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IT 이론/네트워크&무선통신

VANET을 지원하는 스마트 폰을 이용한초기 ITS환경의 활용

by 아이들링 2019. 4. 1.

1. 스마트 카의 Infrastructure, ITS

그림 . 원활한 교통을 위한 ITS의 다양한 기반 서비스
ITS(Intelligent Transport System)에 대한 표준화가 한창이다. 조만간 생산되는 자동차의 ECU(Electronit Control Unit)에는 ITS의 프로토콜을 지원하는 통신시스템이 들어가게 될 것이다. ITS는 우측 그림과 같이 5개로 분류되어 점점 가속화되고 있는 정보화 사회에 알맞은 신속, 안전, 쾌적한 차세대 교통체계를 구현하는 데 목적을 두고 있다.
앞으로 스마트카를 구현함에 있어서도 ITS를 활용하지 않는 스마트카란 있을 수 없을 것이다. 운전자의 안전부터 최적 경로 탐색, 도로 교통 여건 관리 등이 모두 ITS라는 표준화된 환경 속에서 이루어지 때문이다. ITS에서 제공하는 정보를 받아들여 얼마나 잘 활용 하느냐가 스마트카 구현의 관건이 될 것이다.
VANET(Vehicular Ad-hoc Network)은 이런 ITS환경을 구현하고 활용하기 위한 필수적인 통신 체계이다. 자동차에 자체적으로 Cellular 서비스를 내장시키기도 쉽지 않고 고속으로 달리고 실시간으로 바뀌는 흐름 속에선 Wifi와 같은 기존의 WLAN망 또한 적합하지 않기 때문이다. 그래서 떠오른 것이 차량 통신의 몇 가지 특징에 맞추어 Ad-hoc환경을 구성하는 VANET이다.

2. VANET의 표준화? 모든 것이 해결될까?

VANET에서 사용하는 표준은 WAVE가 될 것으로 보인다. WAVE는 IEEE 1609.x + IEEEE 802.11p 가 듀얼 스택으로 구성된 통신 프로토콜이다. WAVE는 MANET과는 달리, 빠른 속도로 이동하는 디바이스끼리의 무선 통신에 최적화되어야 하는 차량 간 통신에 맞추어 만들어진 표준이다. 따라서 기존의 무선 통신방식으로는 VANET과 호환성을 가지기 힘들기 때문에 꼭 WAVE가 지원되는 ECU가 있어야 한다는 것을 미루어 짐작 할 수 있다. 이러한 새로운 표준은 펌웨어 업그레이드로 보완하기도 힘들 뿐더러 그렇다고 WAVE를 지원하기 위한 onboard 무선 네트워크 칩셋을 추가로 장착하여 기존 차량 소프트웨어와 호환이 되도록 만드는 작업사실상 불가능하다.
이런 상황에서 어떻게 보면 가장 문제시 될 수 있는 부분이 “그렇다면 통신이 지원되지 않는 자동차는?” 이라는 의문이다. 편리한 운행이나 광고를 위한 일부 V2I는 지원이 되지 않아도 무방하지만 사고 방지를 위한 V2V는 필수적이다. 지원 되려면 모든 자동차에서 지원이 되어야지 어떤 자동차는 지원이 되고 어떤 자동차는 지원이 되지 않는다면 V2V의 사고방지 시스템을 믿고 운행하는 많은 사람들에겐 오히려 더 큰 잠재적 문제가 될 수 있는 것이다. 게다가 V2I라도 통신이 지원되지 않는 자동차가 불규칙하게 존재 할 경우 ITS 데이터의 신뢰도가 많이 떨어질 수밖에 없음이 자명하다.
그렇다면 VANET또한 IPv6처럼 장기간의 과도기를 거친 뒤 현재 운행 중인 자동차의 일정 비율 이상에서 VANET을 지원할 때 까지 기다릴 수밖에 없을까? 현재 인프라와 사람들의 요구를 봤을 때 그렇게 하긴 힘들 것 같다. 이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행 중이지만 이 글에선 VANET을 자체적으로 지원하는 모바일 칩셋을 이용한 초기 ITS환경의 호환 방안에 대해서 이야기 하고자 한다.

 

바로 앞차와 V2V 통신이 불가능하다면 사고방지 시스템은 제 역할을 할 수 없다.  

