[기고] 미래 자동차를 위한 5G-V2X와 DSRC용 첨단 커넥티비티 아키텍처

[테크월드뉴스=이재민 기자] 지금까지 공개된 자동차용 무선 커넥티비티 아키텍처는 레벨2 자율주행까지는 적합할 것으로 보인다. 하지만 레벨3 이상부터는 성능 요건을 충족할 수 있을지 의문이 든다. 이 글에서는 미래 자율주행차에서 필요로 하는 커넥티비티 아키텍처를 제안한다. 새로운 아키텍처는 SDR(software-defined radio)에 기반한 RRH(remote radio head) 개념을 적용했다. 이 아키텍처는 미래 활용 측면에서 성능 요구를 충족하며, 특정 서비스 측면에서는 여러 무선 액세스 지원을 쉽게 해 신뢰성을 높여준다.

커넥티드 카에 필요한 무선 커넥티비티 아키텍처 서비스 중 대다수는 양방향 통신을 사용한다. 또 신뢰성과 서비스 품질을 높이기 위해 다중과 하이브리드 무선 통신 표준과 여러 주파수 대역을 사용한다. 차량의 커넥티비티를 위해 다중 대역과 여러 무선 표준을 지원하도록 RF 시스템을 설계하는 건 만만한 작업이 아니다.

이 글은 기존 RF 접근법을 사용해 차량용 커넥티비티 유닛을 설계할 때 해결해야 할 과제들에 대해 설명한다. 다음으로는 이런 한계들을 극복할 수 있는 새로운 아키텍처를 제안한다.

커넥티드 카에 사용되는 무선 시스템과 기술

첨단 자동차에 인포테인먼트와 내비게이션, 통신, 방송 같은 서비스를 제공하기 위해서는 무선 액세스 시스템이 필요하다. 이런 서비스를 제공하기 위해 사용하는 RF 스펙트럼은 90㎒(라디오 방송)부터 5.9㎓(V2X와 와이파이)에 이르기까지 매우 넓다. 미래의 시스템들은 밀리미터파 주파수를 사용할 것이다. 예를 들면 5G 밀리미터파는 24~29㎓까지다. [그림 1]은 인포테인먼트와 내비게이션, 통신, 방송 서비스들을 제공하기 위한 다양한 무선 시스템을 보여준다.

상용 무선 커넥티비티 유닛은 애플리케이션 공간과 무선 시스템 간 인터페이스를 제공한다. 다음은 이런 무선 시스템의 기능과 주파수 대역에 대한 설명이다.

·GNSS/GPS: 위치 서비스와 위치추적 정보를 제공한다. 동기화를 위해 다른 무선 시스템에 이 서비스를 제공하기도 한다. 지역에 따라 여러 표준들이 존재하며 할당된 주파수 대역은 1176~1602 ㎒다.

·셀룰러 2G, 3G, 4G, 5G: 음성과 데이터 서비스에 사용된다. 텔레매틱스와 인포테인먼트, OTA(over-the-air) 업데이트, V2X 통신 같은 서비스를 예로 들 수 있다. 300㎒~5.9㎓ 범위에서 매우 많은 셀룰러 대역과 채널들로 이뤄져 있다.

·와이파이: OTA 업데이트와 진단, 데이터 다운로드 같은 다양한 애플리케이션에 사용된다. 지역마다 대역과 채널 할당이 다를 수 있다. 대부분이 2.4㎓와 5.8㎓ 대역을 사용한다. 일본에서는 5㎓ 대역에 일부 채널을 할당한다.

·ITS-G5/DSRC: V2X 통신용으로 전 세계 대부분 국가들이 5.9㎓ 대역에서 70㎒ 스펙트럼을 할당한다.

·라디오 방송: 90~240㎒ 범위에서 국가마다 채널과 주파수 할당 대역이 다를 수 있다. 방송 시스템은 무선 커넥티비티 유닛을 사용할 수 있으나 대부분은 통신 시스템과 별도로 구현된다.

전통적인 RF 시스템 구현

차량에 무선 시스템들이 추가되면서 자동차는 이제 바퀴 달린 스마트폰으로 진화하고 있다. 하지만 스마트폰과 차량용 사용자 장비(UE)는 기능 구현에서 큰 차이가 있다. 예를 들어 자동차에 4G 셀룰러 시스템을 구현한다고 가정해 보자. [그림 2]의 (a)에서는 차체 외부 지붕 위에 4G 대역용 광대역 안테나가 설치된 것이 보인다. 이 안테나는 동축 송신 라인 케이블에 연결되고, 이 케이블은 자동차 안에서 4G 모듈을 탑재한 제어 유닛에 연결된다.

