안전을 보장하는 무선기술 시험

V2X에 대한 무선 시험의 필요성

2016년 07월호 지면기사  /  글│토마스 브뤼겐 박사(Thomas Bru¨ggen), Rohde & Schwarz


 

자율주행차는 교통상황과 주변 환경에 대한 자세한 정보가 있을 경우에만 안전하게 운행할 수 있다. 오늘날 다양한 종류의 센서와 카메라들은 필요한 정보의 일부를 제공할 수 있을 뿐이다. 필요한 나머지 정보들은 데이터 통신이 연결된 자동차들 사이에 적용할 수 있는 무선기술들을 통해 제공돼야 한다. 무선 환경의 상태가 열악하더라도 무선 송수신을 통해 안전에 연관된 중요한 정보들을 정상적으로 송수신하기 위해서는 송신기와 수신기에 대한 규격에서 요구하는 최소한의 요구사항을 만족하는지 검증할 수 있어야 한다. 성능 충족을 검증하기 위해서 무선 성능시험(RF Test)은 반드시 수행돼야 한다.

 

지난 세기 동안 교통안전은 여러 가지 발명과 아이디어를 통해 지속적으로 개선됐다. 안전 벨트나 에어백과 같은 기계적인 안전장치와 ABS나 ESP와 같은 전자제어 안전장치들은 사고 발생 비율과 이로 인한 상해를 줄이는 데 큰 역할을 했다. 하지만 최근 몇년 간의 동향은 사고 발생의 감소와 사상자 감소 비율이 정체되고 있음을 보여주고 있다. 독일 연방 통계청의 집계에 따르면 연간 사상자 수는 여전히 39만명 수준에 육박하고 있음을 알 수 있다.

이를 타개하기 위해서는 새로운 기술의 도입이 필요하다. 교통사고 상황이 발생하기 전 차량 간 무선 데이터 통신으로 이를 사전에 인지하고(V2V), 교통 시설과 탑승자들에게 이를 알리는 기술(V2X)이 바로 이러한 기술이다. 예를 들어 교차로를 통과하는 모든 차량들이 서로 간에 속도와 방향에 대한 정보를 교환하는 경우를 생각해 볼 수 있다.

이렇게 정보 교환이 이뤄지는 상황에서는 예상되는 충돌을 미리 감지할 수 있으며, 이에 대한 선제 대응 동작 및 관련된 경고 동작을 수행하는 등의 예방 활동이 가능할 것이다. 이를 위해서는 전제조건이 필요하다.

차량들 사이에 신뢰성이 확보된 무선 정보교환이 가능해야 한다. 여기에서 말하는 신뢰성은 열악한 무선전송 환경, 심지어 장애물 등으로 인한 차량 간 가시 환경(Line of Sight) 확보가 되지 않는 상황에서도 정보 전송이 가능한 것을 의미한다. 이유가 무엇이든 아주 약간이라도 정보가 제대로 전송되지 않고, 이로 인해 차량 중 일부가 정확한 상황과 위치를 인지하지 못한다면 그 결과는 심각한 위험상황으로 이어질 수 있기 때문이다.

 


시스템에 영향을 미칠 수 있는 간섭 현상

무선통신 시스템은 여러 형태의 간섭에 영향을 받는다. 이런 간섭들을 일반적으로 페이딩(Fading)이라 부른다. 페이딩 현상은 신호의 다중 경로 전송현상(그림 1)으로 발생하는 산란, 회절, 굴절, 반사와 같은 물리적인 간섭현상과 음영현상을 모두 포함한다. 페이딩의 결과로 인해 수신 안테나에서는 하나의 신호가 여러 가지 다른 타이밍과 다른 수신전력 레벨을 가진 여러 개의 신호처럼 분산돼 간섭신호와 함께 수신되는 현상이 발생한다.
수신 안테나에서의 이들 각 신호들은 중첩돼 신호 간의 왜곡이나 감쇄를 일으키며, 심지어 신호 간 상쇄현상을 일으킬 수도 있다.