3. VANET환경을 구성하기 위한 디바이스는?

이런 상황에서 가장 쉽게 생각 해 볼 수 있는 방안이 하이패스 송수신 단말기와 같이 VANET 네트워크를 위한 추가적인 통신 디바이스를 설치하는 것이다. 가장 보편적인 형태는 네비게이션과 같이 Display가 있는 디바이스에 통신을 위한 안테나가 내장되어 ad-hoc 통신이 가능한 형태일 것으로 예상 할 수 있다. 단순히 다른 차량들과 ITS 데이터 신뢰도를 위해 패킷 송수신만을 하는 것으론 운전자에게 직접적인 이익이 없기 때문이다.
하지만 현재의 네비게이션은 단순한 업그레이드만으로 새로운 프로토콜의 통신을 지원하기 힘들다. 대부분의 네비게이션에 내장된 임베디드 소프트웨어는 OS라고 보기엔 다소 조악한 구조로 되어 있고 멀티애플리케이션이 지원조차 되지 않는 경우가 많다. 최근 나오고 있는 몇몇 네비게이션에는 안드로이드 OS가 탑재되어 있지만 새로운 칩셋을 가진 디바이스를 장착하고 드라이버를 설치해 그 기능을 이용 할 만큼의 확장성을 가지고 있진 않다.
결국 VANET 표준화가 완료 되고 나면 거의 대부분의 네비게이션은 교체 되어야 한다. 바로 이 시기가 시장의 대변혁이 일어날 시기라고 할 수 있다. 모바일 업계 또한 이 시기에 맞추어 재빨리 VANET을 지원하는 칩셋을 내 놓고 활용 하여야 한다.

 

4. Cellular가 지원되는 VANET Device를 이용한 AP구성

VANET에서 사용하는 WAVE는 5.9GHz를 사용하는 극초단파로, 고속에서 사용 가능 한 것에 초점이 맞춰져 있지, 사용거리를 길게 하기에 적합한 전파 대역은 아니다. 따라서 ad-hoc환경에서 라우터 역할을 하는 여러 자동차를 거쳐야 필요한 통신을 할 수 있는 경우가 많다. VANET과 관련된 논문에서 가장 많이 다루는 주제가 라우팅 분야인 것을 봐도 신뢰성 있는 패킷 전달이 VANET에서 정말 중요한 이슈임을 알 수 있다. 

WAVE에서 사용하는 주파수 범위

전후방 차량 간의 간단한 사고방지정도는 라우팅을 크게 고려하지 않아도 되지만 V2I에 기반을 둔 서비스를 이용하기 위해선 Internet과 연결된 Roadside AP (또는 Roadside Unit)의 도움을 받아야 한다. 하지만 VANET이 표준화된 초기엔 차량 통행량이 많고 시장성이 큰 대도시 쪽에선 기반 시설공사가 금세 이루어질 테지만 그렇지 않은 지역에서는 시설이 갖추어 지는데 시간이 오래 걸릴 것이라 예상 할 수 있다. 그리고 통행량이 일정하지 않고 불규칙한 지역의 경우 라우터 역할을 할 차량이 적당히 있는 시간에는 원활한 통신이 가능하지만 통행량이 평소보다 많거나 적은 경우 AP의 과부하 또는 라우팅 경로의 부재로 통신이 힘든 경우가 생길 수가 있다.

 

Roadside AP등의 인프라가 제대로 갖춰져 있지 않은 지역에서 Cellular가 지원되는 VANET 디바이스가 AP역할을 수행하는 예 

이럴 때 Cellular 통신이 가능한 VANET 디바이스는 Infrastructure과의 통신이 가능한 AP역할을 할 수 있다. 어떤 차량에서 전달한 V2I 패킷이 라우팅 경로의 부재로 (또는 TTL==0) Central Server와 연결된 AP에 전달이 되지 못할 경우 가까이에 있는 Cellular가 지원되는 VANET 디바이스가 그 역할을 대신 해 줄 수 있는 것이다. 
물론 Cellular 데이터는 유료 트래픽이기 때문에 주변 차량의 데이터 통신까지 도맡아 주기에는 무리가 있을 수 있다. 이것이 현실화 되려면 ITS 운영을 위한 기관과 통신사간 협의가 진행되고 표준화 과정에서 필요한 과금체계에 관한 프로토콜이 만들어 져야 할 것이다.


