High Speed V-Link Communication Technology Development for Real Time Control of Automated Driving Vehicle

2017년 1월

16ZC1100

자율주행 자동차의 실시간 제어를 위한 고속 V-Link

통신 기술 개발

High Speed V-Link Communication Technology Development for

Real Time Control of Automated Driving Vehicle

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세부과제 연차실적 보고서(아래한글)

연차실적 보고서

과제유형

1. 기초미래선도형 ( ○ ) 2. 공공인프라형 ( ) 3. 산업화형 ( )

대과제명

SW‧콘텐츠 기초·원천기술 개발

세부과제명

자율주행 자동차의 실시간 제어를 위한 고속 V-Link 통신 기술 개발

세부과제

책임자

소속 및 부서 자율주행시스템연구그룹

_직위

(직급)

책임연구원

성명

오현서

총연구기간

2016년 1월 1일 부터 2018년 12월 31일 까지 (36개월)

당해연도

연구기간

2016년 1월 1일 부터 2016년 12월 31일 까지 (12개월) (1차년도)

총

연

구

비

정부출연금

2,611,396 천원

당

해

년

연

구

비

정부출연금

969,396 천원

민간부담금

37,647 천원

민간부담금

323,132 천원

계

2,961,196 천원

계

1,292,528 천원

참여인력(M/Y)

총 연 구 기 간

40 명( 18 M/Y)

당해연도 연구기간

19 명( 8 M/Y)

참여기관

기관명

연구책임자

기관명

연구책임자

참여연구기관

앤트연구소

정상문

위탁연구기관

충남대학교 산학협력단

안재민

아주대학교 산학협력단

고영배

한국교통대학교 산학협력단

임성묵

키워드

목 차

제 1 장 연구 개요 ··· 6

제 1 절 연구 목표 ··· 6

제 2 절 개념도 ··· 7

제 3 절 필요성 및 중요성 ··· 8

제 4 절 기술 동향 ··· 12

제 2 장 당해년도 실적 ··· 27

제 1 절 연구개발 목표 및 추진체계(총년도) ··· 27

제 2 절 당해년도 연구 목표 ··· 31

제 3 절 당해연도 추진체계 ··· 32

제 4 절 당해연도 추진일정 ··· 33

제 5 절 연구수행 내용 및 결과 ··· 34

제 6 절 연구개발 목표의 달성도 ··· 94

제 7 절 당해년도 연구실적 ··· 95

제 8 절 당해년도 연구비 소요예산 ··· 99

제 3 장 차기년도 계획 ··· 100

제 1 절 국내외 연구동향 및 환경변화 ··· 100

제 2 절 차기년도(2차년도) 연구개발 개요 ··· 105

제 3 절 차기년도 추진체계 및 전략 ··· 108

제 4 절 차기년도 추진일정 ··· 110

제 5 절 차기년도 추진 성과지표 ··· 111

제 6 절 예상 파급효과 및 활용분야 ··· 112

제 7 절 차기년도 연구비 소요예산 ··· 113

<표 목차>

표 1. 미래창조과학부의 5G MASTER 전략 ··· 13

표 2. 한국전자통신연구원의 5G 핵심 성능 ··· 13

표 3. 삼성의 5G 비전 ··· 14

표 4. 5G PPP의 운용 관련 KPI ··· 16

표 5. METIS 사용자 요구사항 ··· 17

표 6. METIS 시스템 요구사항 ··· 17

표 7. 일본의 5G 요구사항 ··· 18

표 8. IEEE1609 표준화 항목 ··· 19

표 9. 차량통신 국내외 경쟁기관 현황 ··· 21

표 10. 기술개발 성과지표 (총사업연도/2016년도) ··· 27

표 11. 연도별 개발 목표 ··· 27

표 12. 값에 따른 64QAM 심볼 개수 ··· 44

표 13. 다이버시티 기반 채널추정 실험 변수 ··· 45

표 14. UP-AC 매핑 ··· 48

표 15. 단일 우선순위 데이터 전송 채널의 PDR 결과 ··· 51

표 16. 2가지 우선순위 데이터 전송 채널의 PDR 결과 ··· 53

표 17. 4가지 우선순위 데이터가 전송되는 채널의 PDR 결과 ··· 54

표 18. 적응적 방송 주기제어 알고리즘 ··· 57

표 19. 연속동작모드에서의 메시지 생성시간 알고리즘 ··· 58

표 20. 교번 동작모드에서의 메시지 생성시간 알고리즘 ··· 58

표 21. 적정 RepeatRate와 Interval을 통한 PRR 변화 ··· 63

표 22. 저장용 프레임 테이블 예시 ··· 69

<그림 목차>

그림 1. V-Link PHY 통신 기술 ··· 6

그림 2. V-Link MAC 통신 기술 ··· 6

그림 3. V-Link 응용서비스 및 단말 기술 ··· 6

그림 4. V-Link 기술 개념도 ··· 7

그림 5. V2X 기반 도로-자동차 협업 서비스 ··· 12

그림 6. 미국 미시건주 Ann Arbor의 파일럿 테스트 ··· 14

그림 7. 유럽의 V2X 기술 개념도 ··· 15

그림 8. 일본 ITS Green Safety 추진 서비스 ··· 15

그림 9. ITU-R의 8가지 핵심 성능 비전 ··· 16

그림 10. 3GPP의 V2X 서비스 유즈케이스 ··· 18

그림 11. 자동차/센서 관련 특허분포 ··· 22

그림 12. 협력주행 제어기술 특허분포 ··· 23

그림 13. V2X 통신기술 특허 분포 ··· 23

그림 14. 차량 통신 기술의 국내외 특허 출원 분포 ··· 24

그림 15. 연도별 주요연구 내용 ··· 28

그림 16. 연구개발 추진 체계도 ··· 29

그림 17. 표준화 추진 전략 ··· 30

그림 18. V-Link 물리계층/MAC 구조 ··· 34

그림 19. 국내 WAVE 주파수 채널 할당 ··· 34

그림 20. WAVE 통신 멀티 채널 동작 ··· 35

그림 21. V-Link 통신 모듈 구성 ··· 35

그림 22. 100Mbps 전송 속도의 모뎀 멀티 채널 동작 ··· 36

그림 23. Dual 모뎀의 TX Diversity 동작 ··· 36

그림 24. ICED 기법의 구조 ··· 39

그림 25. LLR값을 이용한 soft encoding 방식 ··· 40

그림 26. Highway LOS (252km/h) 환경에서 PER<BPSK, code rate=1/2> ··· 41

그림 27. Highway NLOS (252km/h) 환경에서 PER<BPSK, code rate=1/2> ··· 41

그림 28. 다이버시티를 적용한 복호기 기반 채널추정기법 구조 ··· 42

그림 29. Highway NLOS(400Km/h) 채널에서 값에 따른 BER ··· 44

그림 30. Highway LOS(400km/h) 채널에서의 BER ··· 45

그림 31. Highway NLOS(400km/h) 채널에서의 BER ··· 46

그림 33. 채널 할당 알고리즘 ··· 49

그림 34. 차량의 속도에 따른 차량 밀도의 변화 ··· 55

그림 35. 초기 균일분포 조건에서 방송주기변화 ··· 59

그림 36. 초기 동일 방송주기 조건에서 방송주기변화 ··· 60

그림 37. 집중분포 생성시점 조건에서 방송주기변화 ··· 60

그림 38. WAVE 1609.4 Channel Access 방법 ··· 61

그림 39. V2X 네트워크 구성도 ··· 62

그림 40. 차량 밀집도와 CCH Interval에 따른 PRR 결과 ··· 63

그림 41. 가변 Timeslot 기반 멀티채널 운용 방법 ··· 63

그림 42. 차량 밀집도와 CCH Interval에 따른 평균 지연시간 결과 ··· 64

그림 43. 두 차량 간 V2V 서비스의 지연시간 결과 ··· 65

그림 44. 광대역 서비스를 지원하는 채널 운용 방법 ··· 65

그림 45. Hybrid MAC 방식의 슬롯 점유 및 반송파 감지구간 ··· 66

그림 46. Hybrid MAC 방식과 기존 WAVE 방식과의 패킷 수신율 비교 ··· 67

그림 47. Hybrid MAC 방식과 기존 WAVE 방식과의 지연시간 비교 ··· 67

그림 48. 위치기반 TDMA MAC 방식의 셀 배치도 및 프레임 구조 ··· 68

그림 49. 저밀도 환경에서의 성능비교 ··· 72

그림 50. 고밀도 환경에서의 성능비교 ··· 72

그림 51. 군집 주행 기능 개념도 ··· 74

그림 52. 교차로 안전 정보 제공 기능 개념도 ··· 74

그림 53. 자동 발렛 파킹 개념도 ··· 75

그림 54. C-ITS/LTE 망간 연동 개념도 ··· 76

그림 55. 소규모 통신환경에서 Pdc=0.01% 성능을 위한 조건 (λ=10Hz, W=16) ··· 77

그림 56. 대규모 통신환경에서 Pdc=1% 성능을 위한 조건 ··· 77

그림 67. BSM 응용 서비스 테스트 환경 ··· 91

그림 68. BSM 응용 서비스 테스트 결과 (동작 시퀀스 및 판정 결과) ··· 91

그림 69. BSM 응용 서비스 테스트 결과 (Provider 동작 모니터링 결과) ··· 92

그림 70. BSM 응용 서비스 테스트 결과 (User 동작 모니터링 결과) ··· 93

그림 71. Auto Pilot 시스템 개념 ··· 100

그림 72. 미국의 Smart City 개념(출처: 스마트시티 홍보자료) ··· 101

그림 73. 국토교통부 자율주행 실험도시 개념 ··· 103

그림 74. V-Link 시스템 구성도 ··· 105

그림 75. V-Link 모뎀 구성도 ··· 106

그림 76. 다중접속 저지연 저간섭 MAC 기술 개념도 ··· 106

그림 77. V-LINK SW 블록도 ··· 107

그림 78. 차기년도 추진체계 ··· 108

제 1 장 연구 개요

제 1 절 연구 목표

고속으로 이동하는 차량 환경에서 차량주변의 위험 상황 정보와 차량 제어정보를 전달 하기 위하여 100 Mbps 급 무선전송과 5msec 급 Latency를 갖는 무선전송 모뎀 기술 개발 - 100Mbps급 PER=0.01%를 만족하는 V-Link 통신 모뎀 기술

