2014 CES에서는 인공지능형 광대역 연결 자동차가 중점적으로 다뤄져 눈길을 끌었다. 이번 행사에서 주요 자동차 공급업체는 정교한 내비게이션과 인포테인먼트를 갖춘 자동차 제품을 선보였다. 이 같은 혁신을 가능하게 한 핵심 기술은 상당 부분 4G LTE라고 할 수 있다.

LTE는 동영상 위주의 통신, 내비게이션, 정보, 엔터테인먼트, 위치-기반 서비스를 지원하는 차세대 통합적 고품질의 차량 내 애플리케이션을 가능하게 할 속도와 짧은 대기시간(latency), IP 연결성(음성, 동영상, 데이터 모두 IP를 통해 전송)을 모두 겸비하고 있다. LTE 속도와 보장된 서비스 품질은 이전 세대의 셀룰러(cellular) 표준과 비교 시, 차량 계기 시스템을 획기적으로 향상해 이용할 수 있는 서비스 종류, 정교성 측면, 아울러 서비스의 품질 측면에서도 파격적인 변화를 실현할 수 있다.

아마도 가장 눈에 띄는 혁신은 가정에서 대형 HD TV에서나 경험했던 것과 같이 끊김 없으면서도 대기시간이 짧은 고해상도 다중채널 동영상 스트리밍이다. LTE는 일반적으로 자동차 소매가격 중 10%를 훨씬 밑도는 정도로 차량 내 이익률(이윤 마진)이 낮은 자동차 업계에, 자동차 제조회사로 하여금 신제품 LTE 장착 모델에 새로운 서비스를 부가하고 수익 모델을 창출할 수 있는 확실하고도 설득력 있는 길을 열어주는 셈이다.

대역의 진화

2004년 노텔(Nortel)의 필 에드홀름(Phil Edholm) 최고기술경영자(CTO)는 ‘에드홀름의 법칙(Edholm’s law)’을 처음으로 주장했다. 이 법칙은 광역 무선(cellular)과 근거리 무선(nomadic), 유선(wireline) 통신에서의 연결성 속도는 수렴적 궤도 상에 있다고 말한다. 이 법칙은 셀룰러 통신의 속도가 근거리 통신과 동등하고, 사실상 유선 연결을 완전히 대체(유선통신의 종료)할 것이며, 미래에는 위의 여러 통신라인이 하나로 통합될 것으로 예상했다.

오늘날 상용화되는 연결성 현황을 살펴보면 사무실용 이더넷은 1 ~ 10 Gbps, 가정용 케이블 서비스는 100 Mbps ~ 1 Gbps, Wi-Fi(802.11a,
b,g,n)는 300 ~ 600 Mbps, Wi-Fi(802.11ac)는 1 Gbps 범위의 속도를 확인할 수 있다.


셀룰러 측면에서는 LTE의 속도가 이미 150 Mbps(cat. 4)까지 구현됐다. 이 속도는 앞으로 2 ~ 3년 내에 이른바 ‘LTE-Advanced’가 전개됨에 따라, 업링크의 경우 최고 500 Mbps, 다운링크는 1 Gbps까지 올라갈 것이다. 이에 비해 1080p HD 영화를 스트리밍하는데 필요한 대역폭은 ‘단’ 10 ~ 20 Mbps이다. 특히 인터넷의 최고 대역폭 사용자인 다중 스트리밍 HD 동영상 채널을 지원함에 따라 오늘날 인터넷상에서 LTE를 통해 사실상 모든 서비스를 이용할 수 있다.

LTE로 구현할 수 있는 새로운 차량 애플리케이션

앞으로 2 ~ 3년 이내에 LTE로 구현할 수 있는 새로운 애플리케이션의 몇 가지 사례를 들어보겠다.

인포테인먼트/모바일 핫스팟

2014년 3월, 아우디(Audi)는 2015년형 아우디 A3에 4G LTE를 지원할 예정이라고 발표했다. Audi Connect 4G 서비스는 내비게이션을 위한 Google Earth(그림 4)와 Street View 지도 서비스를 제공하고 음성 인식 및 오디오 판독(audio read out)을 통해 구글 검색 기능과 인터넷/소셜미디어 브라우징을 지원한다. 또한 이 자동차는 최대 8개의 다른 탑승객 디바이스를 지원하는 필수적인 4G/Wi-Fi 라우터와 온라인 음악/동영상 스트리밍, 충돌 보조(collision assistance) 기능으로 모바일 인터넷 핫스팟으로 변신하게 된다.

