V2X 같은 차량 네트워킹 애플리케이션을 위해서는 지연시간, 데이터 레이트, 신뢰성, 통신 거리에 대한 엄격한 QoS(서비스 품질) 요구를 충족해야 한다. 이 글에서는 5G가 어떻게 V2X 애플리케이션을 가능하게 하는지 알아본다. V2X 애플리케이션으로 5G를 사용해서 현행 DSRC(단거리 전용 통신)로 할 수 없는 것들이 가능해질 것이다.



V2X(vehicle-to-everything) 기술이 자동차의 새로운 미래를 열 것으로 기대된다. 도로 상에서 자동차와 자동차 사이의 통신(V2V)과 자동차와 신호등이나 횡단보도 같은 교통 인프라 사이의 통신(V2I)이 자동차 안전을 크게 향상시키고 교통 혼잡을 완화하도록 할 것이다. 더 나아가서 V2X는 5G를 사용해서 자동차, 보행자, 교통 카메라/센서 같은 모든 것들과 신호를 교환함으로써 운전을 더 안전하고 편리하게 하도록 할 것이다.

그러면 V2X 애플리케이션으로 5G가 어떻게 현행 DSRC 시스템보다 더 우수한 커넥티비티와 더 낮은 지연시간으로 새로운 것들을 가능하게 하는지 알아보자.

기술의 진보

V2X와 5G가 다른 자동차가 접근하는 것이나 스쿨존/횡단보도 같은 것들을 알려줌으로써 도로 안전을 높이도록 할 것이다. 스쿨 버스가 학생들이 도로를 건너는 것을 주변 차들로 알려줄 수 있으며, 배달 트럭이 혼잡한 도로 위에서 차선을 막고 있는 것을 주변으로 알려줄 수 있다. 교통 사고나 교통 혼잡에 관한 정보를 실시간으로 전송할 수 있다.

돌발 차량이나 불안한 속도로 움직이는 차가 있을 때 주변의 보행자들에게 휴대전화로 알려줄 수 있다. 빨간 불이 끝나고 교차로로 질주하는 차가 있을 때 교차로로 들어서려고 하는 보행자에게 큰 소리로 경보음을 내서 알려줄 수 있다.
 
C-V2X(cellular-vehicle-to-everything)는 셀룰러에 기반한 V2X로서, 카메라, 레이더, 라이다 같은 LoS(가시 경로) 센서를 보완할 수 있다. 이것은 안전한 자율 운전을 위해서 특히 중요하다. C-V2X는 LoS 센서보다 더 넓은 거리를 커버할 수 있으며, 자동차가 다른 커넥티드 디바이스들과 통신할 수 있는 토대를 제공한다.

V2X뿐만이 아니고, 5G는 자동차-대-인프라(V2I), 자동차-대-네트워크(V2N), 자동차-대-자동차(V2V), 자동차-대-보행자(V2P)나 자전거 같은 여타의 취약한 도로 사용자, 자동차-대-디바이스(V2D), 전기차 전원 공급을 위한 자동차-대-전력망(V2G) 통신을 가능하게 한다.

DSRC와 C-V2X를 활용한 안전 향상

자율 자동차는 자동차 안전을 위해서 고속 통신 프로토콜로서 DSRC와 C-V2X를 사용한다. 이 두 프로토콜은 극히 높은 속도로 동작함으로써 낮은 지연시간으로 고주파수로 데이터 교환을 가능하게 한다. DSRC는 5850MHz~5925MHz 대역으로 6Mbps~26Mbps 데이터 레이트로 동작하고, C-V2X는 26Mbps(RX) 최대에 26Mbps(TX)이다. DSRC와 C-V2X가 자동차 위치, 속도, 가속도 같은 것들을 브로드캐스트하고 다른 신호들이 들어오는 것을 받는다.