- 5msec급 Low Latency를 제공하는 광대역 V-Link 통신 MAC 기술 - V-Link 무선 전송 기술 표준화

- V-Link 통신 기술 적용을 위한 서비스 및 단말 기술

그림 1. V-Link PHY 통신 기술

제 2 절 개념도

그림 4. V-Link 기술 개념도

자율주행 자동차에서는 360°Safety Belt를 형성하기 위해 대용량 센서 융합 정보가 발 생되며 차량과 인프라간 정보 전달을 위해 V2X connectivity가 필요한 상황으로 이와 관련 하여 차량에서 다수의 레이더와 카메라를 이용한 주변 차량 정보와 차량의 운행 제어정보가 생성됨에 따라 100Mbps급 데이터 전송과 실시간/신뢰성이 요구되며 차량에서 발생되는 정보 는 V2X Connectivity를 통해 주변 차량과 인프라에 제공함으로써 차량 센서의 가격을 줄이 고 차량의 인식 한계를 극복할 수 있음 ○ 자율주행자동차는 인프라와 협력을 위해 V2X 통신을 활용 - 차량에서 V2X 통신을 이용하면 차량 레이더 센서의 인지 범위와 각도를 크게 확장 할 수 있으므로 차량에서의 센서 비용을 줄일 수 있음 - V2X 통신의 신뢰성을 향상시킴으로서 차량주행제어 정보를 차량간에 공유하고 제어 분야 에 적용하여 주행 안전성과 편리성을 크게 향상 시킬 수 있음 ○ 수백 Mbps급 광대역 V2X 무선 전송 기술 - 차량 고속주행 환경에서 100Mbps급 무선전송 기술은 동시에 다수의 차량이 통신을 시도하 는 환경에서 Low Latency를 유지하면서 무선으로 정보를 제공할 수 있음 - PER=0.01%를 만족하는 무선전송 모뎀은 신뢰성이 크게 향상되어 차량 안전 뿐 만 아니라 주행제어에도 적용할 수 있는 기술로 응용범위가 큼 - 광대역 전송 기술을 이용하여 기준신호를 송수신함으로써 차량간 상대거리의 추정이 가능 하여 레이더 기능과 보완적으로 사용할 수 있음

제 3 절 필요성 및 중요성

1. 필요성

○ ICT 융복합 스마트 자동차 서비스 창출에 대한 정책적 필요성 - 운전자와 자동차, 자동차와 ICT 인프라 그리고 상호간 연결성(connectivity)을 기반으로 하여 차량안전, 첨단교통 그리고 클라우드를 기반으로 하는 빅데이터 서비스를 제공하는 새로운 융·복합 스마트 자동차 서비스 창출에 대한 필요성 제기 ○ 산업 및 공공 ICT 융합 기술에 대한 로드맵과의 관련성 - 고속 V2X 통신 기술 및 5G 기반 차량 무선 네트워킹 기술과 관련이 되며 해당 기술이 2018년경에 출현될 것으로 전망됨에 따라 전략적 대응이 요구됨 - 도로교통 안전서비스와 관련이 되며 국내외 C-ITS 사업, 스마트 모빌리티 사업과 직접적 으로 관련이 되므로 고속 V-Link 기술 개발이 필요함 ○ V2X 통신 주파수 할당 및 R&D 추진에 따른 필요성 - 미국과 유럽은 5.9GHz 주파수 대역을 V2X 통신용으로 할당하고 실용화를 추진함에 따라 국내에서도 2016년까지 5.9GHz 주파수 대역을 할당할 계획을 갖고 있어 해당 기술에 대한 개발이 요구됨 ○ 자율주행 서비스 기술 개발을 위한 요소통신기술 확보의 필요성 - 협력형 자율주행자동차의 실시간 제어를 위한 고속 V-link 통신 모뎀 및 MAC 핵심 원천 기술 확보와 표준화 추진의 필요성이 제기됨 - 차량의 자율주행 서비스와 IoT 서비스 그리고 차량 콘텐츠의 실시간 전송을 위한 무선 네 트워킹 기술 확보가 필요함

2. 중요성

미시건 앤아버에 통신망을 구축하고 약 3,000대의 단말을 차량에 장착하여 통신과 서비스 를 시험하였으며, 시험 결과 약 70~80%의 교통사고 위험상황에서의 충돌 예방에 도움이 되는 것을 확인함 - 하지만, 차량 안전 메시지는 100msec Latency 이하를 만족하여야 하나 해당 시험에서 수 백대의 차량이 동시에 운용되는 환경에서는 서비스를 위한 패킷 Latency 가 증가하는 문 제가 있음 - 서비스 시험을 위한 WAVE 데이터 전송속도는 통신 신뢰성 보장을 위하여 주로 6Mbps를 사 용하고 있으며 이로 인한 수백대의 차량에게 통신 서비스를 제공해야 하는 환경에서는 충 분한 데이터 전송속도를 제공하지 못함

3. 연구개발 과제 수행의 제약 요인

○ 국내 차량용 주파수 할당에 따른 제약 - 국내에서는 차량용 주파수 할당이 2016년도에 계획되어 있어 통신 시스템의 시작품 개발 시 통신 주파수에 따른 개발의 지연이나 혼선이 발생할 수 있음 - 2016년에 할당될 국내 차량용 주파수와 해외의 주파수가 상이할 경우 이중적인 개발 부담 이 발생할 수 있음 ○ 5G 통신 기술과의 차별적 개발 전략 요구 - LTE 혹은 5G의 통신 기술이 계속적인 기술규격 개정을 통해 차량분야의 통신 요구사항을 반영함에 따라 V-Link 기술 개발의 차별성 및 독창성이 요구됨

4. 기대효과

가. 기술적 측면

○ 차량용 광대역 무선전송기술 IPR 확보를 통한 국가 기술 경쟁력 강화

- 현재의 WAVE 기술이 10MHz 혹은 10MHz 채널 대역에 적합한 IEEE802.11p 및 IEEE1609.x 규 격으로 구성되어 있으나 V-Link 기술은 40MHz 이상의 광대역 채널을 활용한 기술로서 새 로운 광대역 차량용 무선전송 기술 확보와 표준 특허 확보를 통한 국가 경쟁력 증대 ○ 자율주행 자동차 및 미래 자동화 도로 시스템의 원천 기술로 활용 가능 - 수ms 이내의 지연시간(Latency)을 갖는 V-Link 통신기술은 현재 연구되고 있는 자율주행 에 필요한 핵심요소기술이며 또한 다양한 광대역 서비스를 끊김 없이 제공할 수 있는 성 능 요구조건을 만족시킴으로서 미래의 스마트 카 및 스마트 도로의 원천기술로 활용 가능 ○ 차량의 안전주행 및 운전자 편의를 제공하기 위한 기반기술 확보 - 2014년도부터 추진 중인 C-ITS 사업에서는 V2X 기술을 바탕으로 긴급차량 접근 경고, 전방

교통정체 경고, 공사구간 위험경고, 보행자와 차량간 위험 경고 등 15가지의 시범 서비스들 을 시험 추진 중에 있으며 V-Link 기술은 이러한 안전주행 및 운전자 편의 서비스들을 보다 다양하고 신뢰성 있는 링크를 광대역 서비스를 통해 다수의 차량에게 동시에 제공하는 기반 기술을 제공함

나. 산업적 측면

○ V-Link 기술 개발을 통한 국내외 표준화 및 자동차/ ITS 산업 육성에 기여 - 미국의 ASTM 주도 표준화 작업이 시작된 기존 WAVE(DSRC) 통신 규격은 국내 표준화 참여 및 기여가 미비하였으나 차세대 V-Link 기술은 새로운 2세대 차량통신 표준으로 표준 선 도 및 관련 자동차 업계의 새로운 ITS 산업 성장 원동력 제공 ○ 기술 선도 기관인 미국, 일본 그리고 유럽 등에 대한 기술 격차를 해소 - 스마트 도로교통 관련 안전지원 시스템 분야와 인증/보안 분야에 다수의 표준과 특허들을 미국과 유럽이 주도하고 있으나 한국에서도 군집 및 자율주행 서비스를 위한 통신 프로파 일 및 메시지 정의 분야에 선전하고 있어 V-Link 기술을 통한 기술 격차 해소 및 해당 차 량통신 분야에 적극적 공략을 통한 선도 기술 경쟁의 발판을 마련할 수 있음

