미래의 자동차를 위한 5G-V2X와 DSRC용 첨단 커넥티비티 아키텍처

글: 대니쉬 아지즈(Danish Aziz) FAE, 피온 헐리(Fionn Hurley) 마케팅 매니저, 크리스 봄(Chris Bohm) 시스템 및 소프트웨어 엔지니어링 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

오늘날의 자동차용 무선 커넥티비티 아키텍처는 레벨 2 자율주행까지는 적합할 것으로 보인다. 하지만 레벨 3 이상부터는 성능 요건을 충족할 수 있을지 의심스럽다. 이러한 맥락에서 이 글에서는 미래의 자율 자동차에서 필요로 하는 커넥티비티 아키텍처를 제안하고자 한다. 이 아키텍처는 SDR(software-defined radio)에 기반한 RRH(remote radio head) 개념을 적용한 것이다. 이 새로운 아키텍처는 두 가지 측면에서 이점을 제공한다. 한편으로는 미래 활용 사례의 성능 요구를 충족하며, 또 한편으로는 특정 서비스에 대한 여러 무선 액세스 지원을 용이하게 함으로써 신뢰성을 높이는 것이다. 이 아키텍처를 사용해서 두 가지 무선 액세스 기술을 구현하는 방법에 대해 살펴본다. 이 아키텍처는 소프트웨어화(softwarization)의 이점을 활용한 것으로서, 이러한 접근법은 미래의 차량 내 컴퓨팅 기술과도 잘 맞는다.

머리말

이 글은 빠르게 진화하는 커넥티드 카에서 필요로 하는 무선 커넥티비티 아키텍처에 초점이 맞춰져 있다. 이를 위해 관련 서비스들과 그것들에 대한 간단한 설명을 제공한다. 이들 서비스 중 대다수가 양방향 통신을 사용하며, 신뢰성이나 서비스 품질을 높이기 위해 다중 및 하이브리드 무선 통신 표준과 여러 주파수 대역을 사용한다. 차량의 커넥티비티를 위해 다중 대역과 여러 무선 표준을 지원하도록 RF 시스템을 설계한다는 것이 결코 만만한 작업은 아니다. 이 글에서는 먼저, 기존의 RF 접근법을 사용해서 차량용 커넥티비티 유닛을 설계할 때 해결해야 할 과제들에 대해 설명한다. 이는 이러한 서비스들을 구현하는 데 있어서 많은 측면의 애로점들(예컨대 무선 성능 등)이 있다는 것을 알게 해준다. 그 다음에는 이러한 한계들을 극복할 수 있는 새로운 아키텍처를 제안한다. 이 새로운 아키텍처는 RRH 개념을 기반으로 한다. 이전에 작성한 기사 “자율주행 자동차에 5G와 DSRC V2X 구현하는 방법,”¹ ”1에서는 서브 6GHz 4채널 다중대역 SDR 기반 트랜시버 RF IC로서 ADRV9026을 소개했다. 여기서 나아가, 이 글에서는 RRH 개념과 단일 SDR RF IC를 사용해서 5G와 DSRC 용으로 듀얼 밴드 V2X 커넥티비티 유닛을 설계하는 방법을 설명한다. 이 유닛은 향상된 무선 성능을 달성할 뿐만 아니라, V2X 무선 액세스에 향상된 협조 알고리즘을 구현할 수 있게 해준다.

커넥티드 카에 사용되는 무선 시스템과 기술

첨단 자동차에 인포테인먼트, 내비게이션, 통신, 방송 같은 서비스를 제공하기 위해서는 무선 액세스 시스템이 필요하다. 이러한 서비스를 제공하기 위해 사용되는 RF 스펙트럼은 90MHz(라디오 방송)부터 5.9GHz(V2X와 와이파이)에 이르기까지 매우 넓다. 미래의 시스템들은 밀리미터파 주파수를 사용할 것이다(예를 들어서 5G 밀리미터파는 24GHz부터 29GHz까지이다). 그림 1은 이러한 서비스들을 제공하기 위한 다양한 무선 시스템을 보여준다.