차량 탑승객은 차량과 함께 계속 이동을 하기 때문에 페이딩 환경 외에 시간의 영향을 추가로 받게 된다. 차량 내 모든 탑승객들은 차량 이동에 따라 계속적인 무선환경의 변화와 신호 감도의 변화를 겪는 것이며, 이것은 시간에 따른 페이딩 조건의 변화로 인식되기 때문이다. 안전에 관련된 모든 기능들은 이런 열악한 환경에서도 완벽하게 동작해야만 한다. 만약 수신기가 시간 변화에 따른 페이딩 변화 환경에서 제대로 동작하지 못한다면, 안테나에 수신되는 이들 신호의 감지 및 처리가 불가능해질 수 있기 때문이다.

수신 신호를 놓친다면 아무리 강력한 에러 복원 코딩 방식이나 특별히 고안된 프로토콜을 사용하더라도 정상적인 동작을 기대할 수 없게 되며, 안전에 연관된 정보의 교환은 불가능해진다. 만약 운전자가 V2X시스템의 오동작을 예상하지 못하고 시스템의 경고 동작에 의존해 운전을 하고 있다면 이러한 정보의 상실은 교통안전에 대한 심각한 결과를 초래할 수 있게 된다.

 

물리계층 기능에 대한 시험

위와 같이 열악한 무선 송수신 환경으로 인해 발생할 수 있는 위험을 최소화하기 위해서는 통신을 담당하는 차량 내 온보드 장치(On-Board units, OBU)와 노변장치(Roadside Unit, RSU)의 무선 송수신 부분에서 일정정도 이상의 성능이 확보돼야만 한다. 즉 V2X 모듈(혹은 기능)을 차량 시스템에 탑재하려는 개발자(혹은 사용자)들은 이들 모듈의 무선송수신 성능이 최소 요구사항을 만족할 수 있는지 검증 혹은 확인해야 한다는 것이다. 이들 시험은 정보 전송의 물리적인 송수신을 담당하는 부분을 대상으로 수행돼야 한다. 정확하게 표현하면 OSI 계층 모델(그림 2)의 하위 2계층을 시험 대상으로 한다.

- 물리계층은 전송 매질을 통해 데이터를 물리적으로 전송하는 계층이다. V2X 통신의 경우, 정보는 무선 인터페이스(Air Interface)를 통해 무선으로 전송된다.
물리계층에서는 변조 방식, 주파수, 데이터 전송률 등을 결정하게 된다. 채널 환경(Channel Quality)에 따른 데이터의 전송 동작을 결정하는 것도 물리계층에서 주로 일어나는 동작이다.
- 데이터 링크 계층은 두 가지 구성요소로 이뤄진다. MAC 계층(Medium Access Control 계층: 매체 접근제어 계층)과 LLC계층(Logical Link Control 계층: 논리 연결제어 계층)으로 구성된다. MAC 계층에서는 여러 사용자들에 대한 전송매체 접속을 규정하기 때문에 무선 특성 측정에 연관되는 계층이다. LLC 계층은 프로토콜 단계에서의 오류 검출(Error Detection)과 오류 정정(Error Correction)의 역할을 수행하는 계층이 된다.

 

 

사실 LLC 계층부터 응용계층(Application Layer)까지의 프로토콜 계층(그림 2)에 대한 시험은 무선 성능의 검증 목적에는 적합하지 않다. 프로토콜 계층의 시험은 수신된 신호로부터 LLC 계층을 통해 생성된 데이터(Bit Stream)의 이상 유무를 검증하는 목적으로 수행되기 때문에 안테나에서의 무선신호 수신의 이상 유무는 검증할 수 없다. 즉 프로토콜 계층에서의 시험은 데이터를 전송하는 신호가 차량의 안테나에 정상적으로 수신돼 이상 없는 데이터(Bit Stream)로 복조됐다는 것을 전제로 하는 것이다.