쌍방향(Interactive) TV와 영화

4G LTE 네트워크의 향상된 성능은 버퍼링이나 대기시간이 필요 없이 HD 영화 스트리밍을 가능하게 한다. 또한 여러 명이 동시에 사용할 수 있다. 현재 많은 자동차 중에 프리미엄급 자동차는 장거리 이동 중의 탑승객이 이용할 수 있도록 차량이 정차해 있을 때 운전자도 이용할 수 있도록 TV 화면을 제공하고 있다. 1960년대의 FM 라디오에서부터 판도라(Pandora), 스포티파이(Spotify)와 같이 현재 인기 있는 주문형(on-demand) 음악 스트리밍에 이르기까지 차량 내 TV의 채용이 차량 내 오디오의 진화를 어떻게 반영하는지(비록 더 급속도로 진행되기는 하지만)를 쉽게 알 수 있다.

라이브 행사 및 방송 콘텐츠

월드컵이나 슈퍼볼 등과 같은 유명 이벤트는 수억 명의 사람이 동시에 방송을 시청한다. LTE의 E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services)는 이같이 수요가 많은 라이브 콘텐츠를 처리하기 위해 모든 사용자(방송) 또는 LTE 네트워크상에 있는 선택된 수의 가입자들이 수신하게 될 동일 콘텐츠에 대해 짧은 대기시간, 효율적인 스펙트럼 방식을 제공한다. 단일 라이브 동영상 스트림이 네트워크 코어를 통해 전송되어 증폭된 후 네트워크의 끝 부분에서 필요로 하는 만큼 분산되는 일-대-다(point-to-multipoint) 전송(멀티캐스트)을 구현하는 방법으로 앞서 말한 방식이 제공된다.

또한 지난 1월, 버라이즌(Verizon)은 2014 슈퍼볼을 위해 미국 뉴욕의 브라이언트 파크(Bryant Park)에서 LTE 멀티캐스트(LTE Multicast) 시스템을 선보였다. 이 시스템은 TV 방송과 추가 실시간 데이터(예: 광고)를 실황 생중계의 공원 내 카메라 피드(feed)와 결합했다.

이처럼 인터넷에서 ‘TV 시청’을 하는 경향이 점차 늘어나면서, 멀티캐스팅 덕분에 셀룰러 사업자는 사용자에게 새로운 동영상 서비스를 제공할 수 있으며, TV 방송국은 LTE 네트워크에 수백만의 점-대-점(point-to-point) 동영상 스트림을 과도하게 로딩할 필요 없이 더 많은 시청자에게 방송을 전할 수 있다.

지역뉴스 게시판, 위치 관련 정보 서비스와 같은 기타 방송 콘텐츠는 물론, 오프피크 시간대의 영화 사전 다운로드 또한 LTE의 멀티미디어 방송 멀티캐스트 서비스(Multimedia Broadcast Multicast Services)를 활용할 수 있다.

 
제조업체 브랜드의 모바일 디바이스

고품질의 LTE 서비스 제공 이외에도, 일부 자동차 제조사들은 자신들의 자동차 모델 내부에서 사용하는 전용 태블릿과 같은 자사 브랜드의 모바일 디바이스를 도입하여 4G 자동차 구현에 한 차원 더 나아가고 있다.

아우디는 2014년 1월에 열린 CES에서 아우디 브랜드의 태블릿을 개발한 취지를 발표했다. 이 태블릿은 뒷좌석의 탑승객들이 사용하도록 만들어진 전방 헤드레스트의 후면 안쪽으로 도킹될 ‘완벽한 안드로이드 태블릿’이라고 소개됐다.

아우디는 4 ~ 5년 안에 본격적인 대량생산에 들어갈 이 태블릿이 자동차 내에 갖춰져 있어 제 3자의 모바일 디바이스를 이용한 경우에 가능한 것보다 더 심층적인 융합을 가능하게 해준다고 밝혔다. 이 태블릿은 가혹한 자동차 환경(온도, 진동, 수명주기) 사양을 만족할 수 있도록 제조될 예정이다.