모든 거리로 안전하고 신뢰할 수 있는 통신

5G는 C-V2X로 사이드링크(sidelink)기능을 도입해서 군집 주행, 운전 보조, 확장 센서, 원격 운전 같은 애플리케이션을 가능하게 한다. 응급 상황에서 비상제동이나 충돌 방지를 위해서 짧은 지연시간과 높은 신뢰성을 요구한다. C-V2X의 전송 지연시간은 4ms를 넘지 않으며 구현에 따라서 이보다 더 빠를 수 있다.
 
V2X 구축의 초기에 DSRC로 전송되는 트래픽은 대부분이 주기적으로 메시지를 브로드캐스트해서 각기 차가 자신의 상태와 움직임을 알려줄 것이다.

교통이 혼잡한 지역에서는 이용 가능한 채널 자원이 포화 상태에 이르고 패킷 손실이 증가할 수 있다. 그러면 운전자를 위험하게 할 수 있다. 혼잡 제어 알고리즘을 사용해서 이러한 조건들이 임계점에 도달하기 전에 특정한 파라미터들을 조절할 수 있다. C-V2X 사이드링크는 물리 층에서 거리를 하나의 차원으로 도입한 최초의 무선 시스템으로서, LoS와 비-LoS 구현 모두로 일관된 통신 거리를 가능하게 한다.

V2X 통신의 보안/프라이버시 문제

LTE 기반의 V2X 통신이 높은 용량, 넓은 셀 커버리지, 널리 구축된 인프라를 사용해서 다양한 차량 통신 서비스를 지원하고 있다. 3GPP와 Qualcomm 같은 기관들이 5G 기반의 V2X 서비스에 대비해서 로드맵을 개발하고 있다.

3GPP에서 정의하고 있는 보안으로는 기밀성, 무결성, 정식성, 리플레이 공격에 대한 방어 능력을 포함한다. 여기에 더해서 보안적인 자율 군집 주행, 신뢰할 수 있는 협력 주행, 효율적이면서 프라이버시를 보호하는 차량 빅 데이터 공유 및 처리 같은 것들을 위해서 프라이버시나 보안과 관련한 새로운 과제들을 해결해야 할 것이다.

V2X 애플리케이션은 지속적으로 상세한 위치 정보에 의존하므로 프라이버시 문제를 야기할 수 있다. 개인 소유 차량으로 위치 추적은 운전자의 동선이나 활동을 드러낼 수 있다. 악의적인 공격자가 V2X 사용자 위치 정보를 유포함으로써 차량 소유주나 렌터카 사용자 등에게 프라이버시 문제로 이어질 수 있다.

그 밖의 V2X 애플리케이션으로서 차량간 통신, 좌회전 및 우회전 보조, 응급제동 경고, 교차로에서 향상된 맥락 인식을 들 수 있다. Waze 개념을 확장해서 교통 혼잡에 따라서 속도를 제어하거나 속도 조절을 제안할 수 있으며 차선폐쇄나 도로 공사 같은 실시간 정보에 따라서 GPS 지도를 업데이트할 수 있다. 소프트웨어 기반 시스템이 점점 늘어나고 있는 자동차로 지도 업데이트에서부터 버그 교정과 보안 업데이트에 이르기까지 OTA(over-the-air) 소프트웨어 업데이트를 위해서도 V2X가 중요한 역할을 한다.

V2X 메시지 보호/보안

V2X 통신은 안전이나 프라이버시 문제를 일으킬 수 있는 위조나 도용으로부터 메시지를 보호하기 위해서 엄격한 보안을 필요로 한다. 보안 기법의 하나로서 메시지로 공용 키 인증서를 사용해서 허가되지 않은 당사자가 데이터 교환에 끼어들지 못하도록 방어하고 통신을 보안적으로 익명화할 수 있다.

공용 키 인프라(PKI)는 디지털 보안 인증서를 생성하고, 관리하고, 사용하고, 저장하고, 폐기하기 위한 정책과 절차들로 이루어진다. PKI를 사용해서 전자 정보 전송을 보안적으로 할 수 있으며, 인증 수단으로서 단지 패스워드만이 아니라 좀더 엄격한 신원 확인을 요구한다.