다. 경제적 측면

○ 차량/도로에서 생성되는 센서 정보 융합으로 새로운 비즈니스 창출에 기여 - 2012년 기준 가장 큰 스마트/지능형 센서 시장은 유럽이며 특히 자동차 산업이 유럽의 스 마트/지능형 센서 시장을 견인하고 있으며 2012년 90억 달러에서 2019년 216억 달러 규모 로 성장할 전망 - 차량 센서와 통신, 제어, 임베디드 SW, 서비스를 융합한 기술로 새로운 부가가치를 창출 하고 2020년경 세계시장 규모는 70억 달러, 국내 시장은 3000억 원 정도로 예상됨 ○ ITS 무선통신 기술은 자율주행자동차 및 C-ITS 시장과 사업기회를 창출

- 정보통신산업진흥원(NIPA)이 운영하는 IT 지식포털(ITFIND)에 게재된 ‘ICT 브리프 (2015-9호)’에 따르면 세계 V2X 시장은 향후 2020년까지 약 1900만대 수준에 이르고 보

도입할 전망 ○ 사물간 통신, IoT 분야 등의 표준 전문가 및 인력 양성을 통한 시장 확대 - 국내 사물지능통신 시장은 2010년 2.3조원에서 2020년 26조원으로 연평균 30%이상 급성장 이 전망되고 있으며 Gartner는 2020년 2천억 개에서 2040년 1조개 이상으로 폭발적으로 사물 및 기기가 증가할 것으로 예상 - 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서는 사물지능통신의 중요성을 인식하여 다양한 프로젝트를 진행하고 있으며 사물지능통신 시장을 통한 신규시장 창출을 위해 노력 - V-Link 기술 확보를 통한 사물간 통신 및 IoT 분야 전문가 양성은 미래 시장 기술을 선점 하고 새로운 산업육성의 계기로 작용할 것으로 기대

라. 사회적 측면

○ 자동차 및 도로 사고율 감소로 인한 처리 비용 감소 - 교통 혼잡과 이에 따른 사회적 비용이 2000년 이후 3.98% 증가추세이며 2008년 기준 교통 혼잡비용은 26.9조원, 교통사고비용은 15.7조원에 달하고 있어 2020년까지 V2X 통신기반 의 ITS 기술을 활용하여 혼잡비용 1.3조원/년 절감 및 교통사고 감소 최대 81% 감소 등 을 목표로 제시함 ○ 자동차의 CO2 감소로 인한 환경 개선 및 환경 모니터링이 가능함 - 자동차 등록대수의 증가속도는 2002년 이후 2.32% 증가율에서 2020년까지 연평균 1.6%로 증가하여 2,033만대에 달할 것으로 예상되며 자동차가 전체 온실가스 배출량의 14%를 차 지하고 있어 정부는 2020년까지 ITS기술을 통해 교통부문 온실가스 배출을 34% 감축을 통 해 전체 온실가스 220만톤/년을 목표로 제시함

제 4 절 기술 동향

1. 국내·외 기술 동향

가. 국내 기술 동향

○ WAVE 기술 동향 - 국토교통부와 한국도로공사는 차세대 지능형교통체계(C-ITS) 시범사업을 추진하고 있으 며, 또한, 고속도로에서 돌발 상황 알림, 차량 정보 수집 및 제공 등의 교통안전 서비스 제공, 안전성과 편리성, 차량 연료를 감소를 목표로 2015년부터 스마트 모빌리티 기술개 발 사업 추진 - 자율협력주행도로시스템기술개발과제에서는 차량과 인프라간 접속을 통하여 차량간 정보 공유, 차량과 인프라간 LDM 정보와 도로 상황 정보 공유를 통하여 협력 주행 제어 기술연 구를 추진하고 있음

그림 5. V2X 기반 도로-자동차 협업 서비스

전략 주요내용 Market Activator 5대 핵심 서비스 발굴 및 2020년 세계 최초 상용 서비 스 실현 → 시장 선점효과 확대 Standard frontier 3G 첫 국제표준 참여 → 4G 표준 경쟁 → 5G에서는 국 제공조를 통한 글로벌 협력 기반 표준화 추진 Technology leader 5G 기술 확보를 위해 선도형 연구개발 추진 Ecosystem renovator 산업체질 강호를 위해 중소기업 지원 확대

표 1. 미래창조과학부의 5G MASTER 전략

- 한국전자통신연구원에서는 5G 통신을 ‘언제 어디서나 환경의 제약 없이 사람과 사물을 포함한 모든 사용자에게 지연 없이 Gbps급 서비스를 비용/에너지 효율적으로 제공하는 통 신’으로 정의하고 5G 핵심기술 확보를 위해 5G 연구개발 사업으로 5G 통합사업과 기가 코리라 5G 사업을 수행하고 있으며 5G 통신에 대한 요구사항을 아래 표와 같이 제시함 - 삼성은 5G 비전으로 아래와 같이 4가지 사항을 제시하였으며 RAN 관련 enabling 기술 제 시: 6GHz 이상 기술, FQAM(Frequency and Quadrature Modulation)/FBMC(Filter Bank Multi-carrier)등의 코딩/변조 및 다중접속 기술, advanced MIMO 및 beamforming, enhanced DeD, advanced small cell(wireless backhaul, increased density, no cell boundary), interference management 등

파라미터 값 최대 전송속도 100Gbps 사용자당 최소 전송속도 1Gbps 주파수 효율 4G대비 15배 전송 지연 1ms(무선 구간), 5ms(코어망 구간) 이동 속도 500km/h 단위면적당 연결 수 1,000,000개/㎢ 에너지 효율 4G대비 100배 단위면적당 전송용량 4G대비 100배

표 2. 한국전자통신연구원의 5G 핵심 성능

항목 기술진화

Everything on Cloud 전송지연 50ms, HD video(1.2GB)다운로드 20분 → E2E 네 트워크 전송지연 5ms, 전송률 1Gbps이상

Immersive Experience

720p HD, 12명 → 8K HUD, 100명 이상 (720p HD는 5Mbps, 8K UHD는 85Mbps전송률 필요, 셀 throughput 10Gbps 이상)

Ubiquitous connectivity 사람 중심 제한적 제어 → An intelligent web of connected things

Intuitive remote access 단거리, 제한적 제어 → 원거리, 실시간 전체 제어

표 3. 삼성의 5G 비전

나. 국외 기술 동향

○ WAVE 기술 동향

- 미국은 2003년부터 VII, IntelliDrive, Connected Vehicle 등의 프로젝트를 추진하여 왔 으며 실제 도로 현장에서의 테스트인‘Safety Pilot’을 추진하면서 정해진 테스트베드 상에서 실제 운전자를 대상으로 서비스를 검증한 ‘Safety Pilot Driver Clinics’와 실 제 도로 상에서 V2V 또는 V2I 통신 장치의 실제 상황에서의 서비스 유효성을 검증하는 ‘Safety Pilot Model Deployment’의 두 단계로 진행됨

그림 7. 유럽의 V2X 기술 개념도

- 일본은 ITS Japan 사업을 국토교통성, 경찰철, 총무성, 경제산업성이 연계하여 추진하고 있으며, 중앙센터에서 수집 및 처리된 교통정체, 교통규제 등에 대한 도로교통정보를 실 시간으로 차내 장치를 통해 제공하는 VICS(Vehicle Information and Communication System), V2I 통신에 의해 운전자의 인지나 판단의 지연 및 잘못에 의한 교통사고를 방지 하기 위한 DSSS(Driving Safety Support System) 등이 추진되었으며 이 사업의 일환으로 ‘안전하고 친환경적인 사회(Greener and Safer Society)’실현을 위한 민관협력 프로젝 트 ‘ITS Green Safety’가 추진되고 있음

그림 8. 일본 ITS Green Safety 추진 서비스

○ 5G 관련 기술동향

- ITU-R에서는 5G 이동통신 파라미터를 8개로 분류하여 8가지 핵심성능 비전을 제시함, IMT-2020은 5G 이동통신을 IMT-Advanced는 4G 이동통신을 나타내며 기술동향 보고서에서 는 기술 구분에 따라 이동통신 기술을 다루고 있는데, 기술구분은 무선 인터페이스 기술, 새로운 서비스 기술, 사용자 경험 향상 기술, 에너지 효율 향상 기술, 단말 기술, 네트워

크 기술, 사생화/보안 기술 및 전송속도 향상기술로 구분함, 새로운 서비스 관련 기술에 D2D, M2M, 재난용 Group 통신 등이 포함됨

그림 9. ITU-R의 8가지 핵심 성능 비전

- 5G PPP(Public-Private Partnership)는 범유럽 연구개발 프로그램인 Horizon 2020 중에서 5G 관련 연구개발을 수행하기 위한 프로그램이며 운용상 요구사항(KPI: Key Performance Index)으로 아래 표와 같이 6가지를 제시하고 있으며 운용 관련 요구사항 이외에도 사업 관련 요구사항 및 사회 관련 요구사항을 정의하고 있는데, 사회 관련 요구사항에 ‘U-HDTV 및 M2M과 같은 새로운 서비스’를 포함하고 있음 파라미터 값 전송용량 면적당 용량 1000배 이상 연결된 디바이스 10~100배 이상

