이희열┃5G포럼 네트워크 위원회 위원, Ericsson-LG R&D 수석연구원
C-ITS
▷ C-ITS의 개요
자동차산업과 ICT 기술의 융합 분야는 크게 상용서비스 분야와 Cooperative–ITS (C-ITS) 서비스 분야로 나뉠 수 있다. 상용서비스 분야는 인 포테인먼트 및 차량용 OEM 클라우드 등과 같은 연결성 서비스로서 LTE mobile broadband 진화기술을 사용하며 현재 자동차산업에 존재하는 사업 모델이다. C-ITS 서비스 분야는 더 안전한 운송, 더 친환경적이고 효율적인 교통 및 더 예측가능하고 생산적인 이동성을 제공하는 것을 목표로하는 분야로서 V2X 통신기술을 사용하며, 향후 여러 산업분야가 융합되는 사업 잠재력을 가지고 있다.
WHO에 의하면 전 세계적으로 해마다 1백24만 건의 교통 사상이 발생하고 있으며, 미국교통국 (USDOT)가 2004년부터 2008년 사이의 추돌 사고 분석 결과에 의하면 81%에 해당하는 4백50만 건의 추돌사고가 완전한 V2X 기술이 있으면 예방이 가능하다고 결론을 나오는 등, C-ITS의 필요성이 주목받았으며, 최근 IT업계의 자율자동차의 활발한 개발과 더불어 그 중요성이 더욱 부각 되고 있다.
▷ C-ITS와 V2X 통신
C-ITS는 ICT를 이용하여 자동차, 기차, 비행기, 배등 사람과 물건을 옯기는 모든 교통수단에 대하여 향상된 안전과 더 효율적인 교통 인프라 사용을 제공하는 시스템들로 정의되며, ISO 정의에 따르면, ITS 스테이션들 사이의 통신을 하며 정보를 공유하는 시스템을 이른다.
[그림 1] C-ITS의 주요 구성요소와 V2X 통신 개념도
그림.1은 C-ITS의 주요 구성요소인 중앙 ITS 스테이션 (C-ITS-S), 인적 ITS 스테이션 (P-ITS-S), 차량 ITS 스테이션 (V-ITS-S) 및 이들간의 V2X (V2V, V2I, V2P, V2N) 통신에 대한 개념도를 나타낸다.
▷ C-ITS 유스 케이스
EC의 C-ITS 전략에 의하면, 기술적으로 성숙하여 초기 도입가능한 1단계 C-ITS 서비스와 2019년 규격과 표준이 아직 준비되지 않을 1.5단계 서비스를 다음과 같이 분류하였다.
<1단계 C-ITS 서비스>
- 위험 지역 알림
저속 차량 및 전방 교통 경고
도로 공사 경고
날씨 상황
비상 브레이크 등
비상 차량 접근
기타 위험들
- 신호체계
차량 내 신호
차량 내 속도 한게
신호 위반 / 교차로 안전
특정 차량에 의한 교통 신호 우선 요구
초록 신호등 최적 속도 조언
차량 데이터 점검
충격파 흡수
<1.5단계 C-ITS 서비스>
대체 연료 차량에 대한 연료 및 주요소 정보
취약 도로 보호 지역
도로가 주차 관리 및 정보
주차장 정보
주차 및 탑승 정보
도신 진입 및 진출 협동 네비게이션
교통 정보 및 스마트 길안내
▷ ITS 주파수 현황
현재 각 주요국 ITS용 주파수로서 비면허 대역을 고려하고 있으며, 그림2에 표시되어 있다. 유럽은 5855 – 5925 MHz 대역과 63 – 64 GHz 대역을, 미국은 5850 – 5925 MHz 대역을, 일본은 755.5 – 764.5 MHz 대역과 5770 – 5850 MHz 대역을, 그리고 호주, 중국과 한국는 5.9 대역대를 고려하고 있으며, WRC-15 Resolution 237에 따라 2019년도에 기존의 모바일 서비스 대역 하에 ITS 진화를 위해 국제 및 지역적으로 조율하는 것이 2019년 WRC 안건으로 상정되어 있다.
[그림 2] 주요 관련국의 ITS 주파수 현황
C-ITS를 위한 V2X 주요 기술들
V2X기술에 대한 주요 표준화는 미국이 주도하는 DSRC (Dedicated Short Range Communication) 규격과 유럽 주도 ETSI ITS-G5 규격 및 3GPP에서 진화하는 규격인 LTE-V2X와 5G V2X가 주목할 만하다. 다음 절에서는 각 규격의 주요 특징을 알아본다.
▷ 미국 DSRC 규격
DSRC규격은 다음과 같은 특징을 가지며 그림 3과 같은 프로토콜 스텍을 갖는다.