상용 무선 커넥티비티 유닛은 애플리케이션 공간과 무선 시스템 간 인터페이스를 제공한다. 다음은 이러한 무선 시스템의 기능과 주파수 대역에 대한 설명이다:

• GNSS/GPS: 위치 서비스와 위치추적 정보를 제공한다. 동기화를 위해 다른 무선 시스템에 이 서비스를 제공하기도 한다. 지역에 따라서 여러 표준들이 존재하며, 할당된 주파수 대역은 1176MHz ~ 1602MHz이다.
• 셀룰러 2G, 3G, 4G, 5G: 음성과 데이터 서비스에 사용된다. 텔레매틱스, 인포테인먼트, OTA(over-the-air) 업데이트, V2X 통신 같은 서비스를 들 수 있다. 300MHz ~ 5.9GHz 범위에서 엄청나게 많은 셀룰러 대역과 채널들로 이루어져 있다.
• 와이파이: OTA 업데이트, 진단, 데이터 다운로드 같은 다양한 애플리케이션에 사용된다. 지역마다 대역과 채널 할당이 다를 수 있다. 대부분이 2.4GHz와 5.8GHz 대역을 사용한다. 일본에서는 5GHz 대역에 일부 채널을 할당한다.
• ITS-G5/DSRC: V2X 통신용으로, 전 세계 거의 대부분 국가들이 5.9GHz 대역에서 70MHz 스펙트럼을 할당한다.
• 라디오 방송: 90MHz ~ 240MHz 범위에서, 국가마다 채널과 주파수 할당 대역이 다를 수 있다. 방송 시스템은 무선 커넥티비티 유닛을 사용할 수도 있으나, 대부분은 통신 시스템과 별도로 구현된다.

전통적인 RF 시스템 구현

차량에 이러한 무선 시스템들이 추가되면서 자동차는 이제 바퀴 달린 스마트폰으로 진화하고 있다. 하지만 스마트폰과 차량용 사용자 장비(UE)는 기능 구현에 있어서 크게 차이가 있다. 가령 자동차에 4G 셀룰러 시스템을 구현한다고 가정해 보자. 그림 2a에서는 차체 외부의 지붕 위에 4G 대역용 광대역 안테나가 설치되어 있는 것이 보인다. 이 안테나는 동축 송신 라인 케이블에 연결되고, 이 케이블은 자동차 안에서 4G 모듈을 탑재한 제어 유닛에 연결된다.

이번에는 이 수신기 RF 경로의 RF 프런트 엔드(RFFE)를 보자. 대역을 필터링한 후에, 잡음 지수(NF)가 극히 낮고 이득이 높은 저잡음 증폭기(LNA)를 사용해서 RF 신호를 증폭한다. 이 신호에는 케이블로 인해 발생한 잡음이 포함된다. 여러 단계의 증폭을 거쳐서 신호를 4G 모듈로 보내고 여기서 베이스밴드 및 상위 수준 프로세싱을 실시한다. 4G 프로토콜 스택을 거친 후에 데이터를 애플리케이션 프로세서로 보낸다. 이 아키텍처로 간단하게나마 RF 분석을 해보면, 이 전반적인 RF 체인이 잡음 성능이 좋지 않다는 것을 알 수 있다. 동축 케이블이 LNA보다 NF가 더 높으며, 신호 손실은 케이블의 주파수와 길이에 비례한다. 잡음 캐스케이드 분석을 통해, 이 전체적인 RF 체인의 NF가 이 신호 체인의 첫 번째 소자의 NF에 의해 심하게 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.

그러므로 LNA라 하더라도 이 문제를 극복하기 어렵다. 비용을 낮추고 무게를 줄이기 위해 통상적으로 더 가벼운 케이블을 사용하는 경향이 있는데, 그러면 RF 문제는 더 악화된다. RF 프런트 엔드를 안테나에 가깝게 배치함으로써 전반적인 잡음 성능을 향상시킬 수 있으나, 그렇더라도 동축 케이블로 인한 영향은 여전할 것이다.

그림 2b는 다른 무선 시스템들이 어떻게 구현되는지를 보여준다. 이 그림을 보면, 각각의 안테나를 연결하기 위해서 얼마나 많은 동축 케이블이 사용되고 있으며, 각 시스템에서 얼마나 많은 RF 신호 손실(dBm 단위의 감쇠)이 발생할지 짐작할 수 있다. 어떤 특정 시스템에 다중의 안테나를 사용한다면 이 손실은 더욱 커질 것이다. 뿐만 아니라 다중 안테나 상에서 신호들 간에 동기화를 달성하고 동축 케이블을 사용해서 이들을 연결하기가 그리 쉽지는 않을 것이다. 그런데다가 5G 밀리미터파 주파수(24GHz ~ 29GHz까지)에서는 동축 케이블에서의 RF 신호 손실이 서브-6GHz 주파수보다 높아질 것이다.