표 4. 5G PPP의 운용 관련 KPI

real-time and reliable connections’, ‘Ubiquitous things communicating’ 5가지를 제시하고 있으며, 시나리오와 연계하여 test case 12가지를 발굴하였음, 사용자 요구사항 과 시스템 요구사항은 아래 표와 같음 파라미터 값 전송용량 면적당 용량 1000배 이상 연결된 디바이스 10~100배 이상 사용자당 전송속도 10~1000배 이상 에너지 소모 10배 이상 더 적게 전송지연 5배 이하 더 적게

표 5. METIS 사용자 요구사항

파라미터 값 전송속도 1~10Gbps 용량 36TB/month/user 스펙트럼 더 높은 주파수와 융통성 에너지 현재 소모량의 10% 전송 지연 1ms

D2D능력 NSPS(National Security and Public Safety), ITS등 신뢰성 시간상 99.999% 커버리지 LTE의 20dB이상 배터리 10년 면적당 디바이스 액세스 노드당 300,000

표 6. METIS 시스템 요구사항

- METIS는 전반적인 시스템 관점에서의 주제를 ‘Direct Device-to-Device Communication’, ‘Massive Machine communication’, ‘Moving Networks’, ‘Ultra-Dense Networks’, ‘Ultra-reliable Communications’5 가지로 분류하고 있음

- 일본은 ‘ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group’을 구성하여 5G 백서를 2010년 작성함, ‘5GMF(The Fifth Generation Mobile Communications Promotion Forum)’를 구성하여 5G 기

술연구, 5G 표준, 정보수집, 국제 협력 및 5G 홍보 예정이며 일본의 5G 요구사항은 아래 표와 같음

파라미터 값 최대 전송속도 10Gbps 이상 이동성 500km/h 면적당 용량 1000배 이상 연결 단말수 셀당 10,000개 사용자 평면 지연 1ms 에너지 감소 1/n

표 7. 일본의 5G 요구사항

다. 국내·외 표준화 현황

○ 3GPP

- 3GPP에서는 2014년 12월부터 V2X 서비스를 위한 연구아이템으로 Study on LTE Support for V2X 서비스를 선정하여 표준화를 추진하고 있음

- 이 표준의 목적은 V2X 서비스를 고려하여 V2X 서비스를 지원하는 유즈케이스와 필요한 요 구사항을 규정하고, 관련 정부기구 사업 즉 국토교통부에서 추진하고 있는 C-ITS 프로젝 트를 포함한 GSMA Connected Living, ETSI ITS (Intelligent Transportation System), US SAE 같은 타 표준화 기구에서 규정한 관련 파라미터를 규정하는 것임 - V2V, V2I, 및 V2P 를 포함하는 LTE V2X의 필수 유즈케이스와 확인할 요구사항은 다음과 같음 § V2V: 차량사이의 LTE 기반 통신 § V2P: 차량과 개인 소형단말(Handheld) 기기 사이의 LTE 기반 통신 § V2I: 차량과 노변에 설치된 장치 사이의 LTE 기반 통신

- 특히 사고정보 전달이나 위험정보를 전송하는 통신시스템 활용 서비스 개발에 주목하고 있으며 V2V와 V2I를 통하여 제공하는 여러 가지 서비스를 규정하고 있으며 V2X 서비스는 ITS America에서 규정한 50 가지 서비스 외에 국제적 표준화 기구와 우리나라 C-ITS 서비 스에서도 많이 규정하고 있으며, 대표적인 서비스는 도로안전서비스(Road Safety Services), 네트워크 커버리지 밖의 V2X 서비스, 인프라를 통한 도로안전서비스, 보행자 충돌경고 서비스 등이 주요하게 논의되고 있음 - 이외에 중요한 서비스는 네트워크 커버리지 밖의 V2X 서비스로 전통적인 차량간 통신 서 비스로 해석할 수 있으며 인프라가 구축되지 않았거나 네트워크 커버리지를 벗어난 지역 에서는 차량간 직접 통신이 가능하며, 재난 발생 등으로 E-UTRAN이 서비스 되지 않는 지 역에 위치할 때에 V2X 통신 시나리오를 기술하고 있음 - 이 서비스를 위해서는 통신하려는 모든 차량에 V2V 서비스를 지원하는 사용자 단말이 장 착되어 있어야 하고 E-UTRAN이 서비스 되지 않는 지역에 포함되어 있으며 또한 E-UTRAN이 지원되지 않는 지역에 효과적인 파라미터 설정이 이루어져 있어야 하며, 각 차량은 상대 차량의 위치, 방향, 속도를 인식하게 되어 서비스를 실행함 - 이 서비스를 제공하기 위해서는 허가대역이 필요하고 정해진 기술기준이 설정되어 있어야 하며 현재 이 서비스를 3GPP 네트워크, 3GPP EPC(Evolved Packet Core) 혹은 사업권이 있 는 이동통신망 사업자가 제공하는 3GPP 시스템으로 제공하기 위해서는 기관간의 협정 등 추가적인 연구가 필요한 상황임

○ IEEE

- IEEE1609에서는 2010년 12월부터 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments) 시스 템 표준화를 추진하고 있고 이 표준의 목적은 IEEE802.11 기반의 무선통신표준 위에 차량 에 적합한 다채널 운영, 네트워킹, 보안표준 등을 포함한 무선접속기술 표준화를 추진하 는 것임 - 현재는 1차 버전을 완성하고 개정 작업을 진행하고 있으며 표준화 아이템 목록은 다음과 같음 문제번호 문서제목 단계 IEEE 1609.2™ /D9

Draft Standard for Wireless Access in Vehicular Environments - Security Services for Applications

and 5 Management Message

개정 중

IEEE 1609.3™ /D3 Draft Standard for Wireless Access in Vehicular

Environments (WAVE) - Networking Servicess 개정 중

IEEE 1609.4™ /D4

Draft Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)— Multi-channel Operation

Corrigendum 1: Miscellaneous Corrections

개정 중

IEEE 1609.11™

Draft Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Over-the-Air Electronic Payment Data Exchange Protocol for Intelligent

Transportation Systems (ITS)

2010년 완료

IEEE P1609.12™/D6 Draft Standard for Wireless Access in Vehicular

Environments (WAVE) - Identifier Allocations 진행 중

○ TTA

- 국내에서는 TTA PG905를 중심으로 ITS/차량 ICT 기술에 관련한 차량 및 도로 통신 네트워 크 기술, 운전자 지원 기술, 응용 및 서비스 기술, 도로 센서 네트워크 기술 등에 관련한 표준 개발이 이뤄지고 있으며 기타 차량 ICT 관련 국제 표준기구와의 협력도 함께 진행되 고 있음 - TTA의 TC7 PG708을 중심으로 사물지능통신 관련 국내 표준을 개발 중에 있으며 보안 관련 부분은 TC5 PG504를 중심으로 차량 간 통신환경에서의 메시지 암호화 규격, 차량 간 통신 보안 요구사항 등 지속적인 표준화 활동이 진행되고 있음 - 최근 제정된 통신 프로파일 및 메시지 관련한 표준 동향은 지능형 교통체계 통신 시스템 분야의 인터페이스 기술, 협력주행 환경에 필요한 메시지 그리고 모바일 단말과 차량 간 의 데이터 프로토콜 등이며 협력주행이나 자동유도를 위한 데이터 교환 프로토콜 기술들 이 과제로 채택되어 진행되고 있음 ○ ITS Korea - 지능형 교통시스템(ITS) 산업의 효율적인 발전을 위해 ITS 표준화 선도에 노력하고 있으 며 특히 ITS 분야 전반에 걸친 표준기반조성, 표준개발지원 및 표준보급과 유지 관리 등 을 지원하고 있음 - 표준기반조성을 위해 2000년대부터 국가 ITS기술 표준화 사업을 수행하였고 이어서 국가 ITS 기술 표준화 연구 및 표준적용방안 등을 연구하였으며 최근 교통정보 연계제공 표준 화 방안 연구, ITS 교차로 신호경고시스템 시험평가방안 국제 표준개발, 돌발 상황 검지 시스템 표준규격 및 성능기준 개발에 이어 ITS 표준정비와 제/개정을 계속해서 추진하고 있음 - 표준 개발 지원을 위해 최근 대중교통 정보교환 기술기준, DSRC를 이용한 ETCS의 정보교 환 기술기준, 기본교통정보 교환 기술기준 등의 여러 기술기준을 완료하였으며 ITS관련 단체표준으로는 ETCS 성능시험방법에 대한 표준, DSRC를 이용한 교통정보제공 OBU 성능시 험방법에 관한 표준 등 ETCS에 관련한 인터페이스와 요구사항 등을 제정함

라. 동일, 유사 내용에 대한 국내외 관련자들의 수행내용

○ 국내 관련자들의 수행 내용 - 국내에서는 자동차사와 관련 기업체를 중심으로 ACC 시스템 개발 및 양산에 이어 V2X 통

료되었으며 사업내용은 교통정보 수집/제공 장치 설계 및 구축과 센터 시스템 설계 및 구 축이며 국도 46호선의 연속류 도로 및 단속류, 비신호 교차로를 이용하여 테스트베드를 구축하고 총 22개의 기지국과 50개의 차량단말을 설치 및 운영하였음 ○ 국외 관련자들의 수행 내용 - 국외 자동차사 중심으로 ACC 시스템을 군집주행 서비스를 위한 기반 기술로 활용을 위해 차량과 차량, 도로 연계 정보를 ACC와 융합하는 시스템 개발을 진행하고 있으며 이에 대 한 표준개발에 적극적으로 참여하고 있음

