이전 세대의 셀룰러 표준과 비교할 때 LTE의 속도와 보장된 서비스 품질은 차량 시스템을 획기적으로 향상시켜준다. 이런 향상은 이용 가능한 서비스의 종류와 정교성 측면에서 뿐만 아니라 서비스 품질 면에서도 파격적인 변화를 실현토록 한다. OEM에게 LTE는 새로운 서비스, 수익 모델을 창출할 수 있는 확실하고도 설득력 있는 길을 열어줄 수 있다. 

연초 라스베이거스에서 열린 2014 CES에서는 인공지능형 광대역 커넥티드 카가 중점적으로 다뤄졌다. 주요 글로벌 OEM은 정교한 내비게이션과 인포테인먼트 시스템을 갖춘 모델들을 선보였다. 이들 혁신의 상당수는 4G LTE에서 비롯됐다 할 수 있다.

LTE는 속도, 짧은 대기시간(latency), IP 연결성(음성, 동영상, 데이터 모두 IP를 통해 전송)을 겸비해 운전자와 다른 탑승자들의 흥미를 끄는 동영상 위주의 데이터 통신, 내비게이션, 정보, 엔터테인먼트, 위치 기반 서비스의 차세대 통합 고품질 인카 애플리케이션을 가능케 한다. LTE는 이전 세대의 셀룰러(cellular)와 비교해 속도와 보장된 서비스 품질로 차량 시스템을 획기적으로 향상시키고 파격적인 변화를 가능하게 한다.

그중 가장 눈에 띄는 혁신은 대형 HDTV에서나 경험했던 것과 같은 끊김 없고 대기시간이 짧은 고해상도 다중채널 동영상 스트리밍일 것이다.  일반적으로 10%를 훨씬 밑도는 이익률(이윤 마진)의 자동차 산업에서 LTE는 새로운 서비스를 부가하고 수익 모델을 창출할 수 있는 확실하고도 설득력 있는 길을 열어줄 솔루션으로 평가되고 있다. 

대역의 진화

2004년 노텔(Nortel)의 최고기술경영자 필 에드홀름(Phil Edholm)은 ‘에드홀름의 법칙(Edholm’s law)’을 주장했다. 이 법칙은 광역무선(LTE, UMTS)과 같은 셀룰러, 근거리 무선(WiFi 등), 유선통신(구리선 또는 섬유 등과 같은 유선)에서의 연결성 속도는 수렴적 궤도상에 있다는 것이다. 법칙에 따르면, 셀룰러 통신의 속도가 근거리 통신과 동등하고 사실상 유선 연결을 완전히 대체하게 될 미래의 유선통신 종료 시점 이전에 여러 통신 라인들은 하나로 수렴되고 통합될 것이다.

오늘날 상용된 커넥티비티 현황을 살펴보면, 이미 사무실용 이더넷의 경우 1~10 Gbps, 가정용 케이블 서비스의 경우 100 Mbps ~ 1 Gbps, WiFi(802.11a,b,g,n)의 경우 300~600 Mbps, WiFi(802.11ac)의 경우 1 Gbps 범위의 속도를 구현할 수 있다. 셀룰러 측면에서는 LTE의 속도가 이미 150 Mbps(cat. 4)까지 구현됐다. 앞으로 다가오는 2~3년에 걸쳐 이른바 “LTE-Advanced”가 전개되면 속도는 업링크의 경우 최고 500 Mbps까지, 다운링크의 경우에는 1 Gbps까지 올라갈 것이다.

이에 비해, 1080p HD 영화를 스트리밍 하기 위해 필요한 대역폭은 “단” 10~20 Mbps다. 현재 인터넷의 최고 대역폭 사용이 다중 스트리밍 HD 동영상 채널에 대한 지원인 만큼 오늘날 인터넷 상에서 사실상 모든 서비스가  LTE를 통해 이용 가능한 상태다.