수신기 RF 경로의 RF 프런트 엔드(RFFE)를 보면 대역을 필터링한 후 잡음 지수(NF)가 극히 낮고 이득이 높은 저잡음 증폭기(LNA)를 사용해 RF 신호를 증폭한다. 이 신호에는 케이블로 인해 발생한 잡음이 포함된다. 여러 단계 증폭을 거쳐 이 신호를 4G 모듈로 보내고, 여기서 베이스밴드와 상위 수준 프로세싱을 실시한다. 4G 프로토콜 스택을 거친 후에는 데이터를 애플리케이션 프로세서로 보낸다.

아키텍처에 RF 분석을 해보면 전반적인 RF 체인이 잡음 성능이 좋지 않다는 것을 알 수 있다. 동축 케이블이 LNA보다 NF가 더 높으며, 신호 손실은 케이블 주파수와 길이에 비례한다. 잡음 캐스케이드 분석을 통해 전체적인 RF 체인의 NF가 이 신호 체인의 첫 번째 소자 NF에 의해 심하게 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 비용을 낮추고 무게를 줄이기 위해 통상적으로 더 가벼운 케이블을 사용하는 경향이 있는데, 그러면 RF 문제는 더 악화된다. RF 프런트 엔드를 안테나에 가깝게 배치하면 전반적인 잡음 성능을 향상시킬 수는 있으나, 동축 케이블로 인한 영향은 여전할 것이다.

[그림 2]의 (b)는 다른 무선 시스템들이 어떻게 구현되는지를 보여준다. 그림을 보면 각각의 안테나를 연결하기 위해 얼마나 많은 동축 케이블이 사용되고 있으며, 각 시스템에서 얼마나 많은 RF 신호 손실(dBm 단위의 감쇠)이 발생할지 짐작할 수 있다. 특정 시스템에 다중 안테나를 사용한다면 이 손실은 더욱 커질 것이다.

뿐만 아니라 다중 안테나에서 신호들 간의 동기화를 달성하고 동축 케이블을 사용해 이들을 연결하기가 그리 쉽지는 않을 것이다. 또 5G 밀리미터파 주파수(24~29㎓까지)에서는 동축 케이블에서의 RF 신호 손실이 서브-6㎓ 주파수보다 높아질 것이다.

RRH를 적용한 자동차 커넥티비티 아키텍처

RRH는 통신 기지국에서 동축 트랜스미션 라인 케이블로 인한 문제들을 극복하기 위해 널리 사용되고 있다. RRH의 핵심은 RF 신호 대신 디지털 신호를 전송하는 것이다. 이를 위해 RFFE와 트랜시버(RF IC)를 안테나 가까이로 옮긴다. RF 신호를 디지털 I/Q 비트로 변환하고 이것을 고속 디지털 데이터 링크를 사용해 전송한다. 이후 범용 베이스밴드 프로세싱 풀에서 디지털 데이터를 추가적으로 처리한다.

아나로그디바이스(ADI)가 제안하는 아키텍처는 이런 RF 아키텍처를 자동차에서도 활용할 수 있겠다는 생각에서 비롯된 것이다. [그림 3]은 ADI가 제안하는 미래 커넥티비티 아키텍처를 보여준다. 이 아키텍처는 동축 케이블을 고속 링크로 대체한다. 또 RF를 비트로 변환하고 비트를 RF로 변환하는 RF IC를 사용해 RF 신호를 디지털 I/Q 샘플로 변환한다.

이 과정 후 기가비트 이더넷 같은 디지털 링크를 통해 RF IC와 베이스밴드 프로세서 사이에 비트를 전송하고 애플리케이션 프로세서가 추가적인 프로세싱을 처리한다. 이 프로세서는 무선 커넥티비티 유닛 또는 중앙 컴퓨팅 플랫폼에 탑재할 수 있다. 자동차에서 컴퓨팅 자원 사용과 중앙집중식 컴퓨팅이 빠르게 늘어나고 있어 미래 커넥티비티 아키텍처는 미래 자동차의 컴퓨팅 아키텍처 트렌드와 잘 맞는다.

RF-대-비트 기능을 안테나 가까이로 옮기는 것만으로도 두 가지 측면에서 장점이 생긴다. 첫째, RF 신호 손실을 방지하기 위해 안테나 가까이에서 최소한으로 필요한 변환만 하면 된다. 안테나 가까이에서는 공간과 전력이 이미 제한적이다. 둘째, 데이터 레이트 측면에서 디지털 고속 링크에 대한 요구를 완화할 수 있다.

RRH와 SDR에 기반한 V2X 구현

다중대역 RF IC를 활용하면 RRH 아키텍처의 이점을 최대한 실현할 수 있다. V2X 통신 서비스는 이 조합을 활용하기 적합한 사례다. V2X 서비스는 DSRC/ITS-G5(IEEE 802.11p)와 4G-LTE나 5G에 상관없이 셀룰러 기술(C-V2X) 같은 무선 액세스 기술을 사용할 수 있다. 두 기술을 결합하면 요구되는 신뢰성과 안전성을 달성할 수 있다.