- 유럽은 Chauffeur(1995~2004), SARTRE(2009~2012)와 독일의 KONVOI(2005~2009) 프로젝트 에서 영상, 레이더, 라이다 등을 활용하여 차량의 종방향 제어를 통해 트럭의 군집주행을 실험하고 그 연비개선 효과를 분석함

- 유럽의 SPITS 프로젝트(2009~2011)에는 C-ITS 서비스를 위해 필요한 지능형 교통 시스템 플랫폼을 개발하고 GCDC (Grand Cooperative Driving Challenge) Interaction protocol을 개발하고 GCDC 협력주행 경진대회에 참가하는 차량들에게 배포하여 사용 가능한 수준에 가까운 군집주행 기술을 확보함

- 미국은 캘리포니아 PATH (Partners for Advanced Transportation Technology) 프로젝트 (2000~2011)를 통해 차량의 센서를 통한 종방향/횡방향 제어기술을 활용하여 노선버스의 정확한 정차를 위한 자동운전 기술과 에너지 효율 향상을 위한 트럭 군집주행 기술을 확 보함 - 미국의 구글 무인 자율주행 자동차는 2010년에 최초로 자율주행 자동차를 발표하였고 2012년 미국 네바다 주와 캘리포니아 주에서 면허를 취득하고 실제 도로에서 실증평가 및 개발을 수행중임

마. 국내외 경쟁기관 현황

- 국내외 대표적인 경쟁기관을 DSRC, Wi-Fi 및 WAVE 기술로 분류하여 아래와 같이 표로 정 리하였으며 수십 미터 이내의 통신범위를 갖는 DSRC 기술을 제품으로 양산하여 국내 고속 도로 통행료 징수를 위한 하이패스 서비스에 활용되고 있음 - 기존 노매딕 환경의 무선통신 기술인 Wi-Fi 기술에 이동성을 추가하여 WAVE 기술로 발전 시켰으며 ITS 서비스를 위한 근거리 통신장치를 연구 개발하여 획기적인 지능형 도로교통 시스템의 발전에 기여하고 있음 세부기술 업체명 보유 기술 또는 특허

표 9. 차량통신 국내외 경쟁기관 현황

바. 특허 동향

○ 관련 기술의 국가별 특허 분포 - 자동차와 관련된 센서융합, 협력주행 제어 기술 및 V2X 통신 관련 국가별 특허 분포는 아 래의 그림과 같음 DSRC 기술 AITS IR DSRC 기지국 및 단말 생산 LS 산전 삼성SNS DSRC 기지국 및 단말 생산 DB정보통신 ETC 통합차로제어기 삼성SDS IR DSRC 기지국 및 단말 생산 아이트로닉스 AITS ETC 단말기 및 기지국 생산 Wi-Fi 기술 유브릿지 Atheros Wi-Fi 모듈 크리웨이브 Atheros Wi-Fi 모듈 JMP정보통신 Atheros Wi-Fi 모듈 WAVE 기술 코아벨

ETRI, KETI IEEE802.11a 칩 기반 WAVE 모듈 ETRI, KETI IEEE802.11p 칩 솔루션

ETRI, KETI IEEE802.11p IP 솔루션

차량단말 기술 Kapsch ASD 단말기 개발 Savari MobiWAVE 단말기 개발 Cohda MK5-OBU 단말기 개발 Arada LocoMate 단말기 개발 Autotalk Pangaea4 단말기 개발

그림 12. 협력주행 제어기술 특허분포

그림 13. V2X 통신기술 특허 분포

- 센서 및 자동차와 관련된 특허는 미국이 약 60%를 차지하고 있으며 일본, 한국 및 유럽에 서 각각 19%, 15% 및 6%를 차지하고 있음 - 협력주행 및 V2X 관련 특허의 대부분은 미국이 차지하고 있고 한국, 일본 및 유럽이 특허 의 나머지 부분을 거의 균등히 나누어 가지고 있음 ○ 국내․외 관련 기술의 특허 분포 - 자동차와 센서를 융합한 기술은 자동차관련 기술에서 널리 사용되고 있으나 센서와 통신 기술을 융합한 기술은 많이 고려되고 있지 않음 - 협력주행 제어기술과 관련된 특허는 주로 군집운행에 초점을 두고 있고 V2X를 이용한 기 술은 주로 안전메세지/교통정보수집 등에 중점을 두고 있음 - 협력주행 및 V2X 통신에서 차량을 제어하는 기술은 부분적으로 적용되고 있으며 아래 그 림은 차량통신 관련된 국내외 특허의 출원 분포를 나타낸 것임

그림 14. 차량 통신 기술의 국내외 특허 출원 분포

○ 국내 특허 현황 - 국내에 출원된 특허의 경우, 현대자동차가 18건으로 가장 많은 출원을 보이고 있으며, 그 뒤를 이어 한국전자통신연구원, 엘지전자, 현대오토넷, 현대모비스, 삼성전자, 트라이콤 텍 등의 출원 분포를 형성하고 있음 - 기술 분야별로 보면 차량 플랫폼 분야 3건, 프로토콜 및 게이트웨이 기술 분야 39건, 라 우팅과 맥 기술 분야 7건, 정보 인증 및 보안 기술 분야 11건, 다이버시티와 모뎀 기술 분야 4건, 측위 분야 14건이 출원된 것으로 나타남 - 플랫폼은 특허 출원이 가장 저조한 기술 분야로 국내보다는 해외의 기업이 국내 출원을 주도하고 있음 - 프로토콜 및 게이트웨이는 특허 출원이 가장 활발한 기술 분야로써, 기업과 학교 그리고 연구 기관에 걸쳐 다양한 출원인 분포를 보임. 이 중 현대차와 현대오토넷이 가장 많은 특허 출원을 보이고 있는데 대부분 차내망 및 차내망 연동 프로토콜 기술에 중점을 보인 반면 다음으로 많은 특허를 출원한 한국전자통신연구원은 차내망과 차외망의 연동과 차량 과 노변간 통신에 활용되는 게이트웨이 기술에 많은 비중을 두고 있음 - 라우팅, MAC 기술 분야는 한국전자통신연구원이 가장 많은 특허를 출원했고 기업에서는 트라이콤텍이 고속 이동성을 고려한 기지국과 차량 탑재 장치에 관한 특허 등으로 두 번 째로 많은 특허를 출원함 - 정보 보안 및 인증의 경우, 텔레매틱스 서비스와 연관하여 현대자동차와 엘지전자에서 많 은 특허를 출원함 - 차량통신 환경에서의 모뎀기술 및 다이버시티 분야는 많은 특허가 출원되지 않음

도 눈에 띄며 일본은 1998년도 이후부터 그리고 한국은 2003년도를 기점으로 특허 출원을 꾸준하게 하고 있음. 반면 초반에 출원 비율이 높았던 유럽은 최근 추세가 주춤함 - 인증 및 보안 분야에서는 미국이 과반 수 이상의 비율을 가지고 있으며, 2004년도에 유럽 과 미국에서 특허 출원이 많음. 또한 2005년도를 기점으로 중국에서 특허 출원을 꾸준하 게 하고 있는데 VANET 또는 MANET과 같은 통신 환경에서의 인증 및 보안 알고리즘이 아닌 텔레매틱스 서비스를 위한 인증 및 보안 방법에 대한 특허가 많이 출원됨 - 차량통신의 다이버시티와 모뎀기술에 대한 특허 건수는 국내와 마찬가지로 미미함. 모뎀 의 경우 차량통신 모뎀이 아닌 모뎀을 구성하는 세부기술 (OFDM, 변복조 등)들에 대한 특 허 출원이 주류이며, 다이버시티도 차량통신 분야가 아닌 이동통신, 무선통신과 같은 큰 범주에서 많은 출원이 이루어짐 ○ 지재권 확보 가능성 - 전통적으로 라우팅, MAC 분야는 미국과 유럽이 원천 기술을 다수 확보하고 있음. 차량제 어를 위해서는 실시간성, 고속 이동성 및 신뢰성이 보장되어야 함으로 V2X 디바이스 간 통신, 개인 무선기기들과의 다양한 데이터 교환을 제공하기 위한 새로운 형태의 라우팅과 MAC 기술이 필요하며 기존 통신망과 다른 특화된 특허 출원이 필요함 - 다이버시티/모뎀 기술은 차량통신관련 표준인 WAVE가 기존의 무선랜과 크게 다르지 않은 기술을 사용하고 있기 때문에 지재권 수가 많지 않음. 그러나 차량 통신의 주파수 특성상 LOS가 보장되지 않으면 통신 성능이 급격히 저하되기 때문에 음영 지역을 해소하거나 통 신 커버리지를 확장시키고 고속이동에서도 안정적인 통신 성능을 제공하기 위해서는 추가 적인 기술 개발 및 특허확보가 필요함 - 차량에 필요한 정보를 제공하는 장치로서의 센서와 차량 간의 특허는 다양하게 분포하고 있음. 센서, 차량 간 통신 및 차량-기지국간 통신을 이용하여 현재 주행 중인 차량의 정 보를 이용할 뿐만 아니라 주변 환경정보를 고려하여 차량을 제어할 수 있는 기술에 대해 서는 새로운 특허 확보가 가능할 것으로 판단됨