LTE로 구현 가능한 차량 애플리케이션

향후 2~3년에 걸쳐 LTE로 구현 가능한 새로운 애플리케이션의 몇 가지 실례를 들어본다. 2014년 3월, 아우디는 2015년형 아우디 A3가 4G LTE를 지원할 것이라고 발표했다. Audi Connect 4G 서비스는 내비게이션을 위한 Google Earth와 Street View 지도 서비스를 제공하고, 음성인식 및 오디오 판독(audio read out)을 통해 구글 검색 기능과 인터넷/소셜미디어 브라우징을 지원한다. 또, 최대 8개의 다른 탑승객 디바이스를 지원하는 4G/WiFi 라우터와 온라인 음악/동영상 스트리밍, 충돌 회피(collision assistance) 기능을 포함해 차는 모바일 인터넷 핫스팟으로 변신한다.

4G LTE 네트워크의 향상된 성능은 버퍼링이나 대기시간이 필요 없이 HD 영화 스트리밍을 가능하게 할 뿐만 아니라 여러 명의 동시 사용을 지원할 수 있게 한다(누구나 선택한 영화를 즉시 시청할 수 있게 된다!). 현재 많은 자동차들 특히, 프리미엄 급 모델들은 장거리 이동 중에 탑승객이 이용할 수 있도록, 또 차가 정차 중일 때에 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 채용 이력은 인카 오디오의 진화가 어떻게 전개되고 있는지(비록 더 급속도로 진행되기는 하지만)를 쉽게 설명해준다.

월드컵이나 슈퍼볼 등과 같은 특정 대형 행사들은 수억 명의 사람들이 동시에 방송을 시청한다. 이렇게 수요가 많은 라이브 콘텐츠를 처리하기 위해, LTE의 E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services)는 모든 사용자(방송) 또는 LTE 네트워크 상에 있는 선택된 수의 가입자들이 수신하게 될 동일 콘텐츠에 대해 짧은 대기시간, 효율적인 스펙트럼 방식을 제공한다.

단일 라이브 동영상 스트림이 네트워크 코어를 통해 전송돼 증폭된 후 네트워크의 끝 부분에서 필요로 하는 만큼 분산되는 일 대 다수(point-to-multipoint) 전송을 구현하는 방법으로 앞서 말한 방식이 제공된다. 예를 들어 올 1월, 버라이즌 USA(Verizon USA)는 2014 슈퍼볼을 위해 미국 뉴욕의 브라인트 파크(Bryant Park)에서 LTE 멀티캐스트 시스템을 선보였다. 이 시스템은 TV 방송과 추가 실시간 데이터(예: 광고)를 실황 생중계의 공원 내 카메라 피드(feed)와 결합했다.


인터넷에서 “TV 시청”을 하는 경향이 점차 늘어나면서 멀티캐스팅 덕분에 셀룰러 사업자들은 사용자들에게 새로운 동영상 서비스를 제공할 수 있게 되고, TV 방송국에서는 LTE네트워크에 수백만의 점 대 점(point-to-point) 동영상 스트림을 과도하게 로딩할 필요 없이 보다 많은 시청자들에게 방송을 전할 수 있게 됐다. 지역 뉴스 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.

고품질의 LTE 서비스 제공 이외에도 일부 자동차 제조사들은 자신들의 자동차 모델 내부에서 사용하는 전용 태블릿과 같은 자사 브랜드의 모바일 디바이스를 도입해 4G 자동차 구현에 한 차원 더 나아가고 있다. 아우디는 CES에서 아우디 브랜드의 태블릿을 개발한 취지를 발표했다. 태블릿은 뒷좌석의 탑승객들이 사용하도록 만들어진 전방 헤드레스트의 후면에 도킹되는 안드로이드 태블릿이다.

아우디는 4~5년 안에 본격적인 대량생산에 들어갈 이 태블릿이 자동차 내에 갖춰짐으로써 제3자의 모바일 디바이스를 이용한 경우보다 더 심층적인 융합이 가능할 것으로 믿고 있다. 물론 태블릿은 가혹한 자동차 환경(온도, 진동, 수명주기) 사양을 만족하도록 제조될 예정이다.


차량 탑승객들은 이 태블릿을 이용해 라디오, 미디어, 내비게이션 시스템을 제어할 수 있고 차량의 작동상태에 관한 데이터도 불러올 수 있다. 구글 안드로이드 운용 시스템을 기반으로 하고 있어 Google Play 앱 스토어를 통해 이용이 가능한 각종 앱, 영화, 음악에도 접근할 수 있다. 흥미로운 특징 중 하나는 차량 이동 중에 부분적으로 시청한 영화를 가정 내 거실에서 이어서 다시 재생해 볼 수 있다는 것이다.