견고한 V2X 성능을 달성하기 위한 테스트 실시

다양한 실제 시나리오로 V2X 통신의 성능을 평가하는 것의 중요성 또한 간과할 수 없다. 운전자, 탑승자, 보행자의 안전을 지키기 위해서는 구축에 앞서 테스트가 필요하다. 일차적으로 시험실 차원의 시험을 실시해서 주요 가정들을 검증하고 예기치 않은 상황들을 테스트해야 한다.

이러한 테스트로서 5GAA가 V2X 성능 및 기능 테스트를 실시하고 V2X 기능 및 성능 테스트 보고서를 발표했다. 이 테스트에서는 시험실 환경에서 고도로 혼잡한 시나리오로 C-V2X 기술을 테스트했다. 이러한 혼잡한 시나리오로도 C-V2X의 지연시간이 이 시나리오로 지정된 100ms 지연시간 한계 이내로 유지되었다. 이 테스트에서는 다음과 같은 점들을 알 수 있었다

- 20MHz CH183으로 C-V2X 통신이 10MHz CH184로 BSM 전송과 동일한 신뢰성(거리 대비 패킷 수신 비율) 수준이다.
- CH183으로 C-V2X의 고부하 전송이 CH172로 DSRC의 기본 안전 전송에 미치는 영향이 LoS 조건으로 1.4킬로미터까지 무시할 만하다.
- CH183으로 C-V2X의 고부하 전송이 CH178로 V2I 및 I2V 전송에 미치는 영향이 LoS 조건으로 1.4킬로미터까지 무시할 만하다.
- CH183으로 C-V2X의 고부하 전송이 CH180으로 V2I 및 I2V 전송에 미치는 영향이 LoS 조건으로 1킬로미터까지 무시할 만하다.

최근에 5GAA가 FCC(연방 통신 위원회)에 C-V2X 구축에 대해서 의무 면제를 청원한 것을 뒷받침하기 위해서 Ford와 Qualcomm이 추가적인 필드 테스트를 실시했다. 이 테스트에서도 C-V2X가 잘 작동하는 것으로 나타났다. 특히 LoS 조건으로 우수했다.

5GAA에 따르면 C-V2X가 상업적으로 출시된 칩셋을 사용해서 구축할 수 있는 준비가 된 것으로 보인다. 5GAA가 관련 표준 기관들과 협력해서 5G V2X의 표준 요건을 정의하고 성공적인 V2X 생태계를 조성하고자 노력하고 있다.

맺음말

V2X는 많은 가능성을 품고 있으나 아직 태동기에 있다. 이 기술이 충분히 성숙하기까지는 시일이 걸릴 것이다. 현재 대부분의 교통 시스템은 V2X가 가능하지 않으나, 앞으로 이러한 시스템이 점점 늘어남에 따라서 예를 들어서 교통이 마비되는 상황을 막기 위해서 교통 시스템이 필요에 따라서 신호등 타이밍을 조절할 수 있을 것이다.

앞으로 20년 안에 V2X 기술이 빠른 속도로 진보할 것이다. 고급형 차량을 위주로 많은 신차들에 이미 특정한 형태의 V2X 기술이 사용되고 있다. 고급형 차량에 먼저 도입되었던 많은 것들(가죽 의자, 선루프, 크루즈 제어 등)이 나중에 모든 차종으로 보편화되었다.

자율 자동차를 위해서는 차가 자신의 주변을 감지하고 적절히 대응할 수 있어야 하는데, 이를 위해서 중요한 역할을 하는 것이 V2X 커넥티비티이다. 차가 자신의 주변에 대해서 더 많은 정보를 얻을수록 의사결정을 더 잘 할 수 있다. 5G가 미래의 자동차로 휴대전화와 내비게이션에서부터 교통 신호등에 이르기까지 모든 것을 연결할 수 있도록 할 것이다.