2. 핵심요소 및 접근방법

○ 차량환경에서의 광대역 V2X 통신 모뎀 기술 개발 - 채널 대역폭 확장(10/20/40MHz) 또는 Channel Aggregation 방식을 적용하여 100Mbps 급 광대역 전송기술 연구

- High Order Modulation(64QAM) 에서의 채널 추정 및 성능 개선 연구 - 안테나 다이버시티/스마트 안테나를 적용한 PER 성능 개선 연구

○ 5msec Latency를 제공하는 광대역 V2X 통신 MAC 기술 개발

- 서비스 종류(차량 제어, 안전 경고 등) 및 서비스 Priority 에 따른 채널 할당 알고리즘 을 연구 및 시뮬레이션을 통한 검증

- 사용자 수가 증가함에 따른 채널 모니터링 및 Congestion Control 알고리즘 연구 및 시뮬 레이션을 통한 검증

○ 차량 환경에서의 광대역 무선전송 모듈 개발 - 제안된 V2X 통신 모뎀과 MAC 기술의 기능 및 성능을 평가하기 위하여 무선 전송 모듈을 구현하여 시험을 통하여 검증함 - 광대역 V2X 통신 모뎀은 5.9GHz 주파수 대역에서 동작하며 기존의 WAVE 통신 규격과도 호 환성을 제공하도록 개발함 - 광대역 V2X 통신 모듈 시험은 다경로 페이딩 채널 시뮬레이터를 이용하여 실내 시험환경 을 구축하여 성능을 평가

제 2 장 당해년도 실적

제 1 절 연구개발 목표 및 추진체계(총년도)

1. 목표

고속으로 이동하는 차량 환경에서 차량주변의 위험 상황 정보와 차량 제어 정보를 전달 하기 위하여 100 Mbps급 무선전송과 5msec급 Latency를 갖는 무선전송 기술을 개발 ○ 100Mbps급 PER=0.01%를 만족하는 V-Link 통신 모뎀 기술 ○ 5msec급 Low Latency를 제공하는 광대역 V-Link 통신 MAC 기술 ○ V-Link 무선 전송 기술 표준화 ○ V-Link 통신 기술 적용을 위한 서비스 및 단말 기술 성과지표 (주요성능 Spec) 단위 세계최고 수준 기술개발 목표치 목표치 산출근거 검증방법 비고 (2018) ① 최대 데이터 전송속도 Mbps 54 54 주1) 규격 및 상세 설계서 108 ② 이동성 km/h 200 200 최대400 에뮬레이션 400 ③ PER % 10 5 주2) 에뮬레이션 0.01 ④ Latency ms 100 50 주3) 측정데이터 5

표 10. 기술개발 성과지표 (총사업연도/2016년도)

주1: 정지 시에 최대 108Mbps 이상, 400 Km/h 에서는 단일 채널 동작에서 최대72Mbps(18Mbps x 4 채널)을 제공하며 Dual 채널 동작 시 90Mbps(5 채널) 까지 제공 주2: PER = 0.01 은 MAC 레벨에서 200 바이트 이내의 차량 제어용 패킷을 6Mbps로 전송하고 수신할 때의 패킷 수신 에러율임 (단, 주행속도는 100km/h) 주3: 패킷을 송신하였을 때 MAC 레벨에서의 end-to-end 시간 지연을 의미함 구 분 목 표 내 용 1차년도 (2016) ○ 차량 환경에서의 광대역 무선전송 규격 개발 및 표 준화 기반 조성 ○ V-Link 서비스를 위한 메시지 규격 및 단말 설계 - 100Mbps급 PER=0.01%를 만족하는 V-link 무선전송 규격 개발

- 5msec급 Low Latency를 제공하는 V-link MAC 규격 개발 - 표준화 항목 도출 및 국내외 표준화 기반 조성 - 자율주행 서비스에 필요한 V-Link 통신 요구사항 정의 - WAVE와의 호환성을 위한 V-Link 단말 설계 - 차량 내부망(CAN)연계 V-Link 응용 메시지 규격 설계 2차년도 (2017) ○ 차량 환경에서의 광대역 무선전송 기술 구현 및 표 - 100Mbps급 PER=0.01%를 만족하는 V-link 무선전송 모뎀 구현

표 11. 연도별 개발 목표

그림 15. 연도별 주요연구 내용

준화 ○ V-Link 서비스를 위한 단말 구현

- 5msec급 Low Latency를 제공하는 V-link MAC 기술 구현 - 100Mbps급 V-link 무선전송 기술 표준화 - V-Link 모뎀/MAC 검증용 하드웨어 구현 - V-Link 서비스를 위한 통신 소프트웨어 및 응용 서비스 구현 3차년도 (2018) ○ 차량 환경에서의 광대역 무선전송 기술 검증 및 표 준화 ○ V-Link 단말 시제품 제 작 및 서비스 검증 - 100Mbps급 PER=0.01%를 만족하는 V-link 무선전송 모뎀 구현 및 검증

- 5msec급 Low Latency를 제공하는 V-link MAC 기술 구현 및 검증

- 100Mbps급 V-link 무선전송 기술 표준화

- V-Link 통신 단말 시제품 제작 - V-Link 서비스 검증

2. 추진체계

○ V-Link 광대역 무선전송 핵심원천 기술연구는 대학과의 협력하여 추진 ○ V-Link 통신기술을 이용한 서비스 연구를 자동차업체와 협력하여 추진 ○ ETRI는 V-Link 통신기술 규격 개발 및 검증, 그리고 표준화를 중점적으로 추진 ○ V-Link 통신 규격은 국내 표준화와 국제 표준화를 동시에 추진함

그림 16. 연구개발 추진 체계도

3. 연구개발 방법

○ V-Link 광대역 무선전송 핵심원천 기술은 대학과의 협력으로 추진 - 고속 무선전송을 위한 광대역 전송 및 채널 Aggregation 통신 방식 연구 - PER=0.01%를 만족하기 위한 안테나 다이버시티 및 채널 이중화 방식 연구 - NLOS 무선채널환경에서의 무선 네트워킹 방식 연구 ○ V-Link 통신기술을 이용한 서비스 연구를 자동차업체와 협력하여 추진 - 자율주행서비스에 필요한 V2X 통신 요구사항 발굴 및 규격에 반영 - 차량에 V2X 통신 기술 적용에 따른 서비스 모델 제시 ○ 차량환경에서의 광대역 V2X 통신 모뎀 기술 개발

- 채널 대역폭 확장(10/20/40MHz) 또는 Channel Aggregation 방식을 적용하여 100Mbps급 광 대역 전송기술 연구

- High Order Modulation(64QAM) 에서의 채널 추정 및 성능 개선 연구 - 안테나 다이버시티/스마트 안테나를 적용한 PER 성능 개선 연구

○ 5msec Latency를 제공하는 광대역 V-link 통신 MAC 기술 개발

- 서비스 종류(차량 제어, 안전 경고 등) 및 서비스 Priority 에 따른 채널 할당 알고리즘 을 연구 및 시뮬레이션을 통한 검증 - 사용자 수가 증가함에 따른 채널 모니터링 및 Congestion Control 알고리즘 연구 및 시뮬 레이션을 통한 검증 ○ 고속 V-Link 통신 기술 국내외 표준화 추진 - 국내 TTA에 고속 V-Link 무선전송 기술 표준화 제안 - 국제 표준화 기구(3GPP)의 V2X 표준화 동향 분석 및 표준 기고

그림 17. 표준화 추진 전략

제 2 절 당해년도 연구 목표

1. 연구개발 목표

○ 차량 환경에서의 광대역 무선전송 규격 개발 및 표준화 기반 조성

- 100Mbps급 PER=0.01%를 만족하는 V-link 무선전송 규격 개발 - 5msec급 Low Latency를 제공하는 V-link MAC 규격 개발 - 표준화 항목 도출 및 국내외 표준화 기반 조성요소기술 개발

○ V-Link 서비스를 위한 메시지 규격 및 단말 설계

2. 연구개발 내용

○ 100Mbps급 PER=0.01를 만족하는 V-Link 무선전송 규격 개발 - WAVE와 호환성을 제공하기 위한 채널 대역폭 가변이 가능하고 대역폭을 통합으로 운용할 수 있는 모뎀 기술 설계 - 차량고속 이동환경(400Km/h)에서의 OFDM 모뎀 채널 추정 알고리즘 연구 - 다중경로 채널 환경에서 PER 0.01%를 만족하는 동기 알고리즘 연구

○ 5msec급 Low Latency를 제공하는 V-Link MAC 규격 개발

- 정보 유형(차량 제어 데이터, 경고 데이터, 상황 데이터)에 따른 QoS 관리 및 Packet Scheduling 규격 설계

- 다수의 차량 환경에서 Low Latency를 제공하기 위한 MAC scheduling 알고리즘 연구

○ 고속 V-Link 국내외 표준화 활동 - 국내 TTA에 고속 V-Link 무선전송 기술 표준화 제안 - 국제 표준화 기구(3GPP)의 V2X 표준화 동향 분석 및 협력기반 조성 ○ V-Link 서비스를 위한 메시지 규격 및 단말 설계 - 자율주행 서비스에 필요한 V-Link 통신 요구사항 정의 - WAVE와의 호환성을 위한 V-Link 단말 설계 - 차량 내부망(CAN)연계 V-Link 응용 메시지 규격 설계

