차량 내 무선센서 네트워크 기술

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차량 내 무선센서 네트워크 기술

이 승 준 한국전자통신연구원 산업IT융합연구단 연구원 ㅣe-mail : [email protected] 윤 두 섭 한국전자통신연구원 산업IT융합연구단 선임연구원 ㅣe-mail : [email protected] 김 도 현 한국전자통신연구원 산업IT융합연구단 책임연구원 ㅣe-mail : [email protected]

이 글에서는 기존에 사용되고 있는 유선 네트워크로 차량 내 각종 센서들을 구성하였던 방식이 아닌, 무선 네트워크 를 통해 차량 내 센서들을 통신 및 제어하는 방법에 대해 소개하고자 한다.

소비자들이 자동차에 요구하는 사항은 다양하다.

기술적으로 해결할 수 있는 요구사항으로 최근에는 차 량 안전 및 운전자 편의 서비스에 대한 개발 및 적용이 가장 많이 돋보였다. 운전자 안전 및 편의 서비스를 위 한 방안은 차량 내 곳곳에 다양한 모니터링용 센서를 설치하도록 하였고, 그 결과 센서의 개수는 매해 증가 하는 추세에 있다. 한편, 자동차의 내부공간 및 연비 효율의 향상 역시 꾸준히 주목되고 있는 사항이다. 자동 차의 연비 개선을 위해서는 엔진을 포함한 동력계의 개 발 역시 중요하지만, 자동차를 얼마나 경량

화시킬 수 있는가에 대한 개발 역시 효과가 있다. 중량 1,200kg의 승용차에서 100kg 경 량화에 성공하면 연료소비율이 8.3% 절감 된다는 연구결과가 있듯이, 연비 개선을 위 해 자동차산업에서는 차량의 경량화에 대 한 연구와 변화가 있었다. 예를 들어 차체를 구성하는 재질을 강도가 높으면서도 얇고 가벼운 신소재를 이용하는 등의 접근법이 있으며, 최근에는 카본 섬유를 이용한 차체 구성이 주목받고 있다. 그리고 1990년 후반 부부터“X-by-wire”라고 하는, 기존에 기계 식으로 구성되었던 제어부를 전기적 제어 기로 바꾸는 방법이 주류가 되면서 차량 경

량화 및 공간 확보가 이 루어지고 있다.

그림 1은 차량 내 센 서 부품 및 배선들을 보 여주고 있다. 차량의 연 비 개선 및 공간 확보에 대한 연구는 앞서 언급 했던 바와 같이 다양한 각도에서 연구되고 있으나, 차량 내 모니터링 센서의 증가는 차량 내에서 연결되는 배선 차량 내 무선센서 네트워

크는 늘어나는 차량 내 센 서들로 인해 발생하는 배 선의 복잡성 및 와이어 하 네스의 질량을 해소하기 위한 방법이다.

그림 1그림 (a) 자동차 내 센서 및 부품, (b) 애프터마켓용 자동차 부품, (c) 와이어 하네스, (d) 대시보드 내 배선

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을 증가시키기 때문에 연비 개선 및 공간 확보에 지장을 주는 사항이다. 또한 자동차 산업의 경우, 소비자가 애 프터 마켓을 통해서 추가적으로 자동차 부품을 구매하 여 설치하는 시장도 크게 형성되어 있지만 내부 배선의 복잡성으로 갈수록 적용 및 유지보수가 어려워지고 있 는 상황이다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 차량 내 센서 네트워크를 유선 네트워크에서 무선 네트워크로 구성하는 방안에 대해 연구가 진행되고 있다.

차량 내 무선센서 네트워크 기술의 적용 사례

무선센서 네트워크(Wireless Sensor Network) 라는 개념은 이미 공장, 구조물 관리, 환경 모니터링 등 다양

한 산업분야에서 적용되고 있는 통신 네트 워크 기술이다. 유선 네트워크에서 무선 네 트워크로 구축함에 있어서 배선 등 설치에 대한 비용 및 유지보수비 절감이라는 부분 이 장점이라고 볼 수 있다. 무선센서 네트워 크는 모니터링용 센서를 갖춘 다수의 무선 센서노드와 이를 제어 및 데이터를 수집하 는 베이스스테이션으로 구성된다. 무선센서 노드는 베이스스테이션의 명령에 따라 동작 을 수행하고, 획득한 데이터를 베이스스테 이션에 송신한다. 네트워크의 규모가 커질 수록 중계기 및 베이스스테이션의 개수가 증가할 수 있다. 무선센서 네트워크 기술은 보다 신뢰성 있는 통신과 단말기의 소비전 력을 줄이는 방안으로 연구되고 있다. 단말 기의 소비전력을 줄이는 방법으로, 저전력 으로 구동하는 센서의 개발 등 모듈 별로 연 구가 진행되는 방법과 시스템 상에서 시나 리오에 따라 센서노드를 슬립모드로 동작시 켜서 불필요한 전력 소비를 줄이는 방안, 그 리고 별도의 전파를 통해서 센서노드의 액 티브 및 슬립 모드를 제어하는 웨이크업 (Wake-Up) 모듈을 탑재하여 소비전력을 보 다 줄이는 방안이 모색되고 있다.