헤드업 디스플레이(HUD)는 항공기 계기와 유사한 윈드스크린(windscreen)을 통해 보이는 전방 시야 모습에 관한 오버레이(overlay) 표시로 점점 더 많은 상태 및 안전 관련 정보를 운전자에게 제공할 것이다. 덕분에 운전자는 눈길을 돌려야 할 필요 없이 속도, 내비게이션, 차량 근접여부 등과 같은 정보를 한눈에 보며 보다 안전하고 효율적인 운전을 할 수 있게 된다. 

LTE는 정보 콘텐츠와 인터넷의 힘을 지렛대로 삼아 이와 같은 발전을 새로운 단계로 접어들게 했다. 예를 들어 카메라와 도로 센서가 앞으로 발생할 수 있는 교통 위험요인들을 실시간으로 모니터링한 후 주변 차량으로부터 수집된 데이터와 결합한다. 이렇게 “융합된” 데이터는 클라우드에서 처리된 다음 모든 차량으로 중계된다. LTE의 짧은 전송 대기시간 덕분에, 주변 차량의 상대속도에 대해 실시간으로 처리하는 것이 가능하다.

이와 같은 “스마트카”는 화면상의 차선 안내 디스플레이를 상황에 맞게 변형할 수 있고 감지된 위험요인에 앞서 자동적으로 내비게이션 선택사항(choices)을 변경할 수 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 제시 받을 수 있다. 인근 주유소(및 연료 가격), 서비스, 주차, 또는 교량(다리) 통행요금 옵션과 같은 보조 지원 정보도 디스플레이되고, 실시간 업데이트 내용도 도로 상에 미리 표시된다.

레거시 폴백의 필요성 

이와 같은 종류의 서비스가 차량 내 표준 장치가 되고 LTE 네트워크가 100% 보급률을 달성할 수 있을 만큼 성장하면 2G 및 3G 레거시(legacy) 기술은 단계적으로 사라질 전망이다. 그러나 한 동안은 항시 연결이 가능하도록 차량 내에 2G 및 3G 폴백(fallback) 지원(LTE 멀티모드) 서비스를 제공해야 할 것이다.

LTE는 활용사례들의 대부분을 가능토록 하는 수단으로 바람직하긴 하지만, HSPA+(3G의 최신 구현기술)는 상당히 보급될 경우 대기시간이 훨씬 더 길되 최대 42 Mbps 다운링크까지 제공할 수 있다. 염두에 둬야할 사항은 최대 데이터율은 이상적인 조건에서만 달성되는 최대 수치이고 동일한 셀을 공유하고 있는 다중 사용자들 간에 대역폭을 서로 공유한다는 점이다. 이는 3G로 가능했던 것 보다 훨씬 더 많은 수의 사람들 간에 대역폭을 공유할 수 있게 해주는 LTE의 OFDMA 변조기법 덕택에 LTE가 성공을 거둔 또 다른 부분이기도 하다.

LTE를 이용할 수 없는 경우에는 HSPA+가 여전히 합당한 수의 사용자들에게 만족할만한 서비스를 제공할 수 있다(예를 들어, YouTube와 같이). 현재 인터넷 상에서 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. 이러한 특징은 로컬 데이터 캐싱(caching)과 결합해, 네트워크 조건이 요구하는 대로 경우에 따라 LTE와 HSPA+간에 전환하면서 고품질 경험을 선사할 수 있다.

오디오 통신은 또 다른 핵심 요건이다. LTE로 구현되는 인포테인먼트 시스템은 핸즈프리형의 음성호출을 통합해 운전자로 하여금 안전하게 전통적인 방식의 전화를 걸고 받을 수 있게 해준다. 더욱이 컨시어지(concierge) 서비스와 같은 몇몇 새로운 애플리케이션은 보이스 인터랙션(voice interaction)을 이용할 예정인데, 이는 운전 중 가장 안전하면서 자연스러운 상호 소통방법이기 때문이다. 이와 같은 네트워크 연결은 2G/3G 서비스를 이용한 글로벌한 고품질의 전화통신 보급과 함께 향후 얼마동안은 자동차 내에 그대로 남아 있을 것이다.