제 3 절 당해연도 추진체계

○ V-Link 광대역 무선전송 핵심원천 기술연구는 대학과의 협력하여 추진

○ V-Link 통신기술을 이용한 서비스 연구를 자동차업체와 협력하여 추진

○ ETRI는 V-Link 통신기술 규격 개발 및 검증, 그리고 표준화를 중점적으로 추진

○ V-Link 통신 규격은 국내 표준화와 국제 표준화를 동시에 추진함

제 4 절 당해연도 추진일정

과제내용 추 진 일 정 _활동 책임자 연구개발비 (천원) 참여인력 (M/Y) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 100Mbps급 PER=0.01를 만 족하는 V-Link 무선전송 규 격 개발 - 요구사항정의서 - 무선 전송 규격 및 모뎀 기술 설계 - 채널 대역폭 가변 및 통합 알고리즘 개발 - 시뮬레이터구현 및 모뎀 시뮬 레이션 최현균 2.5 M/Y

5msec급 Low Latency를 제공하는 V-Link MAC 규격 개발 - 요구사항정의서 - MAC 스케줄링 규격 설계 - MAC 스케줄링 알고리즘 개발 - MAC 시험(시뮬레이션) 송유승 1.5 M/Y 고속 V-Link 국내외 표준화 활동 - 국내 TTA 표준화 제안 - 국제 표준화 기반 조성 오현서 1 M/Y V-Link 서비스를 위한 메시 지 규격 및 단말 설계 - 서비스를 위한 요구사항정의 - WAVE와의 호환성을 위한 V-Link 단말 설계 - CAN 연계 V-Link 응용메시지 규격 설계 유정욱 2.7 M/Y 주요 Milestone 완성점에서의 수행결과 ¡ 요구사항정의서 ¡ 모뎀 규격서 ¡ 특허 ¡ V-Link 모뎀 /MAC/ 단말 설계 서 ¡ 메시지 규격서 ¡ V-Link 모뎀/MAC 기술 시험 결과서 ¡ SW ¡ 기고서 ¡ 논문 및 특허 7.7 M/Y

제 5 절 연구수행 내용 및 결과

1. 100Mbps급 PER=0.01를 만족하는 V-Link 무선전송 규격 개발

가. 채널 구조 및 성능 향상 방안 연구

1) V-Link 통신 시스템 기본 개념

V-Link 통신은 현재 사용되는 WAVE 통신 규격과 호환성을 제공하면서 통신 속도와 Packet Latency, 그리고 PER 성능을 향상시키는 기술이므로 WAVE 주파수 채널 운용을 기준 으로 통신 링크의 성능을 향상시키는 기술로서 다음과 같은 사항을 고려한다.

§ WAVE 통신 규격(IEEE 802.11p + 1609 stack)을 반영

§ 무선 채널의 주파수 대역폭을 최대 40MHz 까지 확장 가능: 100Mbps 전송

§ 채널 이중화 및 다이버시티 기술에 의한 성능 향상 : PER=0.01%

§ 무선 링크 성능을 향상시키기 위한 MAC, Packet Scheduler 기능 제공

그림 18. V-Link 물리계층/MAC 구조

2) WAVE 통신 채널 구조

V-Link 무선 전송 방식은 기본적으로 WAVE 통신 방식과 호환성을 제공하면서 전송 속도 의 향상으로 통신 링크의 신뢰성을 향상시키는 방안을 연구하였다. WAVE 주파수 채널 대역 폭이 10MHz이고 제어 채널과 서비스 채널을 스위칭하는 멀티채널 운용 기술을 기반으로 한

아래의 그림은 일정 주기로 제어 채널과 서비스 채널을 스위칭하면서 정보를 전송하는 채널 스위칭 동작을 보여 준다. 현재 WAVE 채널을 이용하여 전송할 수 있는 최대 전송속도 는 27Mbps까지 가능하며 패킷 에러율은 10%를 만족하도록 설계되어 있으며 주로 차량 안전 과 C-ITS 서비스를 제공한다.

그림 20. WAVE 통신 멀티 채널 동작

3) 100Mbps 고속 전송 및 성능 향상 방안 V-Link 통신 성능은 채널 주파수 대역폭과 송수신기 구성의 개수에 따라 영향을 받으므 로 채널 주파수 대역폭과 송수신 방식을 연구하였다. V-Link 통신의 채널 주파수 대역폭은 WAVE의 10MHz 기본 주파수 채널의 대역폭을 20MHz 또는 40MHz 대역으로 확장시킴으로서 전송 속도를 54Mbps, 108Mbps까지 향상시킬 수 있다. 주파수 대역폭이 증가하면 10MHz 주파수 채널에 비해 심볼 시간이 1/2 또는 1/4로 감소하므 로 무선채널의 Delay Spread 영향으로 성능이 저하된다. 그러므로 차량 이동환경에서의 Delay Spread를 고려하여 주파수 채널은 20MHz까지만 확장하는 것이 적합하다.

그림 21. V-Link 통신 모듈 구성

위의 그림은 2개의 모뎀을 사용하는 V-Link 통신 모듈의 구성을 보여 준다. V-Link 통 신의 전송속도를 높이기 위해서는 주파수 대역폭 확장과 함께 변조 레벨이나 모뎀의 개수를 증가 시키는 방안이 있는데, 변조 레벨을 높이면 자동차 이동환경에서의 채널 추정이 복잡 하고 성능 향상이 어렵기 때문에 모뎀의 개수를 2개로 늘리는 방안이 적합하다. 따라서 무 선 채널의 주파수 대역폭을 2배로 하고 모뎀의 개수를 2개 사용하여 V-Link 통신의 전송속 도를 108Mbps까지 높이고, PER이 0.01%를 요구하는 경우에는 모뎀의 2개가 이중으로 동작하 는 방안이 제안되었다. ○ 100Mbps 전송 속도 향상 방안 100Mbps 전송 속도를 향상시키기 위하여 2개의 모뎀이 동시에 전송하는 구조에서 각각 의 모뎀이 20MHz 주파수 대역폭으로 동작하여 결과적으로 40MHz로 동작하게 하여 최종적으 로 108Mbps를 지원할 수 있게 한다. 아래의 그림은 제어 채널과 서비스 채널이 동시에 전송 할 수 있는 방식에서 서비스 채널 구간에는 20MHz로 동작하여 전송속도를 향상하는 방안을 보여 준다.

그림 22. 100Mbps 전송 속도의 모뎀 멀티 채널 동작

○ 무선 링크 성능 향상 방안(PER=0.01%) 모뎀을 두 개를 사용하여 동일한 데이터를 제어 채널과 서비스 채널로 보낸다. 이 경우 동일한 제어 데이터 정보를 서로 다른 주파수의 채널로 송신하므로 TX 다이버시티와 RX 다 이버시티를 반영하면 무선 링크의 PER 성능을 크게 향상 시킬 수 있다. 아래의 그림은 패킷 데이터 A, B, C, D를 제어 채널과 서비스 채널로 동시에 전송하는 것을 보여 준다.

나. 고속 이동환경에서의 채널 추정 알고리즘

1) 일반적인 채널 추정 기법 고속으로 주행하는 차량간 V2V 통신 환경에서 채널은 극심한 시변 현상에 의해 한 패킷 안에서도 많이 변화하게 되므로 패킷 초기에 추정된 채널과 실제 채널 사이에는 많은 오차 가 발생한다. 따라서 현재 IEEE 802.11p 표준을 변경하지 않고 시변 채널 변화를 추정하기 위한 다양한 채널 추정 기법들이 연구되고 있다. 그 중에서 대표적인 기법들을 분석하고 본 연구에서 제안한 채널추정기법을 정의한다. ○ LS (Least Square) 채널 추정 기법 LS 채널 추정 기법은 수신단에서 전송받은 수신 신호와 사전에 알고 있는 훈련 심볼을 이용하여 채널을 추정하는 기법으로 연산이 간단하다는 장점이 있다. 시간 영역에서 수신된 긴 훈련 심볼을 _ 과 _ (은 시간 인덱스)라 하고 이를 각각 64-point FFT를 수행 하여 획득한 주파수 영역 심볼을  ,  (는 부반송파 인덱스)라 할 때 LS 채널 추 정 기법에 의한 번째 부반송파의 채널 추정치  는 다음과 같이 정의된다.   _{}   (5-1) 여기서  는 사전에 약속된 번째 부반송파에서의 훈련 신호이다.  는 이후 패 킷 내에서 수신된 모든 데이터 심볼  를 등화 하는데 적용된다. 이 때  는 한 패킷 내에서 전송되는 번째 OFDM 심볼의 번째 부반송파의 심볼을 의미한다. 복원된 번째 OFDM 심볼의 번째 부반송파 심볼은 다음과 같다. _   _      ⋯ (5-2) 여기서 는 한 패킷을 구성하는 OFDM 심볼의 개수를 의미한다. ○ STA 채널 추정 기법 STA 기법은 특정 번째 데이터 심볼의 추정값을 이용하여 지속적으로 채널 추정값을 업 데이트해나가는 데이터 기반의 채널 추정 기법 (data-aided channel estimation)이다.