RRH를 적용한 자동차 커넥티비티 아키텍처

RRH는 통신 기지국에서 동축 트랜스미션 라인 케이블로 인한 문제들을 극복하기 위해 널리 사용되고 있는 컨셉트이다. 이 전략의 핵심은 RF 신호 대신 디지털 신호를 전송하는 것이다. 이를 위해 RFFE와 트랜시버(RF IC)를 안테나 가까이로 옮긴다. RF 신호를 디지털 I/Q 비트로 변환하고, 이것을 고속 디지털 데이터 링크를 사용해서 전송한다. 범용 베이스밴드 프로세싱 풀에서 디지털 데이터를 추가적으로 처리한다. 우리가 제안하는 아키텍처는 이 같은 RF 아키텍처를 자동차에서도 활용할 수 있겠다는 생각에서 비롯된 것이다. 그림 3은 이 아키텍처를 보여주는 것으로서, 동축 케이블을 고속 링크로 대체하고 있다. 또한 RF를 비트로 변환하고 비트를 RF로 변환하는 RF IC를 사용해서 RF 신호를 디지털 I/Q 샘플로 변환한다. 디지털 링크(기가비트 이더넷 등)를 통해서 RF IC와 베이스밴드 프로세서 사이에 비트를 전송한다. 애플리케이션 프로세서가 추가적인 프로세싱을 처리한다. 이들 프로세서는 무선 커넥티비티 유닛에 탑재하거나 중앙 컴퓨팅 플랫폼에 탑재할 수 있다. 자동차에서 컴퓨팅 자원의 사용과 중앙집중식 컴퓨팅이 빠르게 늘어나고 있다². 그러므로 이 아키텍처는 자동차의 미래 컴퓨팅 아키텍처 트렌드와도 잘 맞는다.

RF-대-비트 기능을 안테나 가까이로 옮기는 것만으로도 두 가지 면에서 이득이다. 첫째, RF 신호 손실을 방지하기 위해서 안테나 가까이에서 최소한의 필요한 변환만 하면 된다. 안테나 가까이에서는 공간과 전력이 이미 제한적이다. 둘째, 데이터 레이트 측면에서 디지털 고속 링크에 대한 요구를 완화할 수 있다.

RRH와 SDR에 기반한 V2X 구현

다중대역 RF IC를 활용함으로써 RRH 아키텍처의 이점을 최대한 실현할 수 있다. V2X 통신 서비스는 이 조합을 활용하기 적합한 완벽한 사례이다. “자율주행 자동차에 5G와 DSRC V2X 구현하는 방법”에서 언급했듯이, V2X 서비스는 두 가지 무선 액세스 기술을 사용할 수 있다. 하나는 DSRC/ITS-G5(IEEE 802.11p)이고, 다른 하나는 4G-LTE나 5G에 상관없이 셀룰러 기술(C-V2X)을 사용하는 것이다. 이 두 기술을 협력적인 방식으로 결합하면, 요구되는 신뢰성과 안전성을 달성할 수 있다. ADI가 새롭게 출시한 RF IC인 ADRV9026을 사용해서 단일칩 다중대역 V2X 시스템을 설계할 수 있다. 그림 4에서는 ADRV9026을 RRH에 어떻게 통합할 수 있는지 보여준다. 이 RRH를 차 지붕 위의 안테나 박스에 탑재한다. 이 RRH는 각각 4개씩의 송신 및 수신 채널을 제공하며, 베이스밴드 프로세서로 최대 4개의 디지털 데이터 경로를 제공한다. ADRV9026은 향상된 로컬 오실레이터 아키텍처를 사용해서 서브-6GHz 다중 주파수 대역에서 동시에 송신 및 수신할 수 있다. V2X 무선 액세스 관리(WAM) 기능을 사용하여, 두 무선 액세스 기술은 5.9GHz 대역에 V2X 서비스용으로 할당된 70MHz를 효율적으로 공유할 수 있다.

미래에는 중앙집중식 컴퓨팅이 점점 더 많이 사용될 것으로 예상된다. 베이스밴드 프로세싱, 모뎀 프로토콜 스택, 애플리케이션 프로세싱 같은 것들을 중앙 플랫폼에 구현할 수 있다. ADRV9026은 시리얼 데이터 전송 및 수신과 관련해서 JESD204B와 JESD204C 프로토콜을 충족한다³. 기성품 케이블을 사용할 수 있으며⁴, 최대 1미터 거리까지 10Gbps를 전송할 수 있다. 더 높은 수준의 유연성과 더 높은 데이터 레이트가 필요하면, 어떤 프로세싱 하드웨어를 사용하든 JESD 기반 시리얼 데이터를 기가비트 이더넷이나 PCIe 같은 어떠한 적합한 포맷으로든 변환할 수 있다.

