드론에 V2X 기술을 적용하다

글│데릭 탕(Derek Tang), 기술 마케팅 엔지니어, NXP Semiconductors
2017년 11월호 지면기사

 

드론 제품이 V2X 기술을 활용할 수 있는 방안을 제시한다.
이를 통해 드론이 비디오 스트리밍 등의 분야에서 지닌 문제를 해결하고,
실시간 항공 관리 및 충돌 방지 등 새로운 기능을 갖출 수 있도록 도움을 주고자 한다.
 



드론은 전자제품 생태계에서 가장 빠르게 성장하는 시장 중 하나로 부상했다. 드론은 길을 찾고 위험을 피할 수 있도록 주변 환경을 탐색할 수 있어야 한다. 다행히 길을 찾고 위험을 피하는 것을 보조하는 기술은 - 다른 분야이긴 하나 - 관련 기술 분야에서 이미 확보한 상황이다. V2X 통신은 IEEE802.11p(자율주행차 통신 칩에 관한 표준 요구사항)를 따르며 교통 안전성 및 효율성 개선을 목적으로 개발됐다.
 

본 연구에서는 드론 제품이 V2X 기술을 활용할 수 있는 방안을 제시한다. 이를 통해 드론이 비디오 스트리밍 등의 분야에서 지닌 문제를 해결하고, 실시간 항공 관리 및 충돌 방지 등 새로운 기능을 갖출 수 있도록 도움을 주고자 한다.
 

서론

드론은 기술의 참신성과 잠재력으로 인해 사람들의 생활 방식을 단순화하고 향상시킬 수 있으며 상상만 하던 것들을 실현할 수 있는 가능성을 열어주었다. 드론 시장은 향후 수년 간 지속적으로 성장할 전망이다. 전 세계 상용 드론 시장 규모는 2014년 5억 5,200만 달러로 추산되며 예측 기간 16.9%의 연평균 증가율을 보일 것으로 전망된다.
 


 

V2X는 교통 안전성 및 효율성 제고를 목적으로 하는 기술로, 대표적으로 전방 충돌 경고 기능 등에 활용된다. 차량 긴급 제동이 걸리면, V2X 시스템은 차량의 메시지를 받아 경고를 발령하고 브레이크를 프리로드(preload)하여 속도를 줄인다. 이러한 동작이 가능하려면, V2X 시스템은 빠른 속도로 이동하는 상황에서도 안정적으로 통신할 수 있어야 한다. 또한 운전자의 대응 시간을 충분히 확보하기 위해 지연 시간(latency)이 짧아야 하며 장거리를 커버할 수 있어야 한다. 이런 조건들은 드론 통신에 필요한 요건과 매우 흡사해서 수월하게 기술 이전을 할 수 있다.
 

IEEE802.11p를 통한 비디오 스트리밍


2015년 중국에서 활동하는 드론 업체만 400개가 넘었다. 이토록 시장이 빠르게 성장하는 상황에서 드론은 차별화가 필요하다. 중국 드론 업체 DJI는 차별화를 위해 비디오 전송 시스템 ‘라이트브리지(Lightbridge)’를 개발해 자사의 팬텀 시리즈를 흥행시켰다.


비디오 스트리밍 기술 현황

현재 상용화된 기술은 다음의 네 가지 영역으로 분류할 수 있다.


1. 아날로그 비디오 전송

아날로그 비디오 전송 시스템은 용량이 크며, 디지털에 비해 동일한 거리에 도달하는 데 더 많은 전력이 소모된다. 아날로그의 또 다른 단점은 방해 요인에 대한 저항이 약하다는 점이다. 이러한 이유로 대다수 제품에서 아날로그는 디지털 시스템으로 대체됐으나, 지연 시간이 짧다는 특징 때문에 대기 시간 없이 실시간으로 비디오 디스플레이를 하기 원하는 드론 레이서 사이에서는 아직도 아날로그 시스템이 인기를 누리고 있다.
 

2. 무선인터넷(Wi-Fi)

아날로그 시스템 다음으로는 무선인터넷이 가장 인기 있는 솔루션으로 자리잡았다. 무선인터넷은 충분한 데이터 처리 용량을 제공하며 저렴한 비용으로 사용할 수 있다. 그렇지만 가시거리 내 통신이 갖춰진 채널 주변 수백 미터 이내에서만 사용 가능하다는 단점이 있다. 대다수 무선인터넷 기기가 사용되는 2.4 GHz ISM 대역은 전 세계에서 가장 붐비는 대역으로, 통신 범위는 보통 100미터 미만에 그친다. 그 외에도 지연 시간이 길고 신호가 소실되면 재연결에 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다.
 