그림 2는 차량 내 무선센서 네트워크 개념도를 나타 낸다. 본 개념도는 동력계 등 차량 안전에 직결되는 부 분을 제외한, 운전자 편의 서비스를 무선센서 네트워크 로 구축하였을 경우를 보여준다. 네트워크가 구축되는 공간은 차량 내로 국한되기 때문에 하나의 베이스스테 이션에 다수의 무선센서노드로 구성하는 형태를 가지 며, 베이스스테이션은 차량 내 ECU(Electronic Control Unit)와 통신을 하여, 유선 네트워크에서 획득한 차량 정보를 수신하도록 설계되었다.

차량 내 무선센서 네트워크 적용 기술 개발은 자동차 제조사를 필두로 선행연구가 진행되고 있다. 그림 3은

그림 2차량 내 무선센서 네트워크 개념도

그림 3무선센서 네트워크 구축 사례: (a) GM, (b) FIAT, (c) EU

차량 내 무선센서 네트워크 기술

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차량 내 무선센서 네트워크에 관한 연구를 진행 중인 산업체의 한 예를 보여주고 있다.

먼저 GM의 경우는 차량에 탑재된 ECU와 센서노드 간 무선 네트워크 구축을 위한 선 행 연구로, 차량 내 무선 환경 분석 및 시스 템 설계를 진행하고 있다. 또한 FIAT 및 유 럽에서 진행된 프로젝트에서도 Zigbee 등 기존 무선센서 네트워크 솔루션을 적용하여 차량 내, 차량 간 네트워크를 구축하는 연구 가 활성화되고 있다. 국내에서도 자동차 제 조사 및 연구기관에서 차량 내 무선센서 네 트워크에 대한 성능 테스트 및 개발이 진행 중이다. 그림 4는 한국전자통신연구원 (ETRI)에서 연구 및 개발하고 있는 차량 내 무선센서 네트워크 시스템을 나타낸다.

TDMA 기반으로 2.4 GHz 주파수 영역대를 사용하여 구현하였으며, 시거잭 형태로 제 작된 소형 베이스스테이션과 전후방 주차보 조 시스템을 위한 센서노드를 제작하였다.

네트워크 특성에 따른 결과

차량 내 무선센서 네트워크 구축을 위한

연구에는 통신 주파수 영역대를 선정해야 한다. 통신 주 파수는 주파수가 낮을수록(장파) 직진성이 약하기 때문 에 건물과 같이 장애물이 있어도 전파를 보낼 수 있지만 정보전달 용량은 적다. 그리고 주파수가 높을수록(단파) 일정 시간 동안에 많은 양의 데이터를 보낼 수 있으며 안 테나 역시 소형화시킬 수 있지만 중간에 장애물이 있을 때 통신 방해를 받을 수도 있다. 차량 내에서 이미 상용화 되어 사용되고 있는 무선 제품으로 TPMS(Timre Pressure Monitoring System)가 있다. 이 제품의 경우 국가 규정에 따라 차이는 있으나 주로 315~433 MHz 영역대 근방의 통 신 주파수를 이용하고 있는 추세이다. 한편, 차량 내 무선 센서 네트워크를 위한 연구로는 근거리 통신에 적합하고

소비전력도 적은 UWB(Ultra Wide Band)를 이용하여 차 량 내 통신 환경을 검증하는 사례를 볼 수 있으며, 다른 산업분야에서 적용되고 있는 Zigbee Alliance에 준한 통 신 방식을 적용하는 사례도 볼 수 있다.