이것은 바꿔말하면 해당 신호가 수신 안테나에 정상적으로 수신됐고, 채널 코딩(Channel Coding)을 통해 정정할 수 있는 범위 이상의 오류가 전송과정에서 발생하지 않았다는 것이 전제조건이 된다는 뜻이다. OBU 및 RSU의 정상적인 동작은 수신 안테나에서의 정상적인 수신과 이를 통해 수신된 내용이 이상 없이 응용계층(Application Layer)까지 전달돼야만 가능하다. 그렇게 됐을 때 이들 내용(Message)을 통해 제대로 된 동작, 예를 들어 화면상의 경고문자나 자동제동 동작(Automatic Braking)등이 시작될 수 있는 것이다.

그렇기 때문에 OBU 내의 무선 모듈(혹은 MAC 계층이나 물리계층 부분)은 송수신전력(Power)과 주파수의 정확도, 패킷 오류 비율(Packet Error Rate)과 같은 최소 요구사항을 만족해야만 한다. 또한 송신신호는 인접 주파수 대역의 다른 통신기술들에 대해 간섭을 일으키지 않아야 한다. 결과적으로 이런 여러 가지 간섭 성분들은 OBU 무선 모듈의 수신부에 입력되는 신호에 연관되며, 이를 정상적으로 처리해 상위 프로토콜 계층으로 전송하는 성능은 무선성능 시험(RF Test)으로만 검증할 수 있는 항목이 된다.

그렇다면 무선 모듈은 어떻게 측정돼야 할까. 그리고 송신된 내용이 제대로 수신됐다는 것을 어떻게 보장할 수 있을까. 우리는 여기에 대한 해답으로 이동통신 업계의 스마트폰 생산을 참조할 수 있다. 스마트폰의 인증과 검증을 위해 수행되는 무선 특성 시험은 크게 3가지 형태로 분류할 수 있다.

- 규제 시험(Regulatory Test): 스마트폰의 송신신호로 인해 발생하는 주변 주파수 대역의 간섭 현상이 정해진 범위 이내로 유지되는지를 확인하는 시험이다. 규제 요구사항들은 보통 해당 국가의 관련 부서(단체)에서 정하며 해당 법과 연관돼 규정돼 있는 경우가 일반적이다. V2X 모듈들에 대한 이런 종류의 규제는 이미 존재하고 있다.

- 적합성 시험(Conformity Test): 스마트폰의 무선 성능이 해당 기술 규격의 요구사항을 만족하는지 검증하기 위한 시험이다. 예를 들어 스마트폰의 수신 에러비율이 일정 비율 이내여야 한다든지 전송신호 전력(Transmit Power)이 일정정도로 유지돼야 한다는 등의 요구사항이다. 일반적으로 이들 시험을 수행하기 위한 절차 등을 정의하고 있는 별도의 시험 규격이 존재한다.

- 일부 이동통신 사업자들은 위에서 언급한 시험 항목 및 요구사항에 대해 더 강력한 요구사항을 적용하거나 혹은 그 외의 추가적인 시험 항목들을 강제화하기도 한다. 이는 네트워크의 연결 품질이나 안정성 등에서 경쟁사보다 더 나은 품질을 확보하기 위한 목적으로 고안된다. 이런 경우 스마트폰 등 무선 단말들은 해당 네트워크 사업자의 요구사항을 만족해야만 판매가 가능하다.

 

케이블 연결 통한 무선 시험

차량 제조사들은 부품과 전장부품들의 시험을 실험실 환경이나 특별한 테스트 환경 혹은 일반 공공도로에서 수행하게 된다. 무선통신 분야에서 이에 해당하는 시험이 필드 시험(Field Test)으로 실제 운용환경과 비슷한 결과를 도출할 수 있다. 그러나 필드 시험의 경우, 날씨와 같은 통제 불가능한 변수들이 무선환경의 특성을 좌우할 수 있고, 차량 내 안테나 위치와 같이 변경에 많은 노력이 필요한 환경 설정과 시험 절차가 시험 결과에 영향을 주기도 한다.