차량 탑승객은 이 태블릿을 이용해 라디오와 미디어, 내비게이션 시스템을 제어할 수 있고 차량의 작동상태에 관한 데이터도 불러올 수 있다. 이 장치는 구글 안드로이드 운용시스템을 기반으로 Google Play 앱 스토어를 통해 이용할 수 있는 각종 앱, 영화, 음악에도 접근할 수 있다. 흥미로운 특징 하나는 차량 이동 중에 부분적으로 시청한 영화를 가정 내 거실에서 이어 재생할 수 있다는 것이다.

증강 현실과 헤드업 디스플레이

헤드업 디스플레이는 항공기 계기와 유사한 윈드스크린(windscreen)을 통해 보이는 전방 시야 모습에 오버레이(overlay)를 표시해 점점 더 많은 상태 및 안전 관련 정보가 운전자에게 보인다. 이 덕분에 눈길을 돌려야 할 필요 없이 속도, 내비게이션, 차량 근접여부 등과 같은 정보를 한눈에 볼 수 있어 더욱 안전하고도 효율적인 운전 경험을 제공한다.

LTE는 정보 콘텐츠와 인터넷의 힘을 지렛대 삼아 이 같은 발전을 새로운 단계로 접어들게 했다. 가령, 카메라와 도로 센서는 앞으로 발생할 수 있는 교통 위험요인을 실시간으로 모니터링한 후 주변 차량으로부터 수집된 데이터와 결합할 수 있다. 이렇게 ‘융합된’ 데이터는 클라우드에서 처리된 다음 모든 차량으로 중계된다. LTE의 짧은 전송 대기시간은 주변 차량의 상대속도에 대해 실시간으로 처리하는 것이 가능하다. 이 같은 ‘스마트 카’는 화면상의 차선 안내 디스플레이를 상황에 맞게 변형할 수 있고, 감지된 위험요인에 앞서 자동으로 내비게이션 선택 사항(choices)을 변경할 수도 있다.

운전자는 운전 중 한눈을 팔지 않고 원거리에 있는 가상의 표시가 가리키는 출구로 나가기 전에 어느 차선으로 이동해야 하는지를 나타내는 녹색 화살표와 함께 자동차를 둘러싼 적색 박스 표시를 미리 제시받을 수 있다. 또한 인근 주유소 또는 연료 가격)나 서비스, 주차, 교량(다리) 통행요금 옵션과 같은 이외의 보조지원 정보도 디스플레이되며 그림 7에 보이는 바와 같이 실시간 업데이트 내용이 도로 상에 미리 표시된다.

레거시 폴백(legacy fall-back)의 필요성

이 같은 종류의 서비스는 차량 내 표준 장치가 되고 LTE 네트워크가 100% 보급률을 달성할 수 있을 만큼 성장함에 따라, 2G 및 3G 레거시(legacy) 기술이 단계적으로 사라질 것으로 전망된다. 하지만 한동안은 항시 연결할 수 있도록 보장하거나 양호한 LTE 보급이 이뤄진 곳이 아니더라도 도심 또는 그 근교 지역에 해당하므로 차량 내 2G 및 3G 폴백(fallback) 지원(LTE 멀티모드) 서비스를 제공할 필요가 있을 것이다.

LTE는 위의 예에서 기술된 활용사례의 대부분을 가능하게 하기 위한 수단이지만, HSPA+(3G의 최신 구현기술)가 양호하게 보급될 경우 대기시간이 훨씬 더 길되 최대 42 Mbps 다운링크까지 제공할 수 있다. 중요한 사항으로 최대 데이터율은 이상적인 조건에서만 달성되는 최대 수치이고, 같은 셀을 공유하는 다중 사용자 간에 대역폭을 상호 공유한다는 점이다. 이는 3G로 가능했던 것보다 훨씬 더 많은 수의 사람 간에 대역폭을 공유할 수 있는 OFDMA 변조기법으로 LTE가 성공을 거둔 또 다른 부분이기도 하다.