ADI가 새롭게 출시한 RF IC인 ADRV9026을 사용하면 단일칩 다중대역 V2X 시스템을 설계할 수 있다. [그림 4]에서는 ADRV9026을 RRH에 어떻게 통합할 수 있는지 보여준다. RRH를 차 지붕 위 안테나 박스에 탑재하면 RRH는 각각 4개의 송신과 수신 채널을 제공하며, 베이스밴드 프로세서로 최대 4개의 디지털 데이터 경로를 제공한다.

ADRV9026은 향상된 로컬 오실레이터 아키텍처를 사용해 서브-6㎓ 다중 주파수 대역에서 동시에 송·수신할 수 있다. V2X 무선 액세스 관리(WAM) 기능을 사용하면 무선 액세스 기술은 5.9㎓ 대역에 V2X 서비스용으로 할당된 70㎒를 효율적으로 공유할 수 있다.

향후 중앙집중식 컴퓨팅을 점점 더 많이 사용할 것으로 예상된다. 따라서 베이스밴드 프로세싱과 모뎀 프로토콜 스택, 애플리케이션 프로세싱 같은 것들을 중앙 플랫폼에 구현할 수 있다. ADRV9026은 시리얼 데이터 전송·수신과 관련해 JESD204B와 JESD204C 프로토콜을 충족한다. 기성품 케이블을 사용할 수 있으며 최대 1m 거리까지 10Gbps를 전송할 수 있다. 더 높은 수준의 유연성과 데이터 레이트가 필요하면 어떤 프로세싱 하드웨어를 사용하든 JESD 기반 시리얼 데이터를 기가비트 이더넷이나 PCIe 같은 적합한 포맷으로 변환할 수 있다.

[그림 4]는 DSRC V2X와 5G 셀룰러 각각에 2개씩의 송신 채널과 수신 채널을 할당하고 있다. 5G는 이들 2개 채널을 사용해 셀룰러 V2X 서비스 같은 모든 5G 통신을 할 수 있다. 또 2개 채널을 사용해 2x2 MIMO 시나리오를 구현할 수도 있다. 현재 아키텍처와 달리 커넥티비티 아키텍처는 각각의 무선 표준을 위한 모뎀을 중앙 컴퓨팅 플랫폼에서 구현한다. 소프트웨어 모뎀을 사용해 무선 표준의 I/Q 샘플을 처리한다. 현재의 아키텍처로는 이 같은 변화를 도입하기가 무척 까다로울 것이다. 하지만 소프트웨어화와 가상화를 사용할 수 있게 됨에 따라 미래 자동차에서는 이런 변화가 빨라질 것이다.

오늘날 자동차 커넥티비티 아키텍처는 각각의 무선 시스템이 안테나와 케이블, RF 프로세싱 하드웨어, 소프트웨어 프로세싱 하드웨어를 개별적으로 설치해 구현된다. 이를 정성 분석을 통해 살펴보면 서비스 성능 면에서 불리한 점들이 있다. 그래서 이 글에서는 차량용 커넥티비티로 RRH 컨셉트와 듀얼 밴드 RF IC를 활용하는 새로운 아키텍처를 제안했다. 이 아키텍처는 다음과 같은 이점을 제공한다.

·동축 케이블 사용을 줄여 RF 성능과 무선 링크 신뢰성 향상

·미래 자동차 소프트웨어 아키텍처와 부합

·소프트웨어 업데이트를 통해 새로운 기능 추가

·단일 RF IC를 사용해 다중 표준 지원 가능

·향상된 서비스 품질 보장

·다중 무선 표준을 사용하는 서비스로 성능 향상

·미래 자동차에 5G 밀리미터파 같은 새로운 무선 표준을 손쉽게 구현 가능

자율 주행 시나리오에 요구되는 커넥티비티 아키텍처는 더 높은 성능을 달성하면서 여러 무선 시스템을 공통 하드웨어를 이용해 손쉽게 구현할 수 있는 가능성을 제공한다. V2X 서비스는 군집 주행이나 원격 제어 운전 같은 자율 주행 사례에서 필수적인 역할을 하며, 두 활용 사례 모두 무선 커넥티비티에 높은 신뢰성을 요구한다. ADI가 제안하는 아키텍처는 바로 이런 요건들을 충족한다.

글 : 대니쉬 아지즈(Danish Aziz) FAE, 피온 헐리(Fionn Hurley) 마케팅 매니저,
크리스 봄(Chris Bohm) 시스템 및 소프트웨어 엔지니어링 매니저

자료제공 : 아나로그디바이스(www.analog.com)