특히 개발 단계에 있는 신규 장치들의 시험에서는 이러한 변수들을 감안하는 것은 적합하지 않기 때문에 실제 환경을 실험실 내에 모사(simulation)할 수 있는 적절한 대안이 필요하다. 보통 무선통신의 시험에 있어서는 유선연결을 통한 실험실 내 시험(Conducted Test)이 필드 시험의 대안으로 간주된다. RF 케이블 연결로 무선연결을 대치하고 측정 시스템은 무선 채널을 시뮬레이션하는 방식이다. 이런 형태의 Conducted Test는 시제품의 하드웨어와 소프트웨어가 변경될 때마다 수행할 수 있으며, 이를 통해 개발자는 필드 시험 대비 개발시간 단축과 비용 절감, 실행 오류의 감소 효과를 얻을 수 있다.

- 시험 진행에 대한 시간 제약이 없으며, 비용 절감이 가능하다.
- 외부 환경의 영향을 배제할 수 있고, 정의된 시험 조건의 변경이나 수정이 언제든 가능하다.
- 명확하게 정의된 시험 순서(절차)와 항상 동일하게 유지할 수 있는 시험 조건들로 인해 비교할 수 있는 유의미한 결과를 도출할 수 있다.
- 동일한 시험의 반복 수행을 통해 얻을 수 있는 동일한 시험 결과 및 비교 가능한 시험 결과는 디버깅을 용이하게 할 수 있다.
- 시험의 변수들에 대한 수정을 적은 비용으로 수행할 수 있다. 예를 들어 페이딩 환경을 정의하는 페이딩 프로파일(Fading Profile)의 경우, 필드 시험에서 이를 변경하기 위해서는 엄청난 비용이 필요할 수 있다.
- 여러 번의 시험 항목들을 하나의 연속 시험(Test Sequences)으로 정의해 자동 실행을 할 수 있다. 이렇게 함으로써 제품의 신뢰성 시험이 오랜 시간이 필요한 시험을 자동화하는 것이 가능하다.
- 무선시험 항목중 어떤 항목들[예를 들어 EVM(Error Vector Magnitude) 항목이나 수신 감도(Rx Sensitivity) 시험 항목 등]은 유선연결 시험(Conducted Test)에서만 정상적으로 수행이 가능하다. 필드 시험의 경우 외부 잡음(noise) 혹은 외부 간섭신호(Interference) 등의 제어 불가능한 변수들로 인해 측정 결과의 신뢰도가 낮아질 수 있다.

선택된 시험 시나리오의 채널 시뮬레이션 모델은 해당 무선연결 환경의 물리적인 특성을 시뮬레이션할 수 있다. 오늘날의 신호발생기들은 V2X에 특화된 페이딩 프로파일(Fading Profile)을 시뮬레이션할 수 있다.

이것이 필드 시험의 무용론을 의미하는 것은 아니다. 여전히 필드 시험은 필요하다. 예를 들어 안테나 특성을 확인하거나 빔포밍(Beamforming) 시험 등을 위한 안테나 측정 등은 필드 시험이 더 큰 의미를 가질 수 있다. 비록 실험실 내에서 수행되는 유선연결 시험(Conducted Test)이 필드 시험을 완전히 대체할 수는 없겠지만, 채널 시뮬레이션 등을 통해 시험을 더욱 간소화하고 비용을 절감할 수 있는 방법임에는 틀림이 없다.


 

 

무선 연결의 문제점 검출

V2X 모듈의 소프트웨어와 하드웨어 버전에 따른 여러 가지 다양한 결과들을 비교분석하기 위해서 모든 시험 절차들의 명확한 정의(Definition)가 필요하다. 이 때문에 몇몇 나라에서는 V2X 시스템의 시험 규격에 대해 4가지 정도로 분류하기도 한다.