(   )번째에서 추정된 채널값    는 아래와 같이 번째 수신된 데이터 심볼  을 등화 하는데 이용된다. _   _        ⋯ (5-3)

식(5-2)와는 달리 번째 수신된 데이터 심볼을 등화하기 위해 사용되는 채널 추정값    는 심볼 인덱스 에 따라 변화한다.    일 때에는  를 등화하기 위해 사용되는  는 식 (5-1)과 같이 추정된다. 복원된 데이터 심볼  는 디매핑 (demapping) 후 변 조 심볼 _ 를 추정하고, 이를 이용하여 번째 심볼에 대한 채널값을 다음과 같이 업데이 트한다. _   _   (5-4) 디매핑 오차에 의한 채널 추정 오차를 완화하기 위해서 다음과 같이 주파수 영역과 시 간 영역에서 순차적으로 추정된 채널값의 평균을 취한다. _  



       (5-5)  



  _ 



    _  (5-6) 식 (5-5)에서    는 번째 부반송파를 중심으로 주파수 영역에서 평균을 취하는 부 반송파의 개수를 의미하고, _는 단위 합의 가중치 계수를 의미한다.

○ TRFI (Time domain Reliable test Frequency domain Interpolation) 채널 추정 기법 TRFI 기법은 STA 기법과 마찬가지로 지속적으로 채널 추정값을 업데이트 해나가는 데이 터 기반의 채널 추정 기법으로서 채널 추정값을 업데이트할 때 평균화 과정 대신 주파수 보 간법을 사용하여 디매핑 오차를 완화한다. TRFI 채널 추정 방법은 기본적으로 식 (5-1)~ (5-3)과 동일한 방식으로 진행된다. 이후 식 (5-4)에서 추정된 채널값  를 이용하여 다 음과 같이 (   )번째 수신 데이터 심볼    를 등화한다. _′     _     (5-7)

➀ 4개의 파일럿 심볼은 수신단에서 이미 알고 있는 심볼로서 파일럿 심볼의 인덱스를 집 합 _에 포함시킨다. 이 때, 집합 _는 번째 심볼에서 신뢰성 있는 채널 추정값의 부 반송파 인덱스 집합을 의미함 ➁ 번째 심볼에서 데이터 부반송파 인덱스 집합을 라 할 때, 집합 에 포함되는 모든 원소 에 대해서 ′_{  }  ′′_{  } 가 참인지 거짓인지 판별 (참인 경우) _  _ 이고, 는 집합 에 포함 (거짓인 경우) 는 신뢰성 없는 채널 추정값의 부반송파 인덱스 집합인 _에 포함 ➂ 집합 _에 포함된 에 대해서는 집합 _에 속한 부반송파의 채널 추정값을 주파수 영 역에서 보간 (interpolation)하여  를 추정

2) 제안하는 ICED(Iterative Channel Estimation and Detection) 기법

○ ICED 기법의 구조

본 연구에서 제안하는 반복적 채널 추정 방식은 아래와 같은 구조를 갖는다. 붉은 색 점선 위쪽은 기존의 WAVE 채널 추정 시스템에 해당되며 붉은 점선 아래쪽 module은 ICED 기 법 적용 시 추가되는 시스템을 보여준다.

그림 24. ICED 기법의 구조

그림에서 보는 바와 같이 먼저 송신단에서 송신된 pilot 신호를 이용하여 초기 채널 estimation 과정을 거친다. 이 경우 앞서 설명했던 WAVE 채널에서 사용가능한 여러 채널 추 정 알고리즘 (ex:LS, STA, TRFI, 등)이 적용될 수 있다. 이 후 추정된 채널 정보는 Soft demapper에 제공되고 demapper는 coded bit들의 LLR 값을 출력한다. 이 후 deinterleaver와 depuncturing 과정을 거친 후 MAP decoder에 입력된다. 만일 iteration 회수가 모두 채워졌 다면 decoder 출력값을 이용하여 정보 bit를 바로 ‘0’과 ‘1’로 복원하면 되지만, iteration 횟수가 모두 채워지지 않았다면 decoder 출력 정보는 다시 MAP decoder 디코딩을 수행한 후 coded bit와 정보 bit의 LLR 값들을 다시 soft mapping 과정을 통해 complex 심 볼을 복원하게 된다. 복원된 심볼은 신뢰성을 갖는 pilot 심볼로 다시 채널 추정에 이용되 고 이렇게 추정된 채널은 다시 soft dempper에 전달되면서 1번의 iteration이 완성된다. 초 기 채널 추정 상황과 달리 iteration에 의한 data aided 채널 추정에서는 모든 시간 주파수

심볼에서 pilot이 존재하는 상황이므로 초기 채널 추정과는 다른 추정 방식이 요구된다. 본 연구에서는 LS 방식과 MLE 그리고 각 OFDM 심볼 단위로 MMSE 채널 추정을 수행하는 1D-MMSE 기법을 적용하였다. 세 가지 기법 중에서도 특히 1D-MMSE 기법이 대체로 가장 뛰어난 성능 을 보였는데, 이는 MMSE 기법이 MLE 등 다른 기법들에 비해 가지는 낮은 SNR 영역에서 갖는 우수성에 기인한다. 하지만 다른 기법들에 비해 채널 tap의 개수 및 각 tap의 파워를 사전 에 알고 있어야 한다는 가정이 필요하며 이는 추가적인 auto-correlation estimation 과정 을 요구하기 때문에 복잡도가 증가한다는 단점이 있다.

그림 25. LLR값을 이용한 soft encoding 방식

○ ICED 기법의 성능 분석

Cohda Wireless 채널 모델 환경에서 (즉, 최대 이동 속도가 252km/h) IEEE 802.11p 표 준의 링크 레벨 시뮬레이터를 이용해 Ideal, 기존의 채널 추정 기법 (LS, STA 그리고 TRFI 기법) 그리고 제안하는 iterative channel estimation 기법의 PER 성능을 평가한다. Ideal 기법은 수신기가 한 frame의 첫 번째 OFDM 심볼에서 발생하는 채널 계수를 정확히 알고 있 다고 가정하였을 때 시스템 상에서 얻을 수 있는 최대의 에러 성능을 나타낸다.

제안하는 iterative channel estimation 기법의 경우 초기 채널 계수는 기존의 STA 기 법 혹은 TRFI 기법을 이용하여 추정하고, 이후 1D-MMSE 기법을 이용하여 iterative channel estimation decoding을 수행하게 된다. iteration 횟수는 1회부터 5회까지 수행하였고 iteration 횟수가 최대 5회 내에서 PER 성능이 수렴하였다. ICED 기법은 hard value를 이용 하는 경우 (ICED-hard)와 soft value를 이용하는 경우 (ICED-soft)로 나타냈으며 Cohda

그림 26. Highway LOS (252km/h) 환경에서 PER<BPSK, code rate=1/2>

그림 27. Highway NLOS (252km/h) 환경에서 PER<BPSK, code rate=1/2>

시뮬레이션 결과를 보면 Highway LOS 환경(252Km/h)의 경우 SNR에 따라 성능의 차이는 발생하나 모든 기법들이 6Mbsp ≤  의 요구조건을 만족시키는 것을 알 수 있다. 그러 나 Highway NLOS 환경(252Km/h)인 경우는 각 tap 별 파워 차이가 크지 않아 Doppler shift 의 영향이 크게 반영됨으로써, 성능이 급격하게 열화 되는 결과를 보인다. 제안된 알고리즘 (ICED-soft(STA))을 사용할 경우 요구 조건 6Mbsp ≤  를 만족하기 위해서 SNR이 약 7.5dB 이상이 요구됨을 알 수 있다.

또한 실험 결과에 의하면, LOS/NLOS 환경에서 제안된 기법을 통해 ≤  의 요구조 건을 만족함을 볼 수 있고 수신기의 sensitivity를 낮출 수 있음을 알 수 있다.

다. PER 성능 개선을 위한 동기 알고리즘

이동속도의 증가 및 변조지수의 증가로 인해 V2X 통신장치는 제안된 채널추정기법만으 로는 성능의 한계가 있다. 본 연구에서는 이동속도 400Km/h에서 V2X 통신장치의 최대 전송 속도 54Mbps를 만족하기 위한 다이버시티를 고려한 채널추정기법에 대해 정의하고 그 성능 을 분석한다. 1) 다이버시티를 적용한 복호기 기반 채널 추정 기법의 구조 수신다이버시티를 적용 시 안테나 각각 다른 채널과 잡음을 겪는다. 이를 통해 array gain 및 diversity gain을 추가적으로 얻을 수 있어 수신 성능을 개선시킬 수 있다. 이렇게 두 안테나로 수신된 신호는 MRC (Maximal Ratio Combining) 기법을 통해 combine하여 수신 단 procedure를 처리한다. 본 연구에서 고려하는 다이버시티를 이용한 경판정 수신기의 구 조는 아래 그림과 같다. FFT Channel Estimation & Compensation Antenna 1 QAM Demodulator Viterbi Decoder FFT Channel Estimation & Compensation Antenna 2 Re-encoder MRC

그림 28. 다이버시티를 적용한 복호기 기반 채널추정기법 구조

채널을 통과하여 안테나로 수신된 신호는 FFT를 수행한 후 채널을 추정하여 수신 신호 에 보상한 뒤 더해 준다. MRC된 신호는 QAM 복조기에서 송신된 비트들의 LLR을 계산하여 채 널 복호기로 넘겨준다. 복호기의 출력값은 재부호화 되어 다시 채널 추정 및 보상기로 들어 가 채널 추정 기법에 따라 채널을 추정 및 보상을 수행한다. 일반적인 OFDM의 채널 추정 방법은 아래 식과 같이 쓸 수 있다.