IoT기술을 활용한 ITS서비스

교통사고를 줄이기 위해 종래에는 운전자에 대한 교육을 강화하거나 표지판 등에 대부분 의존해 왔다. 또한, 과거에는 도로교통에 대한 정보 등도 공중파 방송이나 기존의 통계 정보에 의존하여 왔다. 근래에 들어 내비게이션의 보급화로 교통체증 등의 일부 문제를 다소 해결하려고 하고 있으나 극히 제한적인 상황이다. 그러나 최근 기존 도로 기반 기설 이용에 대한 효율성과 운전자 편의를 위한 교통정보제공 그리고 각종 교통문제를 해결하고자 Information and Communication Technology(ICT) 기술을 차량과 도로 시설에 접목한 Intelligent Transportation Systems(ITS) 기술이 새로운 Internet of Things(IoT) 적용 기술로 활발히 연구 개발되고 있다[1].

ITS서비스는 실시간 교통정보를 빠르고 정확하게 서비스를 필요로 하는 모든 사용자에게 전달하는 것을 목표로 개발되고 있다. 더욱이 다양한 센서 기술과의 융복합을 통해 차선이탈 알림/방지, 앞 차량과의 거리유지, 운전자 졸음감지 등과 같은 운전자 및 보행자 안전기술도 함께 접목되어 연구되고 있다. 즉, 주행 중인 차량이 다른 차량의 통신을 통해 정보를 주고받거나 차량에 탑재된 센서들로부터 주변 정보들을 취득하거나 또는 도로 주변에 설치된 노변 기지국과 같은 기존 인프라에 접속을 통해 인터넷 망에 실시간 접속할 수 있는 기술을 지원함으로써 도로교통 정보, 응급서비스, 경로안내, 안전운전 지원, 자동요금징수, 각종 낙하물 검지 등의 다양한 텔레매틱스 관련 서비스를 제공하는 것이 현실로 다가왔다. 이러한 ITS서비스를 위해서는 주행차량들 간에 상호 통신이 가능한 Vehicle to Vehicle(V2V)와 노변에 설치된 인프라와 통신하는 Vehicle to Infra(V2I) 네트워킹 기술이 핵심이다. 이러한 고속 주행용 차량을 위해 IEEE802.11p 기반의 Wireless Access in Vehicular Environments(WAVE) 통신규격이 개발되었다[2][3].

본 논문에서는 ITS기술 개발과 보급을 가능하게 해 온 WAVE 기술을 중심으로 현재까지 개발된 국내외 사례와 기술을 소개하고 현재 국내에서 연구개발 중인 ITS기술을 설명한다.

현재까지 V2V/V2I 기술을 토대로 한 ITS기술개발은 국내 및 해외에서 다양한 형태의 프로젝트 이름으로 활발히 진행되고 있으며 대표적인 사례를 다음과 같이 <표 1>에 정리하였다. 또한, ITS서비스를 위한 근거리 통신시스템으로 IEEE 802.11p 규격을 기반으로 한 WAVE 통신장치뿐만 아니라 기타 차량용 근거리 통신장치들의 개발도 활발히 진행되고 있으며 대표적인 제품들을 아래 <표 2>에 정리하였다. 지금까지 IoT 기술을 활용한 다양한 ITS응용서비스 사례와 개발되고 있는 서비스 단말 등에 대해 살펴보았다. 국내에서 연구 개발 중인 ITS기술과 테스트베드 구축 등은 다음절에 구체적으로 소개한다.

<표 1>

국내외 ITS 개발사업[4]-[9]

<표 2>

근거리 통신장치 개발현황[10]-[18]

본 절에서는 ITS서비스를 위해 필요한 단말기 및 기지국 등의 통신장치를 설명하고 이어 통신장치들의 성능 및 서비스를 검증하기 위한 테스트베드를 소개한다.