- In band 송신(TX in-band): 이 분야에 해당하는 항목(Test Case)들은 최대 송신출력(Maximum Transmit Power)이나 최소 송신출력(Minimum Transmit Power), 송신 주파수 정확도(Frequency Accuracy), 변조 정확도(Modulation Accuracy)와 같은 무선송신 특성(Transmitter Characteristics)을 측정한다.
- out-of-band 송신(TX out-of-band): 허용된 주파수 대역 외부에 발생하는 불요 출력(Unwanted Transmit Power)은 다른 무선기술들을 방해하지 않아야 한다. Out-of-Band 송신시험의 항목(Test Case)들은 이렇게 발생된 대역 외 불요 출력을 측정해 허용된 최대치(Limit)와 비교하는 목적을 가진다.
- In-Band 수신(Rx in-band): 이 분야의 항목(Test Case)들은 해당 단말의 수신 성능을 시험한다. 예를 들어 V2X 단말이 얼마나 낮은 수신전력(Received Power)에서도 정상적으로 데이터를 수신할 수 있는지 측정하는 시험이나, 혹은 Fading 환경 하에서의 수신 성능을 시험하는 등의 항목이 있다. 그림 3은 R&S SMW200A 벡터 신호 발생기의 화면으로 V2X 수신 시험을 위한 Fading 프로파일 설정을 보여주고 있다.
- Out-of-band 수신(RX out-of-band): 이 항목은 OBU나 RSU의 송신부가 동작하지 않을 때에 누설되는 송신전력(TX Power)를 측정하는 목적이다. 주파수 대역으로는 V2X용으로 허용되지 않은 다른 주파수 대역으로 누설되는 송신전력(TX Power)을 측정할 수 있는 특별한 항목(Test Case)들로 구성된다.

 

 

여러 V2X 단말들의 시험 결과, 특히 Out-of-band 송신 시험과 페이딩 시험에서 문제 발생 가능성이 많다는 것을 보여준다(그림 4). 이러한 무선 성능에 대한 문제들은 적절한 시험 항목과 장비를 통해 개발 단계에서부터 검출할 수 있다. 수신 성능 시험의 경우 V2X 신호를 생성할 수 있는 신호발생기를 통해 수행할 수 있고, 송신 시험은 신호 분석기 장비가 담당할 수 있다. 신호 분석기의 Dynamic Range의 성능에 따라 추가적인 필터가 필요할 수는 있다. 마찬가지로 V2X의 Out-of-Band 시험을 수행하기 위해서는 넓은 주파수 대역을 시험해야만 하기 때문에 추가적인 필터가 필요할 수 있다.

현재에도 V2X 통신을 위한 여러 무선기술들이 후보 기술로 논의되고 있다. 그중에서도 WLAN 802.11p 및 LTE, 그리고 앞으로 수년 내 상용화될 5G 기술들이 후보기술로 가장 각광받고 있다. 어떤 기술이 사용되던지, Rohde & Schwarz와 같은 측정 장비 제조사들은 이미 V2X의 시험을 위한 측정 솔루션을 준비하고 있다. 예를 들어 가장 널리 사용되고 있는 LTE 기술의 시험에는 R&S TS8980 무선 인증 시스템이 검증 목적으로 사용될 수 있다. LTE 기술의 진화에 따른 시험 항목들의 계속적인 변화가 나타나고 있으며, 결과적으로 V2X 통신에 적합한 LTE 기술로 진화하고 있다.

802.11p 기술의 시험 솔루션으로는 Rohde & Schwarz의 TS-ITS100 무선측정 시스템이 있다. TS-ITS100 시스템은 802.11p의 국제 규격에서 요구하는 주파수대역 요구사항들을 모두 만족한다. 대표적으로 아래의 주파수 대역들이 지원된다.

- 유럽: 5.9 GHz(ETSI EN 302 571)
- 미국: 5.9 GHz(IEEE 802.11-2012)
- 일본: 760 MHz(TELEC T257 and ARIB STD-T109)

 

Out-of-Band 시험은 최대 18 GHz의 주파수 대역까지 시험하는 것을 요구사항으로 하며, 지역별로 서로 다른 요구사항이 적용되기 때문에 다양한 종류의 필터가 필요할 수 있다. TS-ITS100 시스템은 이를 지원할 수 있도록 돼 있으며, 이미 MIMO(Multiple Input & Multiple Output)와 Diversity를 지원할 수 있도록 하드웨어를 갖추고 있다.