통신 주파수 영역 외에도 통신 타이밍 제어기술에 대 한 선택 역시 중요하며, 대표적인 통신 타이밍 제어기술 로 TDMA(Time Division Multiple Access)와 CSMA- CA(Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance)가 있다. TDMA 방식의 경우, 통신 슬롯을 센서노드가 고정적으로 할당받을 수 있기 때문에 통신 효율이 좋고, 할당받은 슬롯 외에서는 슬립 모드로 진입 할 수 있기 때문에 저전력 동작이 가능하다. CSMA-CA

그림 4(a) 무선센서 네트워크 개념도, (b) 시거잭형 베이스스테이션, (c) 전 후방 주차보조 센서노드

그림 5차량 내 무선 채널 특성 측정 실험

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의 경우, 각 센서노드에게 별도로 할당되는 슬롯은 없으 며 각 센서노드에서 임의의 타이밍으로 데이터를 송신 한다. 통신 개시할 때, 타 센서노드가 통신을 하고 있는 지 확인(carrier sense)을 실행하고, 타 센서노드가 통신 중이라면 임의의 시간 이후 전송(collision avoidance)하 는 방식을 취한다. 통신 타이밍 제어기술은 형성하는 네 트워크 토폴로지에 따라 선택해야 한다. 그림 5는 차량 내 무선 채널 특성을 측정하는 실험환경을 보여주고 있 다. 실험 결과, 특히 엔진룸이나 트렁크처럼 차량 내 금 속으로 밀폐된 차단 공간에서는 채널 송실이 많다는 것 을 확인할 수 있다. 이러한 차단 공간에서는 전파의 페 이딩(fading) 현상이 발생하여, 간섭형상이 발생하기 때 문에 송수신 출력을 무조건 높이는 방법으로는 통신이 원활하게 되지 않는다. 일반적인 해결 방안으로 복수의 주파수를 통해 송신된 복수의 통신파 중, 수신상태가 좋 은 것을 선택하여 이용하는 다이버시티 수신(diversity reception)을 사용하거나 또는 베이스스테이션과 무선 센서노드 간에 중계기를 설치하여 멀티홉(multi-hop) 방식이 존재한다.

차량 내 무선센서 네트워크 기술의 동향 및 전망

무선센서 네트워크를 차량에 적용하는 방법에 대해 소개하였다. 기존의 유선 네트워크를 무선 네트워크로 대체함으로써 차량의 경량화뿐만 아니라 최근에 센서 수의 증가로 인해 발생한 배선 설계 및 유지보수의 어려 움을 해결할 수 있다. 차량 내 무선센서 네트워크는 차 세대 차량 개발에 필요한 기술이기는 하지만 자동차 분 야는 안전에 민감한 분야이기 때문에 무선 통신에 대한 안정성이 100%라고 할 수 있을 정도로 기술이 발전하고 오랜 시간에 걸쳐서 검증되어야 비로소 상용화가 진행

될 수 있을 것이다. 실제 산업에서 제품 개발 및 적용이 진행되기 위해서는 다음과 같은 사항들에 대한 연구 및 장기적 검증이 필요할 것이다.

a. 타 무선 통신을 하는 기기들과의 통신 간섭 회피 : 차량 내에서는 다수의 무선통신 장치가 사용되고 있다. 스마트폰 및 네비게이션 단말과 같은 기기는 물론, M2M(Machine to Machine) 기술로 인해 차 량 간 또는 차량과 서비스 단말기 간 서비스와 같 이 다양한 형태로 무선 통신이 이루어질 전망이다.

이와 같은 통신 환경에서 안정적으로 차량 내 베이 스스테이션과 무선센서노드가 통신할 수 있도록 간섭 회피 및 재전송 방안이 연구되어야 할 것이 다.

b. 배터리 개선 : 무선센서노드는 기본적으로 배터리 기반으로 동작하는 것을 가정하여 설계하기 때문 에 최저 교체주기를 고려한 저전력 구동 및 배터리 크기를 선정해야 한다. 차량을 통해 이용할 수 있 는 에너지 하베스팅 기술을 무선센서노드에 적용 해서 전기를 획득하거나, 높은 소비전류를 이용하 는 레이저와 같은 센서의 개선이 무선센서 네트워 크의 상용화에 도움을 줄 것이다.

c. 차량 내 무선 네트워크의 보안 : 차량 내부의 정보 가 무선으로 통신되기 때문에 외부에서 이를 탐지 및 악용하는 사항을 고려해야 한다. 특히 네트워크 해킹으로 인해 자동차 사고가 발생할 가능성도 있 기 때문에 베이스스테이션과 무선센서노드 간의 통신은 보안 알고리즘이 적용되어 있어야 한다.

차량 내 무선센서 네트워크는 연비개선과 공간 확보,

유지보수의 용이성이라는 장점이 있는 기술이기 때문

에 상용화를 위한 연구 개발은 활발히 진행될 전망이다.