1. ITS서비스를 위한 통신장치

ITS서비스를 위해 차량에 탑재되는 통신단말은 (그림 1)과 같다. 개발된 차량용 통신단말(On Board Unit: OBU)은 WAVE 기술을 사용하여 근거리 통신을 지원한다. (그림 1)에서 소개되는 OBU의 Hadware(H/W) 특성을 살펴보면, 단일 RF채널을 지원하며 외부 Interface(I/F)로는 USB, RS232c, 이더넷 등을 지원한다. 물리계층과 Medium Access Control(MAC) 계층의 기능은 WAVE chip으로 구현되었으며 Digital to Analog Converter(DAC)를 내장하고 있다. 그 외 네트워크 및 응용계층은 Central Processing Unit(CPU)로 구현하였다. 보드의 아랫면에는 GPS 모듈이 탑재되어 있어 시간동기 및 차량의 속도나 위치정보를 획득하여 타 차량이나 기지국에 전달할 수 있도록 지원한다. 기지국과 차량 통신장치는 공통적인 하드웨어 플랫폼을 가지며 차량 통신장치는 Local Area Network(LAN)을 통해 이더넷으로 터미널과 연결되어 운전자에게 필요한 정보를 표출하고 기지국의 경우 LAN이 서버와 연결되어 데이터를 송수신하게 된다.

(그림 1)

ITS서비스를 위한 WAVE 통신단말

(그림 2)에서는 WAVE 통신단말의 CPU 소프트웨어 구조를 설명한다. OS로는 Nucleus Real Time Operating System(RTOS)를 사용하고 있으며 WAVE chip을 구동하기 위한 MAC driver와 각종 주변장치를 구동하기 위한 driver가 설치된다. 차량 간 혹은 기지국과 통신 시 필요한 네트워킹 프로토콜이 구현되어 있으며 멀티 홉 통신도 지원한다. IPC handler는 이더넷을 통해 수신된 데이터를 해당 블록으로 전송하거나 반대로 각 블록의 데이터를 이더넷으로 전달하는 역할을 수행한다. Network 블록은 멀티 홉을 지원하며 최적의 라우팅 경로를 실시간 유지 및 관리를 한다. 그 외 WAVE 모뎀과 MAC의 기능을 관장하는 관리블록이 있다. 차량 통신장치의 OBU 관리블록은 IPC handler 블록, 네트워크 블록 및 WAVE/MAC 관리 블록을 제어하여 패킷의 발생, 주파수 설정, 출력파워 설정, 초기화, 네트워크 설정 등의 기능을 제공한다. 기지국 통신장치의 경우 OBU 관리블록 대신 Road Side Unit(RSU) 관리블록으로 대치되어 필요한 기능을 수행한다.

(그림 2)

WAVE 통신단말의 CPU S/W 구조

(그림 3)에 있는 복합기지국은 차량에 탑재된 OBU와 무선통신을 통해 차량 운전자에게 각종 서비스를 제공하거나 차량의 정보를 수집하는 역할을 수행한다. 즉, 차량 단말기가 인프라 네트워크(교통관제센터, 사업자 인트라넷, 인터넷 등)에 접속할 수 있도록 접속 기능을 제공한다. 복합기지국은 차량과는 OBU를 통해 무선으로 통신하고 원격지와는 유선통신을 수행한다. 복합기지국이 지원하는 무선채널로는 WAVE, Wi-Fi 그리고 Dedicated Short Range Communication(DSRC) 등을 지원함으로 다양한 방식으로 차량과 무선통신이 가능하다.

(그림 3)

ITS서비스를 위한 복합기지국 통신장치

2. ITS서비스 테스트베드

WAVE 기지국 통신장치(RSU)가 설치된 고속도로 환경은 (그림 4)와 같다. 총 5대의 기지국들이 대략적으로 1km 간격으로 배치되어 있다. 각각의 기지국들은 커버리지가 조금씩 중첩되도록 배치하여 통신서비스가 끊어지지 않고 핸드오버가 되도록 망 설계가 되어있다. 테스트베드에는 여러 가지 인공 구조물이 존재하여 다양한 장애물에 따른 통신시험이 가능하다. 기지국 1번과 2번 사이 그리고 3번과 4번 사이에는 갠트리와 육교가 존재하여 신호의 Line of Sight(LOS) 환경을 방해하며 기지국 2번과 3번 사이에는 철 방음벽이 존재하여 많은 반사파를 유발시킨다. 또한, 시험 고속도로 양 끝은 곡선도로임으로 다른 직선 도로에 비해 충분한 통신 커버리지 확보에 어려움이 발생한다. (그림 4)에서 시험도로의 왼쪽이 북쪽(상행)이고 오른쪽이 남쪽(하행) 방면이다. (그림 5)와 같이 도로변에 설치된 RSU는 인프라와 유선으로 연결되어 서버 및 외부 통신망과 접속할 수 있는 기능을 제공한다. 차량에 탑재된 OBU는 고속으로 이동하는 환경에서 다양한 텔레매틱스 및 ITS서비스를 제공하기 위해 차량용 통신장치와 통신기능을 수행한다. RSU 및 OBU에 사용되는 안테나의 모양과 빔 패턴은 (그림 6)과 같다. 기지국 통신장치에 사용되는 안테나의 특성은 <표 3>과 같다. 수직과 수평 방향 모두 지향성으로 33도의 빔 폭을 가지며 최대 15dBi의 이득을 가진다. 반면, 차량 통신장치에 사용되는 안테나는 수평 방향에 대해서는 무지향성 특성을 가지고 수직 방향에 대해서는 30도의 빔 폭을 가진 지향성 특성을 가진다.