라디오 레이어 : WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment) / IEEE 802.11p, IEEE P1609
애플리케이션 레이어 : SAE 규격 J2735, J2945-x 프로파일링
네트워크/트렌스포트 지원 : IP 및 비 IP 규격 (IEEE1609.3)
보안 : PKI (IEEE1609.2)
On-board unit (OBU)와 Road side unit (RSU)가 동일한 프로토콜 스택을 갖음
성능 : ~ms 수준의 에어 인터페이스 지연을 가지며, 300m 수준의 ad-hoc 통신이 가능함. 통신 충돌과 혼잡이 있을 수 있음.
[그림 3] 미국 DSRC 시스템 프로토콜 스텍
▷ 유럽 ETSI ITS G5 규격
ETSI ITS G5 규격은 다음과 같은 특징을 가지며 그림4와 같은 프로토콜 스텍을 갖는다.
라디오 레이어 : DSRC와 호환되는 IEEE 802.11p (MAC, PHY) 프로토콜, 다만 MAC 확장이 DSRC의 IEEE1609.4와 다르게 DCC (Decentralized Congestion Control)사용
애플리케이션 레이어 : CAM (Cooperative Awareness Message), DENM (Decentralized Environmental Notification Message) 사용
네트워크/트렌스포트 지원 : IP 및 비IP규격 (GeoNetworking, BTP(Basic Transport Protocol)
보안 : PKI(IEEE1609.2)
성능 : DSRC와 동일한 성능
[그림 4] 유럽 ETSI ITS G5 프로토콜 스텍
▷ 3GPP LTE-V2X Sidelink 규격
LTE-V2X 규격은 다음과 같은 특징을 가지며 그림 5과 같은 프로토콜 스텍을 갖는다.
라디오 레이어 : 3GPP LTE 규격 (MAC, PHY, RLC, PDCP)
애플리케이션 레이어 : SAE / IEEE / ETSI ITS G5 규격
네트워크/트렌스포트 지원 : IP 및 비IP규격 (IEEE/ESTI ITS, over sidelink)
보안 : PKI 기반 (IEEE/ETSI ITS)
통신 혼잡 제어 : 분산형과 중장집중형 사용
경로 선택 : 셀룰라 (Uu).와 Ad-hoc (PC5 sidelink) 사이 선택
스펙트럼 : LTE 호환 스펙트럼 또는 ITS 지정 스펙트럼 (6 GHz까지, sidelnk)
[그림 5] 3GPP LTE-V2X Sidelink 프로토콜 스텍
Cellular V2X 표준화 현황
3GPP에서 진행하고 있는 C-V2X (Cellular V2X)는 Rel.12/Rel.13에서 재난안전망 및 통신 범위 안/밖 운영을 위해 개발된 PC5 인터페이스에서의 D2D (Device-to-device) 통신(Sidelink)을 Rel.14에서 V2X용으로 sidelink를 향상시키는 표준을 개발하였다.
3GPP에서 진행하는 V2X 표준화 일정은 그림6에 나타낸바와 같이 3개의 Phase를 가지고 진행되고 있다. Phase1에서는 기본 V2X 서비스에 집중하여 Rel.14 LTE V2X가 표준화되었으며, Phase2에서는 Phase1과 호환이되는 조건하여 제한적으로 V2X서비스를 향상시키는 Rel.15 V2X가 표준화되고 있다. Phase 3에서는 Phase1의 호환과 무관하게 상당히 고도화된 V2X 서비스를 제공하는 5G-V2X를 목표로 하며 현재 Phase 3에 대한 새로운 평가 방법에 대한 연구가 진행 중이다.
[그림 6] 3GPP 표준화 (5G, V2X) 현황
▷ LTE-V2X Sidelink
LTE-V2X sidlinke 개념도는 그림 7에 나타나 있으며, 3GPP Rel.14에서 진행된 개선 사항은 다음과 같다.
- 운영 조건
단말 밀도 고밀화 : (2500+ 차량/km2)
상대 속도 : 250+250 km/h
통신 범위 : 네트워크 범위 안, 바깥
운영 주파수 : 6 GHz까지
- 물리 레이어
새로운 DMRS (Demodulation and Reference Signal)
통신 범위 밖에서 동기화 개선
- TDM, FDM 기반 라디오 자원 할당
네트워키 범위 안과 바깥에서 분산 자동 자원 할당
중앙 자원 할당
주기적 메시지에 대한 SPS(Semi-Persistent Scheduling)
지연 : 상향 주기적 메시지에 대한 SPS, 하향 브로드캐스팅을 위한 빠른 시그널링
용량 : V2V 브로드캐스팅 (eMBSM, MBSFN)을 위한 공간 라우팅(Geo-routing)
[그림 7] LTE-V2X 개념도
▷ 5G-V2X
5G-V2X에서는 통신 응답시간을 줄이기 위해 LTE 기술보다 상당히 줄어든 지연시간 (~5ms)이 가능한 5G/NR Phase 2 표준을 필요로한다. 그림6에 나타난 바와 같이 5G/NR Phase 2의 표준화 완료시점인 2019년 말에 맞추어 5G-V2X 표준도 완료될 것으로 예상된다. 대표적인 5G-V2X의 유스 케이스와 성능 요구사항은 다음과 같다.