LTE를 이용할 수 없는 경우에는 HSPA+가 여전히 합당한 수의 사용자들에게 만족할만한 서비스를 제공할 수 있다. 현재 인터넷상에서 이미 볼 수 있는 형태와 같은 어댑티브 비디오/오디오 인코딩(adaptive video/audio encoding) 기술이 대역폭 가용성 변화에 따라 성능의 규모를 실시간으로 줄일 수 있다. 이 특징은 로컬 데이터 캐싱(caching)과 결합하여 네트워크 조건이 요구하는 대로 때에 따라 LTE와 HSPA+ 간에 전환하면서 고품질 경험을 선사할 수 있다.

오디오 통신은 또 다른 핵심 요건이고 LTE로 구현되는 인포테인먼트 시스템은 핸즈프리형의 음성호출을 통합하여 운전자로 하여금 안전하게 전통적인 방식의 전화를 걸고 받을 수 있다. 더욱이 컨시어지(concierge) 서비스와 같은 몇몇 새로운 애플리케이션은 보이스 인터랙션(voice interaction)을 이용할 예정이다. 이는 운전 중 가장 안전하고도 자연스러우면서 편안한 상호작용 방법이기 때문이다. 이 같은 네트워크 연결은 2G/3G 서비스를 이용한 글로벌한 고품질의 전화통신 보급과 함께 앞으로 얼마 동안은 자동차 내에 그대로 남아 있게 될 것이다.

마지막으로 유럽의 eCall 시스템과 같은 긴급통화시스템의 출시는 유럽 전역의 어디서나 휴대전화 사용이 가능할 것을 요구한다. GSM은 유럽과 전 세계 전역에 잘 구축되어 있고, eCall은 매우 낮은 대역폭을 사용해 적어도 LTE가 널리 보급될 때까지는 차량 내 2G 연결성을 유지해야 하는 이유이기도 하다.

LTE 자동차의 요건

자동차 환경 내 LTE 통합 시 고려해야 할 자동차 애플리케이션의 특정한 여러 요인이 있다. 이 요인들에 대한 간략한 설명은 아래와 같다.

무선 주파수 스펙트럼 및 안테나

그동안은 LTE 서비스를 위해 무선 주파수 대역의 복합적인 지리적 혼합형태가 이용되는 편이 훨씬 많았다. 현재는 정의된 LTE 주파수 대역 수가 40개가 넘고 많은 지역에서 최소 5 ~ 6개의 주파수 대역을 동시에 지원할 필요성이 있게 됐다. 한 지역에서 또 다른 지역으로(예를 들어, 북아메리카에서 남아메라카로, 또는 유럽 동부에서 유럽 서부 지역으로) 차량이 쉽게 이동할 수 있기 때문에 차량은 10개만큼 많은 LTE 주파수 대역을 지원해야 한다.

더욱이 LTE는 이미 다중입출력(MIMO: multiple-input and multiple-output : 성능 개선을 위해 송, 수신기 모두에서 다수의 안테나를 사용하는 것을 말함)을 위해 2개의 안테나를 사용하고 4개의 안테나로까지 진화가 더욱 진행 및 확장될 것으로 보인다. 해당 차량에서 다른 차량으로 이렇게 많은 수의 안테나 케이블을 라우팅하는 어려움을 고려할 때, 오늘날 많은 자동차 상에 존재하는 일명 샤크 안테나와 같은 외부 조립품 내에 안테나와 함께 설치되는 원격 무선 장비(remote radio head) 형태와 차량 내부의 디지털 파트 간에 셀룰러 모뎀이 분할되는 것이 당연하다. 또 다른 까다로운 문제는 샤크 안테나가 GNSS, FM, 디지털 무선 주파수 등을 지원하기 위해 이미 많은 수의 안테나를 포함하고 있어 신중한 시스템 설계와 RF 공존(co-existence) 모델링이 중요해지고 있다는 사실이다.

환경적 요건

전형적인 자동차의 오랜 수명과 일반적으로 견뎌내는 가혹한 조건들(더위, 추위, 진동)로 인해, 모든 차량 내 구성부품은 엄격한 품질 및 성능 기준을 조건으로 한다. 이 같은 기준들은 미국 기반의 자동차전자제품위원회(AEC: Automotive Electronics Council)에서 전반적으로 규정하고 있다.
셀룰러 모뎀에 대해 AEC-Q100는 전기 계통 신뢰성, 수명 신뢰성, 스트레스 신뢰성과 같은 여러 파라미터에 대한 시험을 정의한 핵심 요건이다.

