C-ITS: LTE-V2X 및 ETSI ITS-G5-A 비교에 대한 3가지 고찰

LTE-V2X, ETSI ITS-G5와 비교해 성능 면에서 오히려 뒤쳐

2018년 05월호 지면기사  /  글│앤드류 털리(Andrew Turley), 키스 모어맨(Kees Moerman), 알레시오 필리피(Alessio Filippi), 빈센트 마르티네스(Vincent Martinez) / NXP Semiconductors



차세대 지능형 교통체계 C-ITS(Cooperative Intelligent Transport Systems)는 운전자와 교통 관리 당국이 정보를 공유하고 사상자 수를 현저히 줄이는 데 도움을 줄 것으로 보인다. 이는 V2X(Vehicle-to-Vehicle 및 Vehicle-to-Infrastructure)라고 불리는 차량 간, 차량과 교통 인프라 간 디지털 연결을 통해 가능하다.

안전에 중요한 애플리케이션을 지원하는 기술은 V2X 통신의 핵심이라고 할 수 있다. ITS 디렉티브(ITS Directive) 2010/40/EU는 ITS를 일관적이며 상호운용 가능한 방식으로 도입하기 위한 EU 차원의 기본 법안이다. 이 디렉티브에 따르면, 모든 차량은 다른 차량 또는 도로변 장비와 통신할 수 있어야 한다. 여기서 상호운용성, 역호환성, 성숙도가 핵심 원칙으로 꼽힌다. 무선인터넷 기반 V2X 기술인 ETST ITSG5/TEEE801.11p는 지난 10여 년간의 테스트를 거쳐 현재 배포 준비가 완료된 상황이다.

최근 V2X 애플리케이션을 처리하기 위해 모바일 광대역 표준화에 초점을 맞춘 새로운 표준 개발이 3GPP 주도로 진행되고 있다. 이들 기술의 성능은 앞으로 수백만 도로 사용자의 안전을 좌우하게 된다. 그렇기에 준비성, 호환성 및 범위 차원에서 이들 기술을 비교하는 것이 중요하다.

준비성

IEEE 802.11p에 기반을 둔 ETSI ITS-G5는 동적인 자동차 환경에서 작동하도록 개조되고 최적화된 일반 무선인터넷 표준의 확장이라고 할 수 있다. 2004년 규정된 ETSI ITS-G5는 철저한 표준화 과정을 거쳤다. 2008년 독일에서 차량 400대로 진행한 sim 필드 테스트와 같은 광범위한 현장 테스트와 2011년 이래 꾸준히 진행해 온 ETSI 플러그 테스트를 비롯한 여러 업체 간 상호운용성 테스트 등이 그 표준화 과정의 일부로 실시됐다.

지난 수년간 자동차 수준의 구현이 가능해 OEM 및 티어-1(Tier-1) 협력업체들은 광범위한 테스트 및 검증을 수행할 수 있었으며, 이는 안전 관련 제품에 있어 절대적인 요소이다.

반면 LTE-V2X는 셀룰러 4G/LTE의 새로운 확장이라고 할 수 있다. Rel-14 사양에 대한 작업은 불과 3년 전 3GPP에 의해 시작된 것으로, EU C-ROADS와 미국 NPRM 활동에 의해 만들어진 11p 모멘텀을 따라잡아야 하는 시간적 압박을 받고 있다. 그 결과 특정한 주요 기능이 성숙하지 못한 상태이거나, 2018년 3분기 출시 예정인 Rel-15 사양을 위해 일부 기능만 수정되는 상황이 빚어졌다. 아래 목록은 현재까지 알려진, Rel-15에서 수정이 필요한 결함을 나열한 것이다.
 