마지막으로 유럽의 eCall 시스템과 같은 긴급통화 시스템의 전개는 유럽 전역 어디서나 휴대전화 사용이 가능할 것을 요구한다. GSM은 유럽(과 전 세계) 전역에 잘 구축돼 있고 eCall은 매우 낮은 대역폭을 사용하고 있어, 적어도 LTE가 널리 보급될 때까지는 차량 내 2G 연결성은 유지돼야만 한다.

LTE 카의 요건 

자동차 환경 내 LTE를 통합하는 데에는 자동차 애플리케이션에 대한 특수 고려사항들이 존재한다.
그 동안은 LTE서비스를 위해 무선 주파수 대역의 복합적인 지리적 혼합형태가 이용되는 편이 훨씬 많았다. 현재 정의된 LTE 주파수 대역 수는 40개가 넘고, 많은 지역에서 최소 5~6개의 주파수 대역을 동시에 지원해야만 한다. 한 지역에서 또 다른 지역으로(예를 들어, 북아메리카에서 남아메라카로,

또는 유럽 동부에서 유럽 서부 지역으로) 차량이 이동하기 때문에 차는 10개 이상의 LTE 주파수 대역을 지원해야만 한다. 더욱이 LTE는 이미 다중입출력(MIMO, 성능 개선을 위해 송, 수신기 모두에서 다수의 안테나를 사용하는 것을 말한다)을 위해 2개의 안테나를 사용하고 있고, 4개의 안테나로까지 진화가 진행 및 확장될 전망이다. 해당 차량에서 다른 차량으로 이렇게 많은 수의 안테나 케이블을 라우팅하는 어려움을 감안하면, 오늘날 많은 자동차 상에 존재하는 샤크 안테나와 같은 외부 조립품 내에 안테나와 함께 설치되는 원격 무선장비(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 것이다. 전형적인 자동차의 오랜 수명과 일반적으로 견뎌내는 가혹한 조건들(더위, 추위, 진동)은 모든 차량 내 구성부품들에 엄격한 품질 및 성능 기준을 요구하고 있고 LTE 역시 마찬가지다.

또 다른 고려사항은 LTE와 레거시 기술이 차량 내에서 어떻게 통합되느냐의 문제다. 사실상 3가지의 중복되는 요건이 있다. 실질적으로, 이들 각각의 요건은 각기 다른 설계 팀에 의해 지정 및 설계될 수 있고, 각기 다른 구성부품 공급업체(벤더)에 의해 공급되고 고객 기호에 따라 설치된다. 2G를 기반으로 하는 안전/보안 시스템(예: eCall) 등은 GPS 기술을 포함한다.

내비게이션은 일반적으로 2G를 기반으로 하되 3G로 옮겨가고 있고 고성능 다중-GNSS 포지셔닝 기술을 포함하고 있다. 인포테인먼트는 3G를 기반으로 하고 급속도로 LTE로 옮겨가고 있다. 시스템은 내비게이션 시스템으로부터 얻은 위치 정보를 활용하거나 자체 내장된 포지셔닝 시스템을 포함한다. 이론적으로는 이와 같은 시스템이 통합돼 자원을 공유할 수 있다면 가장 이상적일 것으로 조만간 이것이 초기 설정 값(default)이 될 것으로 보인다.

하지만 향후 5~10년 동안에는, 공급망과 마케팅 압박으로 인해 이러한 시스템들이 기능적으로 분리된 상태로 유지될 것으로 보인다. 이로 인해, 설계 유연성과 시스템 수준의 호환성(레이아웃, 인터페이스 및 소프트웨어 API)은 모뎀 구성부품의 핵심 요건이 된다. 

참고
자동차 애플리케이션용 유블럭스 LTE 모뎀 모듈 제품에 대한 보다 자세한 정보는 다음 웹사이트에서 확인 가능하다. www.u-blox.com/lte.html

AEM_Automotive Electronics Magazine