 분야다. 3GPP 릴리즈 14(Release 14)의 C-V2X 사이드링크가 기본 안전 메시지를 위한 신뢰성과 성능을 제공하고 있다. 이에 3GPP 릴리즈 16+의 C-V2X 사이드링크의 확장은 퀄컴의 핵심 5G 기술에 기반해 안전성이 향상된 애플리케이션에 더 높은 처리량, 저지연성, 신뢰할 수 있는 멀티캐스트 통신을 제공한다. 릴리즈 16 기반 5G V2X 기술이 장착된 차량은 기본 안전 애플리케이션에 대해서도 릴리즈 14/15의 C-V2X 사이드링크도 지원한다.
릴리스 16은 C-V2X 사이드링크를 위한 신뢰할 수 있는 멀티캐스트 통신을 도입했다. 이는 물리적 계층에서 거리를 새로운 패러다임으로 활용하고, NACK(Negative Acknowledgement, 부정 응답)을 이용한 애플리케이션별 통신의 주요하고도 기초적인 혁신에 기반한다.
가시선(LOS)과 비가시선(NLOS) 시나리오에 대비해 거리를 치수로 변환함으로써 균일한 통신 범위를 달성할 수 있고, 그룹 구성·해체 과정에서 오버헤드가 거의 또는 전혀 없이 메시지를 교환하기 위해 그룹이 즉시 형성될 수 있다. 5G V2X의 탁월한 신뢰성, 확장된 범위, 짧은 대기 시간, 비가시선(NLOS) 기능을 통해 더 높은 차량 속도(약 500km/h)도 달성할 수 있다. 또한, 까다로운 도로·교통 조건에서도 고급 안전 활용 사례를 지원할 수 있다.
특히, 5G 릴리즈 16 사이드링크는 터널이나 주차장과 같은 열악한 GNSS 수신 환경에서 유용하게 사용할 수 있는 고급 위치 추적 기술을 갖췄다. 차량은 5G V2X 사이드링크를 통해 높은 신뢰도를 바탕으로 통신을 지속하면서 안전하게 주행할 수 있다.
결론
미국 연방통신위원회(FCC)의 제안으로 촉발된 ‘DSRC에서 C-V2X로의 전환’ 흐름은 기술이 지리 경계를 기준으로 나눠질 수 있음을 보였다. 현재 미국은 시연 허가 덕분에 도로 인프라 소유·운영 당국이 한발 빨리 C-V2X 안전 기술을 구축할 수 있게 됐다.
5G에 대한 연구와 기술 확산은 다양한 업계를 넘나들며 굉장히 빠른 속도로 이어지고 있다. C-V2X는 5G V2X로 이어지는 명확한 로드맵을 따르고 있다. 이는 자동차 제조사, 인프라 소유·운영 당국, 극도로 까다로운 생태계 속에서 경쟁 우위 확보에 열을 올리는 다른 구성원 모두에게 상당히 중요한 부분이다. 도로에 신뢰성이 갖춰진 연결성을 구축하는 한편, 안전성을 높이는 것이 가장 높은 우선순위임을 잊지 말아야 한다.
글: 짐 마이세너(Jim Misener) 퀄컴 테크날러지 제품 관리 부문 시니어 디렉터
자료제공: 퀄컴 테크날러지
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