그림 4는 DSRC V2X와 5G 셀룰러 각각에 2개씩의 송신 채널과 수신 채널을 할당하고 있다. 5G는 이들 2개 채널을 사용해서 셀룰러 V2X 서비스 같은 모든 5G 통신을 할 수 있다. 2개 채널을 사용해서 2x2 MIMO 시나리오를 구현할 수도 있다. 현재의 아키텍처와 달리, 각각의 무선 표준을 위한 모뎀을 중앙 컴퓨팅 플랫폼에서 구현한다. 소프트웨어 모뎀을 사용해서 각 무선 표준의 I/Q 샘플을 처리한다. 현재의 아키텍처로는 이 같은 변화를 도입하기가 무척 까다로울 것이다. 하지만 소프트웨어화와 가상화를 사용할 수 있게 됨에 따라서 미래의 자동차에서는 이러한 변화가 빨라질 것이다⁵.

맺음말

오늘날의 자동차 커넥티비티 아키텍처는 각각의 무선 시스템이 안테나, 케이블, RF 프로세싱 하드웨어, 소프트웨어 프로세싱 하드웨어를 개별적으로 설치함으로써 구현된다. 이를 정성 분석을 통해 살펴보면, 서비스 성능 면에서 불리한 점들이 있다. 이 글에서는 차량용 커넥티비티로 RRH 컨셉트와 듀얼 밴드 RF IC를 활용하는 새로운 아키텍처를 제안했다. 이 아키텍처는 다음과 같은 이점을 제공한다는 것을 알 수 있다:

• 동축 케이블 사용을 줄임으로써, RF 성능과 무선 링크 신뢰성 향상
• 미래의 자동차 소프트웨어 아키텍처와 부합
• 소프트웨어 업데이트를 통해서 새로운 기능 추가
• 단일 RF IC를 사용해서 다중 표준 지원 가능
• 향상된 서비스 품질 보장
• 다중 무선 표준을 사용하는 서비스로 성능 향상
• 미래의 자동차에 5G 밀리미터파 같은 새로운 무선 표준을 손쉽게 구현 가능

이 접근법은 (자율 주행 시나리오에 요구되는) 더 높은 성능을 달성하면서, 여러 무선 시스템을 공통 하드웨어를 이용해 손쉽게 구현할 수 있는 가능성을 제공한다. V2X 서비스는 군집 주행이나 원격 제어 운전 같은 자율 주행 사례에서 필수적인 역할을 하며, 두 활용 사례 모두 무선 커넥티비티에 높은 신뢰성을 요구한다. 이 아키텍처는 바로 이러한 요건들을 충족한다.

저자 소개

대니쉬 아지즈(Danish Aziz)는 아나로그디바이스(Analog Devices의) 스태프 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)이며, RF 제품 및 시스템 분야 전문가이다. 기술 영업 팀의 일원으로서 EMEA 지역 고객들에게 기술 지원을 제공한다. 자동차, 산업용, 방위용, 셀룰러 용의 무선 커넥티비티 애플리케이션을 주로 맡고 있다. 5GAA(5G Automotive Association)에 아나로그디바이스 대표로 참석했다. 2017년에 ADI에 입사했으며, 그 전에는 벨 연구소(독일)에서 연구개발 엔지니어로 재직했다. 3G, 4G, 5G 시스템 표준화에 참여했으며, 다수의 범유럽 및 독일 연구 프로젝트에 벨 연구소 대표로 참여했다. 무선 통신과 관련해서 IEEE 저널에 발표된 25건 이상의 과학 논문에 저자 또는 공저자로 참여했다. 20건 이상의 국제 특허를 보유했다. 슈투트가르트 대학에서 전기공학 박사학위 및 석사학위와 파키스탄의 N.E.D. 대학에서 전기공학 학사학위를 취득했다. 문의: danish.aziz@analog.com.

피온 헐리(Fionn Hurley)는 아나로그디바이스(Analog Devices) 아일랜드 리머릭의 자동차 캐빈 일렉트로닉스 그룹 마케팅 매니저이다(아일랜드 리머릭). 2007년부터 ADI에 재직 중이며, RF 설계 엔지니어로서 다양한 직책을 역임했다. 아일랜드 코크 대학에서 전기전자공학 학사학위를 취득했다. 문의: fionn.hurley@analog.com.

크리스 봄(Chris Bohm)은 독일의 레겐스부르크 대학에서 원격통신 학사학위와 아일랜드의 리머릭 대학에서 석사학위를 취득했다. 1995년에 ADI에 입사했으며, 디지털 설계 엔지니어로서 비디오 디코더, 데이터 전송용 광 전송 레퍼런스 디자인, 5G 표준용 RF 시스템을 비롯해서 다양한 ASIC 제품 개발에 참여했다. 현재는 서브 6GHz 무선 전송용 디지털 신호 프로세싱과 알고리즘 개발을 주로 맡고 있다. 문의: chris.bohm@analog.com.