주요 논점은 확장된 작동온도의 신뢰성이며 이는 해당 디바이스가 차량 내 어디에 있는지에 따라 다르다. 예를 들어 캐빈(cabin) 내 장착 애플리케이션의 경우에는 3등급(-40 ~ +85 ℃)을 요구할 수 있다. 대시보드 애플리케이션의 경우에는 2등급(-40 ~ +105 ℃)을 요구하거나 햇빛이 다 보이는 인구 밀집 공간의 경우에는 1등급(-40 ~ +125 ℃)이 될 필요가 있다.

스마트폰과 같은 소비자 가전제품은 보통 4등급에 상당하는 수준으로 하나의 문제를 제시하며 자동차 제조회사가 자동차 시스템 내부에 일반적으로 표준 이동전화 구성부품을 사용하지 않는 이유가 된다.

시스템 아키텍처

또 다른 고려사항은 LTE와 레거시 기술이 차량 내에서 어떻게 통합되느냐이다. 사실상 3가지의 중복되는 요건이 있다. 이들 각각의 요건은 각기 다른 설계팀이 지정 및 설계할 수 있으며 각기 다른 구성부품 공급업체에 의해 공급되고 고객 기호에 따라 설치된다.

- 안전/보안 시스템(예, eCall): 일반적으로 이 시스템은 2G를 기반으로 GPS(글로벌 포지셔닝 시스템) 기술을 포함한다. 점진적으로 표준 기능이 되고 있다.

- 내비게이션: 내비게이션은 일반적으로 2G를 기반으로 3G로 옮겨가고 있으며 고성능 다중-GNSS 포지셔닝 기술을 포함한다.
- 인포테인먼트: 이 시스템은 일반적으로 3G를 기반으로 급속도로 LTE로 옮겨가고 있으며 내비게이션 시스템으로부터 얻은 위치 정보를 활용하거나 자체 내장된 포지셔닝 시스템을 포함할 수 있다. 이 시스템은 보통 고급사양 옵션에 해당한다.

이론적으로 이와 같은 시스템이 통합되어 자원을 공유할 수 있다면 가장 이상적일 수 있다. 조만간 초기 설정 값(default)이 될 것이다. 하지만 앞으로 5 ~ 10년 동안 공급망과 마케팅 압박으로 이 시스템이 기능적으로 분리된 상태로 유지될 것이다. 따라서 설계 유연성과 시스템 수준의 호환성(레이아웃, 인터페이스 및 소프트웨어 API)은 모뎀 구성부품의 핵심 요건이 된다.

차량 내 LTE 솔루션

유블럭스는 플러그 앤 플레이 호환성과 2G에서 3G, 4G LTE 멀티모드(2G와 3G HSPA+를 모두 포함)로의 다양한 옵션을 제공하는 위성 포지셔닝 구성부품과 다양한 셀룰러 모듈을 모두 개발해왔다. 또한 이들 모듈 제품은 자동차 업계의 엄격한 요건에 대해 AEC-Q100 전장 규격에 맞는 솔더-다운 폼(solder-down form)으로 이용할 수 있다.

LTE 멀티모드 모듈 TOBY-L200 및 TOBY-L210은 미국과 유럽 각각에 배치된 무선 주파수 스펙트럼에서 유효하게 사용할 수 있고, LTE Release 9, Cat. 4(150 Mbps 다운링크/50 Mbps 업링크)에서 성능을 발휘한다. 이 디바이스는 2G/3G로 향하는 데이터와 음성 트래픽에 대한 폴백, LTE의 회로 전환 음성(speech와 voice 모두)을 모두 지원한다. 앞서 논의한 바와 같이 완전하게 통합된 형태에서 기능적으로 독립적인 형태의 모든 잠재적인 시스템 아키텍처를 지원할 수 있다.

한편 자동차 애플리케이션용 유블럭스 LTE 모뎀 모듈 제품에 대한 더욱 자세한 정보는 www.u-blox.com/lte.html 에서 확인할 수 있다.