사실 802.11p 기술의 시험에서 더 어려운 부분은 해당 규격에서 단말들에 적용되는 공통 인터페이스를 정의하지 않는다는 점이다. 시험 진행 시 시험 시간의 효율적인 분배를 위해 자동화 시험이나 여러 대의 단말을 동시에 연결시켜서 시험을 하는 경우를 고려할 수 있는데, 이를 위해서는 단말의 자동제어가 필수적인 요소가 된다. 이 때문에 자동화 시험 시 단말과의 연결 인터페이스에 대해 많은 고려가 필요하고, 시스템의 시험 소프트웨어는 연결된 각각의 단말들에 개별적인 설정 명령어를 전송할 수 있는 기능이 필요해진다.

TS-ITS100 측정 시스템의 경우, 자동화 시험을 위해 고려해야 하는 이들 기능을 이미 탑재해 현장에서 필요한 자동화 시험을 바로 설정할 수 있도록 제공한다.

승객들을 위한 자동화된 무선연결 기술의 개발은 교통안전을 위해 지속적으로 개발될 분야다. 안전에 연관된 긴급한 정보들은 어떤 환경, 어떤 상황에서도 빠르고 안정적으로 전송돼야만 한다. 이들 안전 정보들이 다양한 무선 송수신 환경 하에서 안정적으로 전송될 수 있기 위해서는 프로토콜 시험만으로는 부족하며, OBU 및 RSU의 무선성능에 대한 측정이 반드시 필요하다. 긴급한 교통상황에서 도움이 되는 기술을 만들기 위해서는 프로토콜과 무선 성능 모두에 대한 검증과 측정이 반드시 필요하다.

 

용어 해설
OSI 계층 모델: Open systems interconnection 모델(그림 2)은 서로 다를 수 있는 여러 기술 시스템 간 데이터 교환을 위해 정의된 표준 모델이다. 이 모델은 네트워크를 여러 가지 프로토콜과 기능을 따라 정의된 여러 계층으로 구분한다. 이들 계층 중 하위 2계층은 물리적인 연결, 즉, 무선 주파수, 구리 선 혹은 광케이블 등을 관장하는 물리 계층, 그리고 MAC 계층(Medium Access Control 계층: 매체 접근 제어 계층)과 LLC 계층(Logical Link Control 계층: 논리 연결 제어 계층)의 두 계층을 포함하는 데이터 링크 계층으로 구성된다.
무선 모듈(RF module): 일반적으로 무선 모듈은 단말에서 데이터 전송을 담당하는 부분을 의미한다. 구체적으로 전송해야 할 데이터 비트(Data Bit)를 무선 전자기파로 바꿔서 이를 안테나를 통해 전송하는 기능을 수행한다. 반대로 수신의 경우에는 받은 전자기파에서 데이터 비트(Data Bit)를 추출하는 역할을 수행한다.
Plug test: 측정 장비 제조회사의 측정 장비와 OBU/RSU 제조사의 단말을 서로 연결해 이들이 제대로 동작할 수 있는지 검증하는 절차를 의미한다.
패킷 오류 비율(PER : Packet Error Rate): 수신된 데이터 패킷 중 수신단에서 정정이 불가능한 오류를 포함하고 있는 패킷의 비율을 의미한다. 비율의 기준은 송신된 전체 패킷의 개수를 기준으로 한다.

 

토마스 브뤼겐
토마스 브뤼겐(Thoma s Bru¨ggen) 박사는 Rohde & Schwarz 독일 본사에서 근무하고 있으며, ITS의 RF 시험시스템 개발 프로젝트 매니저를 맡고 있다. 아헨 공과대학(RWTH Aachen)에서 전기전자공학을 전공했고, 통신 공학박사 학위를 취득했다.

 

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