5. 사용자 지향 ITS를 지원하는 스마트 폰의 미래

Cellular와 VANET이 동시에 지원되는 디바이스가 AP역할까진 수행하지 못하더라도 여전히 그 활용성은 크다. VANET이 디바이스 자체에서 지원이 될 경우 그를 이용한 다양한 애플리케이션 또한 나올 수 있기 때문이다.
VANET이 보편화 된 이후에는 VANET이 지원되지 않는 네비게이션(여기선 차량 소프트웨어 구동 기기 통칭)은 도태될 확률이 크다. 교통제어 및 사고방지 등 ITS에서 지원하는 각종 서비스 지원이 될 경우 네비게이션의 편의성 및 활용성은 크게 증가될 것이기 때문이다. 이는 네비게이션 및 교통 지원 애플리케이션이 많이 활용되는 스마트 폰에서도 해당 프로토콜 지원이 필수적이라는 뜻이다. 단순히 ITS관리 기관에서 내려주는 웹 기반의 Open API만 사용하여 개발된 애플리케이션과는 효율성이나 사용성면에서 큰 차이를 보일 것이기 때문이다.
칩셋 자체에서 VANET을 지원하여 자체적인 API가 갖추어진 스마트 폰은 그 자체로 스마트카를 현실화 시키는 OS역할을 하게 될 것이다. 단순히 운전자에게 편의를 제공하는 애플리케이션과는 차원이 다르다. VANET은 D2V(Device to Vehicle), D2I(Device to Infrastructure)와 같이 ITS와의 통신을 가능하게 해 줌으로써 향우 스마트키나 자동차 제어, 보안, 관리 체계 및 관련 정보 수집과 관련하여 무궁무진하게 활용이 될 수 있다. 활용 예는 다음과 같다.

 

  1. 사용자의 경로를 파악하고 이를 ITS의 ATIS의 정보와 대조, 스마트폰 상에서 사용자에게 좀 더 적절한 경로를 안내하고 해당 경로와 연관된 맞춤 정보를 제공할 수 있다.
  2. 추가적인 NFC 프로토콜 없이 VANET의 프로토콜과 보안 기술을 이용하여 스마트 폰을 이용한 표준화된 다목적 스마트키 구현이 가능하다.
  3. 스마트 폰을 이용하여 미리 목적지를 설정하고 D2V를 통해 차량 네비게이션에 업로드 해 둠으로써 시간을 절약 할 수 있다.
  4. 스마트 폰의 메모리를 이용하여 차량에 대한 환경 정보(운전자의 키, 운전습관, 운전 패턴 등)를 수집하여 기록해 두고 탑승 전에 차량과 동기화 시켜 둘 수 있다. 해당 프로토콜을 지원하는 다른 차량에 탑승 했을 때에도 운전자에 맞게 자동으로 세팅되도록 할 수 있다. 
  5. 차량 내부 네트워크를 수집하여 자동차 관리 애플리케이션에서 활용할 수 있고, 동기화된 단골 카센터에서 체계적인 관리를 받을 수 있다.
  6. 물류업체의 경우 자체적으로 사용하는 어플리케이션과 ITS의 CVO를 결합하여 활용성을 높일 수 있다.
  7. 외딴 곳에서 V2R통신이 불가능할 경우 스마트 폰과 D2V통신을 통해 자체적으로 Central Server와 연결하여 필요한 서비스를 받을 수 있다.

이 외에도 VANET 지원을 위한 칩셋과 스마트 폰의 OS가 동기화만 잘 되어 있다면 어플리케이션 상에서의 활용 가능성은 무궁무진 할 것으로 보인다. VANET 표준화 완료 초기 단계에 스마트 폰 상에서 VANET 프로토콜을 지원한다는 점은 운전자 입장에서는 큰 매력 요소로 작용할 것이다. 그리고 현재 스마트 폰의 활용성을 고려하였을 때 VANET을 이용한 ITS정보는 LBS만큼이나 애플리케이션 개발에 무궁무진하게 활용될 것으로 보인다. 
이 모든 것이 VANET 칩셋이 장착된 스마트 폰을 통해 현실화 시킬 수 있는 일들이다.


이미지 출처 및 참고 문헌
※ Mahmoud Hashem Eiza, Qiang Ni, Thomas Owens and Geyong Min
Investigation of routing reliability of vehicular ad hoc networks
※ Qingwen Zhao, Yanmin Zhu, Member, IEEE, Chao Chen, Hongzi Zhu, Member, IEEE, and Bo Li, Fellow, IEEE
When 3G Meets VANET: 3G-Assisted Data Delivery in VANETs
※ 경북대학교 IT대학 컴퓨터학부 김동균 교수 “고급 네트워크” 강의자료

 

※ 약 6년 전 2013~4년도에 작성된 글이므로 현재 기준으로 정확하지 않은 내용이 포함되어 있을 수 있습니다.

다른 자료 찾다가 우연히 먼지 쌓인 레포트를 꺼내게 되어 혹시나 누군가에겐 도움이 되지 않을까 해서 올립니다.

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