3. 전매 솔루션

무선인터넷의 단점을 극복하기 위해 일부 드론 업체들은 이른바 전매 솔루션(Proprietary solution)을 개발했다. DJI가 출시한 라이트브리지가 대표적이다. 최근에 출시된 라이트브리지는 4 km 범위까지 커버하며 통신 지연 시간이 짧고 재연결 속도가 빠르다. 그러나 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 업체들은 모든 개발 비용을 스스로 감당해야 한다.


4. 셀룰러

 

인텔과 AT&T는 LTE가 내장된 드론 시험 주행을 시작했다. 촬영한 영상을 즉각적으로 클라우드에 업로드 할 수 있다는 편리함이 셀링 포인트(selling point)이지만 대중적인 솔루션은 아니다. 우선 내장되는 LTE 모뎀의 가격이 상대적으로 비싸기 때문에 비용 문제가 발생한다. 또한, LTE 망을 사용할 때마다 반복적으로 비용을 내야하는 문제도 있다. 뿐만 아니라 LTE 네트워크 커버리지로 인해 대기 시간이 길고 비행 구역이 제한된다는 점도 단점으로 작용한다.


 

IEEE802.11p를 통한 비디오 전송의 장점

V2X는 차량 환경 기준 IEEE802.11의 개정 버전 IEEE802.11p를 준수한다. 데이터 전송 속도는 3~27 Mbps 사이인데, 이는 HD 비디오용으로 충분히 빠른 편이다. V2X를 사용할 수 있도록 인가받은 대역은 유럽과 미국 모두 5.9 GHz 대역이다. 그러나 V2X RF 칩은 5.8 GHz이나 2.4 GHz 대역 등 그 이외의 대역도 지원한다.

강력한 V2X 기술과 비인가(unlicensed) 스펙트럼(2.4/5.8 GHz)은 드론용 비디오 전송에 매우 유리한 조건이다. 주요 장점은 다음과 같다.
 

 

1. 장거리 통신

장거리 통신을 구현하기 위해 802.11p 칩 업체들은 무선인터넷 제품보다 더 높은 설계 기준을 설정했다. NXP 반도체의 로드링크(Roadlink) 802.11p 솔루션은 5.8 GHZ 대역에서 최대 4 km까지 안정적인 통신 연결을 제공하며, CE 규제를 충족하는 송신 전력을 갖추고 있다는 것이 검증됐다.
 

2. 짧은 대기 시간

지연 시간을 단축시키기 위해 802.11p의 MAC 레이어를 상당 부분 간소화했다. 그 결과, 통신 시 소요되는 지연 시간이 단 몇 밀리세컨드에 불과하다.
 

3. 신호 소실 시 신속한 재연결

간소화된 MAC 레이어를 사용하면 통신 링크를 즉각적으로 구축할 수 있기 때문에, 신호 수준이 회복되는 즉시 별도의 지연 없이 재연결이 가능하다.
 

4. 5.8 GHz 대역 - 간섭 감소

링크 버젯을 계산해 보면, 2.4 GHz 대역은 5.8 GHz 대역에 비해 7.7 dB 더 유리하다. 즉 동일한 조건에서 2.4 GHz 신호가 5.8 GHz 신호보다 두 배 이상 먼 거리까지 전파될 수 있다. 그러나 현실적으로는 2.4 GHz 대역에서 작동하는 기기 수가 너무 많기 때문에 서로 간섭하는 현상이 발생하며, 이로 인해 커버리지 범위가 현저히 줄어든다.
 

5. 높은 이동 속도 지원

상용 드론이 100 km/h 속도를 돌파할 날이 머지않았다. 속도가 높아지면 통신 시스템에 차질을 빚게 된다. 그렇지만 802.11p 제품은 고속 차량을 지원할 수 있도록 설계돼 있어 이런 문제를 완벽하게 해결할 수 있다. NXP 솔루션은 최대 500 km/h의 속도까지 지원할 수 있다고 입증된 바 있다.
 

6. 합리적인 가격

드론용 V2X 시스템을 개발하는 데 드는 비용의 대부분은 이미 자동차 산업에서 부담했다. 새로운 표준 설정이나 칩셋 개발, 현장 시범 주행 등 V2X 시스템 개발에 필요한 과정 대부분이 자동차 업계에서 이뤄졌기 때문이다. 더불어 V2X 시장 성장과 함께 가격이 점점 더 내려갈 전망이다.

NXP 802.11p 솔루션은 비용 효율적일 뿐 아니라 드론 비디오 전송에 필요한 모든 핵심 요건을 충족한다. 이 솔루션의 핵심 사양 일부는 무선인터넷 사양보다 우수하며 최첨단 성능을 갖추고 있다.
 