  • 다른 LTE 업링크(Uplink) 및 사이드링크(Sidelink) 방식을 재사용함으로써 빚어지는 채널-인터리버(Channel-interleaver)/레이트 매칭(Rate-matching) 패턴 문제. 이는 3GPP RAN1이 밝힌 대로 RB/변조 코딩 방식 조합의 28.3%에서 사이드링크 데이터 채널(PSSCH)의 성능에 심각한 지장을 준 바 있다. Rel-15와 호환 불가하다.
  • LTE 업링크 12개와 비교해 최대 9개 데이터 심볼을 가진 사이드링크로 인해 Rel-15 내 전송 블록 사이즈 테이블을 TBS 스케일링을 사용해 재설계. Rel-15에서는 호환 불가한 방식으로 해결됨.
  • LTE-V2X Rel-14 모드-4는 대기시간이 너무 길다. PHY에서 대기시간 선택 창이 20-100ms인 탓도 일부 있다. 현재 3GPP에서 Rel-14와 호환되지 않는 Rel-15 내 창을 줄이자는 몇몇 논의가 진행되고 있다.
  • 반양방향 통신 문제: 다중 사용자 액세스 방식으로 인한 문제로, 사용자들은 동시 전송되는 안전 메시지를 놓치게 된다. 이는 ‘LBT(Listen-Before-Talk)’ 원칙에 기반을 둔 ETSI ITS-G5에서는 발생하지 않는다. Rel-14에서 이 효과는 신호 재전송으로 잠재적으로 완화되나, 대신 최대 차량 수가 절반으로 줄어든다. Rel-15에서는 이 문제가 아직 해결되지 않았으며, 5G NR에서만 해결되었다.
  • 셀룰러 대역(대개 2 GHz 또는 3 GHz 영역)에서 수행되는 15 kHz의 소규모 부반송파 간 간격(subcarrier spacing)은 5.9 GHz 대역에 적합하지 않다. 이는 LTE-V2X가 주파수 오프셋에 매우 민감하게 반응하는 결과로 이어진다. 5G NR에서 3GPP는 부반송파 간격을 ‘해제’해 배치 당 구성이 가능하도록 할 계획이다.
또한 실제 현장 테스트도 부족하다. 제시된 LTE-V2X 데이터 대다수는 수치 시뮬레이션을 기반으로 하는데, 이는 효율성이 저하되는 등 사양이 불완전하거나 심한 경우 교통사고 방지에 필요한 안전 애플리케이션을 충족하지 못하는 상황으로 이어질 수 있다는 뜻이다. 또한 LTE-V2X 기술의 진화는 사실상 여러 가지 성능 등급을 나눌 것으로 보인다. 즉 LTE Rel-15가 Rel-14보다 더 안전하다는 뜻이다. 이로 인해 고객 및 사용자에게 불공평한 상황이 발생할 수 있다.

LTE-V2X Rel-14 사양이 완료되더라도 지역별/국가별 사양을 의미하는 배치 프로파일(deploy profile) 정의가 필요하다. 서브채널 수, HARQ, 할당 방식 등 매우 상세하고 구체적인 배치 유형(고속도로 또는 밀집 지역 등)을 처리하고 상위 계층 변수를 세부 조정하는 작업은 매우 복잡하다. 이러한 복잡성 때문에 작업에 수년이 소요될 수 있다. ETSI ITS-G5에는 이러한 문제가 없다. 애초에 여러 가지 시나리오에 대처할 수 있도록 설계돼 있기 때문이다.

호환성

ETSI ITS-G5는 이미 여러 차례 현장 검증을 거쳤고, 수년에 걸쳐 상당한 성숙도를 이뤘기에 이렇다 할 수정이 필요 없으며 앞으로도 그러할 전망이다. 추가 서비스에 필요한 높은 데이터 속도나 확장이 필요한지 여부에 대한 비공식 논의가 현재 진행 중이다.