(그림 4)

ITS서비스를 위한 복합기지국 통신장치

(그림 5)

실제 테스트베드에 설치된 RSU 및 OBU

(그림 6)

테스트베드에 설치된 안테나 빔 패턴

<표 3>

근거리 통신장치 개발현황

IoT기술을 활용한 ITS시험서비스는 다양하게 운전자나 보행자에게 제공할 수 있다. 제공하는 서비스에 따라 Vehicle to Anything(V2X) 통신방식이 결정된다. 차량에 탑재되어 운전자에게 Graphic User Interface(GUI) 등으로 정보를 전달하는 서비스 단말은 OBU와 테더링 방식으로 통신한다. 서비스 단말은 ITS 전용 단말 혹은 개인이 소지하고 있는 스마트폰이 모두 사용 가능하다. <표 4>에서는 운전자에게 제공 가능한 ITS서비스를 V2V/V2I로 구분하여 몇 가지 예로 정리하였다. 상기의 서비스들은 주기적으로 혹은 이벤트 발생 시마다 주변 차량에 전송된다. 이러한 정보들은 미리 운전자들이 사고를 예방하여 사전에 대안을 준비하거나 운전편의 서비스를 제공함으로써 운전 스트레스의 감소와 각종 사고 감소 효과를 기대할 수 있다. (그림 7)은 전방에서 발생한 교통사고를 사전에 운전자에게 알려주는 서비스가 적용될 때 실제 서비스 단말에서 전시되는 화면을 나타낸다. 화면의 왼쪽에는 현재 사고가 발생한 차량의 상태 정보를 보여주며 화면 가운데에는 발생한 이벤트와 위치를 대략적으로 알려준다. 오른쪽 화면에는 현재 본인 차량의 위치를 맵에서 알려준다. IoT기술을 활용한 ITS서비스에서 데이터 스트리밍 서비스도 가능하며 인터넷 방송이나 (그림 8)과 같이 도로의 Closed Circuit Television(CCTV) 정보를 이용할 수 있다. 현재 V2X 통신기술은 수십 Mbps까지의 전송속도를 보장함으로 이러한 데이터 스트리밍 서비스가 가능하다.

<표 4>

V2X통신기술을 활용한 ITS서비스 예

(그림 7)

전방사고 알림 서비스 실시 예

(그림 8)

전방사고 알림 서비스 실시 예

IoT기술을 차량교통에 접목함으로써 각종 운전자 편의 정보를 제공할뿐 아니라 교통사고를 현저히 줄이는 ITS서비스 연구개발이 활발히 진행 중이다. 본 논문에서는 현재 전 세계에서 연구되고 있는 관련 연구 및 시제품들을 소개하였다. 특히 ITS기술을 도로교통에 접목하는 데 필요한 고속주행 차량용 통신기술인 WAVE 규격이 완성되어 V2X 통신문제를 해결함으로써 기술 상용화가 현실화 되었다. 본 논문에서는 ITS서비스를 위해 필요한 통신장치 및 시험도로를 소개하고 특징을 설명하였다. 개발한 통신장치를 차량에 탑재하여 시험도로에서 ITS서비스를 시험한 몇 가지 사례들을 살펴보았다. 이제 해외뿐만 아니라 국내에서도 충분한 ITS서비스를 위한 기술이 확보됨에 따라 다양한 운전자 편의 서비스 및 각종 도로 교통정보들을 모든 운전자와 차량에 제공할 수 있는 상용화 시점이 앞당겨질 것이다.

WAVE Wireless Access in Vehicular Environments의 약자로서, 차량과 차량 혹은 차량과 인프라 간 무선통신을 위해 차량 최대속도 200km/h, 100ms 이내의 지연시간을 가지면서 최대 27Mbps(대역폭 10MHz)의 전송속도를 가지는 차량용 1km 내외의 근거리 무선통신 기술