협동 비행으로 더욱 안전하게

드론의 시장 잠재력을 반기는 사람들이 있는 반면, 공공 안전 문제에 대해 우려를 표하는 사람들도 있다. 2015년 1월 DJI 팬텀이 백악관 잔디밭에 추락한 사건 이후 드론의 공공 안전성 문제가 불거졌다. V2X 시스템은 어떻게 드론의 안전성 문제를 해결할 수 있을까?
 

V2X 통신 및 보안 시스템에 기반한 실시간 항공 관리

공항과 사람들로부터 드론을 멀리 떨어뜨려 놓으려면 어떻게 하는 것이 좋을까? 현재 마련된 해법은 제조사 차원에서 비행 금지 구역을 설정하는 방식이다. 그러나 어느 지역을 제한 구역으로 둬야할지 결정하는 것은 만만치 않은 일이며, 올바르게 지정했는지 여부를 차후에 확인하는 것도 쉽지 않다.
 

그렇다면 실시간 항공 관리 시스템이 훨씬 더 효율적인 대안이 될 수 있을 것이다. 이 시스템의 토대는 표준화된 통신으로, 드론도 항공관제 명령을 이해할 수 있기 때문에 802.11p를 사용하기 적합하다.
 

어떤 주파수를 사용하는 것이 좋을까? 물론 간섭을 최소화하려면 전용 채널이 필수이다. 5.9 GHz 대역에서 V2X 서비스에 할당된 채널은 일곱 개가 있다. 현재 무선인터넷과 채널을 공유할지 여부에 대해 업계 내에서 논의가 진행 중이다. 드론은 운송 시스템에서 점차 중요한 역할을 맡고 있으며 공공 안전에 미칠 영향력도 확대되고 있기 때문에 V2X 채널 1개를 무선인터넷 대신 드론에 할당하는 것이 더 타당하다.
 

물론 시스템 내 보안이 강화될 필요가 있다. 드론과 항공관제는 무단 조작을 피하기 위해 서로를 원격에서도 식별할 수 있어야 한다. 여기에도 차량과 인프라 간 통신 보안을 위해 설계된 V2X 보안 시스템이 활용될 수 있다. 


협동 비행으로 충돌 방지

항공 업계에는 협동 비행(Cooperative flying)이 이미 존재한다. 항공기의 트랜스폰더를 통해 위협 상황에서 충돌 방지 전략을 제시하는 교통 충돌 방지 시스템(Traffic collision avoidance system, TCAS)이 그 예이다. 그러나 TCAS는 가격이 비싸고 규모가 큰 데다 전력 소모가 심해 대형 항공기에만 사용된다. 다행히 이런 문제도 V2X 시스템으로 해결할 수 있다.

V2X 시스템에서 차량은 위치와 속도, 충돌 위험을 식별하는 데 필요한 기타 정보를 운전자에게 알려야 한다. V2X 시스템의 효과는 EU의 Drive C2X나 미국의 Safety Pilot 등 광범위한 현장 테스트를 통해 검증됐다. 2014년 미 운수부는 V2V 준비 보고서(readiness report)를 발간하고, V2X 시스템이 충돌 방지에 상당히 효과적이라고 밝혔다.

결론

드론과 차량에 필요한 통신 및 안전 요건은 유사하다. IEEE802.11p 기반 V2X 기술은 차량 간 안정적인 연결을 지원하고 운송 안전성을 향상시키도록 설계됐다. V2X 기반 기술을 드론에 적용하면, 상용 무선인터넷 솔루션에 기반한 시스템보다 한층 뛰어난 성능을 갖춘 데다 가격도 합리적인 HD 비디오 전송 시스템을 구축할 수 있다. 드론에 대한 표준화 통신이 (검증된 V2X 기술을 바탕으로) 마련되면, 실시간 항공 관리 시스템 및 충돌 방지 시스템을 구현할 수 있게 되며, 이는 드론 시장의 성장 잠재력을 더욱 확대하는 계기가 될 것이다.

 

 

저자 소개
데릭 탕(dereck.tang@nxp.com)은 NXP 반도체의 현장 기술 마케팅 엔지니어로서, 현재 NXP 로드링크(RoadLINK) IEEE802.11p V2X 솔루션을 담당하고 있다. 이전에는 NXP 연구 부서에서 수석 과학자로 일한 바 있다. 그는 재구성 가능한(reconfigurable) 채널 디코더 및 무선 통신용 고급 수신기 알고리즘 개발에 주력한다. 2005년 중국 베이징 우전대학(Beijing University of Posts and Telecommunications)에서 학사 학위를, 2007년 스웨덴 린쉐핑 대학교(Linkoping University)에서 이학 석사 학위를 취득했다. 

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