LTE-V2X Rel-15는 Rel-14에 도입된 모든 서비스와 역호환 되지 않는다. 마찬가지로 5G NR 기술은 LTE-V2X Rel-15나 Rel-14와도 역호환 되지 않는다. 이에 대한 한 가지 이유로 앞서 지적한 결함을 바로잡기 위한 몇 가지 변수의 구조적 변화를 꼽을 수 있다. 또 다른 이유로는 Rel-14와 역호환 되는 Rel-15에 통합된 몇 가지 개선사항을 들 수 있는데, STBC나 SFBC 전송 방식 및 64-QAM 변조 등을 말한다. 결과적으로 Rel-14 장치는 Rel-15 전송(PSSCH)을 디코딩 할 수 없으며, 수정되지 않은 PSCCH만 볼 수 있다.

즉 LTE-V2X 구현이 기존 릴리스 서비스에 의존하는 한 기존의 표준 버전을 계속해서 사용해야 한다. Rel-14를 사용해 출시될 최초의 서비스 중 하나인 기본 안전 메시지(BSM)의 경우 특히 그렇다. 안전 메시지의 브로드캐스팅 특성 상 구 버전 장치가 주변에 있는지 여부를 알 방법이 없으니, 결함과 비효율성을 가진 Rel-14 버전에 계속 의지하는 수밖에 없다. 아예 새로이 선보이는 서비스일 경우에만 Rel-15의 개선된 성능을 사용할 수 있다.

범위 비교

ETS ITS-G5는 높은 이동성을 구현할 수 있는 기술을 사용한다. 예를 들어, ‘구형’ 컨볼루셔널 인코더(convolutional encoders)를 사용하는 것은 단점으로 보일수 있지만, 심볼당 채널 추정을 동적으로 적응시키고, 모바일 환경에서 일반적으로 변화하는 채널 특성을 따르기 위한 ‘터보 코덱(turbo-codec)’과 같은 방식을 사용할 가능성을 제공한다. 일반적인 무선인터넷 시스템에서 구현되지 않는 이러한 방식은 2011년 이미 설명되었고 구현된 바 있다.

LTE-V2X에 사용된 LDPC와 같은 최신 블록 기반 코덱은 심볼당 디코딩이 아닌 블록당 디코딩 되기 때문에 고속에서 동일한 견고한 성능을 제공할 수 없다.

ETST ITS-G5 기술은 앞서 언급한 채널 액세스 메커니즘의 견고함과 결합되어 장거리와 함께 높은 이동성을 처리할 수 있다. 확장된 범위는 OEM 현장 테스트에서도 확인됐다. 예를 들어 트래픽 테크놀로지 투데이(Traffic Technology Today) 인터뷰에 다음과 같이 언급돼 있다. “고속 환경에서 NXP 로드링크(RoadLINK) 칩셋을 장착한 V2V 지원 아우디 차량은 2 km 이상 원거리 통신을 하면서 최대 500 km/h의 상대 속도로 달렸다.”

그림 1에 나타난 시뮬레이션된 범위 성능은 실제 측정한 NXP DSRC 칩셋 성능에 기반을 둔 것이며, LTE-V2X용 240m와 비교해 500m 이상의 우수한 수치를 나타낸다.



LTE-V2X에 대한 추가 공개 질의

LTE-V2X용으로 명확하게 정의된 통신 프로파일(무수히 많은 LTE 구성 가능성이 있음) 부족, 비현실적인 타이밍 요건, 명확하지 않은 지원 차량 수, 지연시간 제약 등이 아직 해결되지 않은 추가 공개 질의사항이다. 이러한 사항은 ETSI ITS-G5 대비 미숙한 LTE-V2X의 수준을 보여준다.

앞서 언급했듯 LTE-V2X는 V2X 통신 성능이 뒷걸음질 친 격이라고 정리할 수 있다. Rel-14에 기반을 둔 LTE-V2X는 아직 준비되지 않았으며 관계자들이 말하는 크나큰 이점이나 발전도 없다. 비교를 통해 LTE-V2X 제안의 미성숙함과 아직 테스트되거나 검증되지 않은 기술 상태, 미래 LTE-V2X 릴리스에서 실질적인 역호환 부족, 특히 필수적인 안전관련 사항에서 부족함이 명확히 드러났다.