- 플래투닝
단대단 지연시간: < 10 ms
신뢰성: 99.99%
위치 정확도: 30 cm
차량 밀도: 1000s 차량/km2
통신 범위: > 500 m
데이터 속도: 65 Mb/s/차량
- 부분/조건 운전 자동화
단대단 지연시간: 10 – 100 ms (완전 운전 자동화의 경우: 3 ms)
신뢰성: 99.99% (완전 운전 자동화의 경우: 99.999%)
차량 밀도: 1000s 차량/km2
통신 범위: 5 – 10 m (완전 운전 자동화의 경우: 500 m)
데이터 속도: 10 – 53 Mb/s/차량
- 센서 확장
단대단 지연시간: 운전자 50 – 100 ms, 완전 운전 자동화: 3/5/10 ms
신뢰성: 운전자 90 – 99%, 완전 운전 자동화 99.99 – 99.999 %
통신 범위: 운전자 100 – 1000 m, 완전운전 자동화 50 – 1000 m
데이터 속도: 10 – 1000 Mbps
- 원격 운전
단대단 지연시간: 20 ms
신뢰성: 99.999%
데이터 속도: 상향 25 Mbps, 하향 1 Mbps
V2X 전망
현재 전세계적으로 현재 IEEE 802.11p 기반의 DSRC / ETSI ITS-5G 기술, 3GPP V2X 기반 기술, 또는 이들의 조합에 대한 비교, 분석 및 선 택의 기로에 서있다.
▷ 미국 시장 전망
미국에서는 1999년부터 5.9 GHz 밴드 대역에 서 IEEE 802.11p 기반 DSRC 기술을 개발해오고 있으며, 2012년 – 2013년에 3,000개의 OBU에 대한 Ann Arbor Safety 파일럿 시연을 하였으 며, 미국교통국 (US DoT)에서는 2020부터 신규 차량에 V2V 장착을 요구하였다. 또한 NHTSA 는 2016년 12월 13일 자율주행 규정 (NPRM)을 공시하였다.
▷ 유럽 시장 전망
유럽에서는 2008부터 5.9 GHz 대역에서 기술 중립적으로 ITS를 추구하고 있으며, 2013년에 초 기 설치 가능한 TSI CEN ITS 표준을 완성하였다. EC에서는 유럽에 C-ITS 설치를 계획하고 있으며, IEEE 방식과 3GPP 방식의 복합 방식을 고려하고 있으며, 최종적으로는 5G로 진화를 고려하고 있다.
▷ 중국 시장 전망
중국에서는 2017년 5.9 GHz 대역에 대해 LTE 기술을 중심으로 정부 주도로 연구하고 있 다. 3GPP V2X 방향이 중심이 되며 2017년 필드 시연 중이다.
▷ C-ITS / V2X 관련 규정 및 에코시스템 전망
C-ITS 및 V2X와 관련된 규정은 다음 3가지 내용이 주목할 만하다.
ITU WRC-19 안건 1.23: ITS용 스펙트럼 에 대해서 전세계 또는 지역에 대한 조화를 위한 조율.
유럽 (CEPT/ECC, ETSI): ITS 사용 밴드로 서 5.9 GHz 주파수에 대해 기술 중립성. RLAN과 ITS의 스펙트럼 공유
FCC: WLAN과 ITS의 주파수 공유
C-ITS 및 V2X 관련하여 설립된 주목할 만한 산업계 단체는 다음과 같다.
CAMP (Crash Avoidance Metrics Partnership, 미국, 1995년 설립)
C2C-CC (Car to car communication consortium, 유럽 2002년 설립)
5G AA (Fifth Generation Automotive Association, 글로벌, 2016년 설립)
올해 (2017년)에 C-ITS / V2X의 기술방식 선정에 대한 논의에 영향을 미칠 것으로 여겨지는 산업계의 2가지 중요한 움직임이 있었다. 2016년 12월에 US-DoT / NHTSA에서 공시한 제안 (NPRM)이 기술 방식을 DSRC로 선책하고 있는 것에 대하여, 5GAA에서 2017년 4월에 DSRC 대비 Cellular-V2X가 현재 성능 및 5G로의 진화를 고려하여 우수함을 알리고 기술선택의 중립성을 요구하는 코멘트를 보냈다.
산업계에 영향을 미치는 또 다른 중요한 내용으로, 퀄컴사가 C-V2X 방향을 지지하며 3GPP Rel.14 기반 C-V2X 상용 칩셋 (Qualcomm 9150 C-V2X)을 발표했다는 것이다.
미국 주도의 DSRC 기술 진영은 지난 20년간 축적된 개발과 시헙에 의한 안정성을 장점으로 내세우고 있으나, 시간이 지나갈수록 이동통신 시장 이 보여준 빠른 기술 개발 상황과 안정성과 더불어 LTE-V2X에서 5G-V2X로 월등한 성능을 가능하게 하는 C-V2X 기술 진영이 우세해질 전망이다.
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