ITS 디렉티브 2010/40/EU는 역호환성과 상호운용성, 성숙도를 ITS 사양 및 배포와 표준 요건을 위한 핵심 원칙으로 규정한다. LTE-V2X는 이에 해당되지 않으며, 통신 업계 전반도 마찬가지이다.

연구진은 향후 교통사고를 줄이고 도로 안전을 증진시키는 최선의 방법으로 두 가지 기술을 함께 사용하는 하이브리드 통신 방식을 꼽는다.
 
  • V2X 애플리케이션에 할당된 5.9 GHz 내 안전 메시지를 전달하는 ETSI ITS-G5
  • 셀룰러에 할당된 3.2-3.8 GHz 내 트래픽 관리 정보와 같은 인프라 관련 서비스에 I2V 정보를 제공하는 LTE-V2X

자동차 산업 및 도로 인프라 산업 대다수가 본 연구진과 뜻을 같이 한다. 미국 교통부 및 부처와 FCC12 업계 파트너의 서신 “가까운 미래의 안전을 위한 연대(Coalition for Safety Sooner)1”에 그러한 내용이 잘 나타나 있다.


                                                                 [요약]
1. 준비성(Readiness): 다수의 관계자들이 최초의 LTE-V2X를 출시할 ‘준비’를 마쳤다고 말한다. 그러나 LTE-V2X에 통합된 3GPP LTE 표준은 사실상 3GPP가 2017년 발표한 LTE 릴리스 14(Rel-14)가 전부다. 초기 칩셋은 2018년 말 상용화 예정이며, 대규모 현장 테스트는 2019년이 되어야 시작할 수 있다. 이미 Rel-12 사양에서 몇 가지 결함이 발견됐으며, 이를 보완한 Rel-15가 곧 나올 예정이다.
2. 호환성(Compatibility): LTE-V2X 관계자들은 LTE-V2X에는 미래 개발을 위한 로드맵이 갖춰져 있다고 말한다. 그러나 Rel-15를 시작으로 Rel-14 이후 출시되는 제품들은 Rel-14 하드웨어 및 애플리케이션과 역호환 되지 않는다. 그러나 기본 안전 메시지(Basic Safety Messages, BSM)는 Rel-14를 통해서만 브로드캐스팅되므로, 이후 기술 개발이 갖는 장점이 무색해지며, Rel-14 셀룰러 기반 V2X 기술이 탑재된 차량은 Rel-15 이후 제품과 통신이 불가능할 수 있다. 어떤 결과가 나오든 Rel-14는 배포되기도 전에 그 용도가 애매해질 가능성이 크다.
3. 범위(Range): LTE-V2X에 대한 일부 기사를 보면, LTE-V2X 범위가 ETSI ITS-G5보다 우수하다고 돼 있다. 현재 ITS-G5 구현 범위는 실제 배포 시 측정한 것이며, 결과를 보면 ITS-G5가 시뮬레이션을 통해 측정한 LTE-V2X 솔루션 결과보다 뛰어난 것을 알 수 있다.

결론적으로 현재 LTE-V2X는 ETSI ITS-G5와 비교해 성능 면에서 오히려 뒤쳐지며, LTE-V2X의 성숙도나 테스트 수준은 여전히 매우 낮다. LTE-V2X가 가진 문제점은 익히 알려져 있고, 범위 면에서는 이점이 있다고 하나 아직 실현된 바가 없다. 현재 사용 가능한 결함 버전은 향후 모든 배치 시 참고사항이 될 것으로 보인다. 향후 LTE-V2X가 안전이 중요한 ITS 애플리케이션에서 이렇다 할 진전을 이루기가 사실상 불가능한 상황이다.
  • 본고의 내용은 필자의 의견으로, 편집자의 견해나 automotive electronics의 편집방향과 다를 수 있습니다.

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