자율주행차 성능 향상을 위한 기술 개발 전략 - V2X/정밀지도 중심

강산들 연구원 / 한국자동차산업연구소

　최근 완성차업체들이 자율주행차의 성능을 향상시키기 위해 V2X와 정밀지도에 주목하고 있다. 자율주행차는 V2X와 정밀지도를 통해 센서의 사각지대를 줄일 수 있으며, 전방 도로 상황을 미리 인지하여 위험에 선제적으로 대처할 수 있다. 이에 완성차, 부품, IT업체들은 신기술인 V2X와 정밀지도를 개발하기 위해 업체간 협력을 강화하고 있다. 이번 기고에서는 V2X와 정밀지도의 기술 발전 방향 및 업체 전략을 살펴보고, 국내 완성차/부품업체의 대응 방향을 제시하고자 한다.

V2X와 정밀지도의 개념과 역할

　최근 완성차업체는 지능형운전자보조시스템(ADAS¹⁾)의 수준을 한 단계 높인 자율주행차를 구현하기 위해 노력하고 있다. 그러나 카메라, 레이더 등 센서에 의존한 시스템만으로는 한계에 봉착하고 있는 상황이다. 센서에는 아직 해결되지 못한 기술적인 문제점들이 많이 있기 때문이다. 　현재의 센서 기술로는 교차로에서 갑자기 진입하는 차량이나 전방 차량 앞 상황 등을 인지하기 어렵다. 또한 센서는 완벽한 정확도를 보장하지 못한다. 예를 들어 카메라는 날씨에 민감하며, 레이더는 보행자 인식이 어렵다. 완성차업체는 이러한 한계를 극복하기 위해 자율주행차 구현에 부가정보시스템을 활용하려 하고 있다. 　대표적인 부가정보시스템에는 V2X와 정밀지도가 있다. V2X는 차량과 외부 환경을 연결하는 기술을 의미한다. 자율주행차에 있어서 V2X의 주된 역할은 센서의 사각지대 정보를 제공하는 것이다. 차량은 V2X를 통해 센서로는 감지할 수 없는 다른 차량의 진행 방향 정보, 전방 도로의 교통사고 정보 등을 제공받을 수 있다. 　정밀지도는 도로 내에 있는 모든 고정지물의 위치와 형태 정보를 포함한 지도이다. 정밀지도는 센서가 정상적으로 작동하기 어려운 상황에서 센서의 성능을 보완하는 역할을 한다. 차량은 장애물이나 악천후 등으로 인해 센서의 정보가 부정확할 경우, 정밀지도의 정보를 활용하여 이를 보완할 수 있다. 이처럼 V2X와 정밀지도는 자율주행차의 성능을 향상시키는데 있어서 매우 유용한 기술이다.

< 자율주행 프로세스와 V2X/정밀지도의 필요성 >


　자율주행과 관련이 높은 V2X 기술에는 차량-차량 간 통신(V2V)과 차량-인프라 간 통신(V2I)이 있다. V2V는 다른 차량의 진행 경로, 속도 등의 정보를 제공한다. 이러한 V2V의 정보는 교차로와 같은 센서의 사각지대에서 충돌사고를 미연에 방지하는데 도움을 준다. V2V는 군집 자율주행²⁾에도 사용된다. 군집 자율주행에서 차량들은 V2V로 각 차량의 주행 정보(상대 위치, 속도 등)를 서로 교환함으로써 일정한 차간거리를 유지하며 안전하게 주행할 수 있다. 　V2I는 신호등, 공사구간, 사고발생구간, 가능한 주차공간 등 도로의 상황정보를 제공한다. V2I는 운전자 개입이 필요한 구간(공사구간, 사고 발생구간)을 알려주어 어느 시점에서 자율주행차의 통제권을 운전자에게 이양해야 할 지 결정하는데 활용될 수 있다. 또한 주차장에서 비어있는 주차공간을 알려줄 수도 있다. 　V2X는 많은 장점을 가진 기술이지만 아직 테스트 단계에 머물고 있다. 상용화에 대한 논의는 계속되고 있으나, 비용 문제가 아직 해결되지 못하고 있기 때문이다. V2V는 많은 차량에 V2V 모듈이 보급되어야만 충분한 효과를 낼 수 있으나, 소비자와 완성차업체가 자발적으로 V2V 모듈 비용을 지불해야할 충분한 동인이 없다. V2I는 인프라 구축과 운용에 많은 비용이 소요되나, 이를 누가 부담할지에 대한 구체적인 해결책이 없는 상황이다. 　이에 미국은 V2X 활성화를 위해 V2V 모듈 설치를 의무화하는 법안을 추진하고 있다. 만약에 법제화가 실현될 경우 글로벌 V2X 시장은 2020년에 약 1,900만대 수준에 이르고, V2X 보급률은 16%에 이를 전망이다. 하지만 이와 같은 정부의 강력한 의지가 없다면 완성차업체가 자발적으로 참여하더라도 글로벌 V2X 보급률은 2020년에도 5% 수준에 그칠 전망이다.

< V2X의 역할 >	< V2X 시장 전망 >
출처 : Strategy Analysis

　정밀지도는 기존 내비게이션 지도의 진화된 형태로서 차량이 전방 도로환경을 예측할 수 있게 한다. 정밀 지도는 기존의 내비게이션 지도와 달리 도로 고저, 차선 너비, 신호등 위치 등의 정보까지 포함하고 있다. 덕분에 차량은 정밀지도를 통해 자율주행시스템의 안정성을 높일 수 있다, 예를 들어 급커브 구간에서 미리 속도와 조향각을 조절할 수 있으며, 신호등의 위치를 파악하고 있으므로 신속하게 대응할 수도 있다. 　또한 정밀지도는 차량의 위치를 파악하는 수단으로 활용될 수 있다. 자율주행에서 차량의 위치는 교차로, 분기점 등에서 차량의 주행 전략을 결정하는 중요한 요소이다. 예를 들어 차량이 분기점에서 나가야 하는 경우 분기점까지의 거리, 현재 차량의 차선 등의 위치 정보는 차량이 언제 차선을 변경할 지를 결정하는데 필수적이다. 위치측정 기술은 GPS가 중심이지만 터널, 빌딩 숲, 지하주차장 등에서는 GPS가 부정확하기 때문에, 정밀지도를 활용하는 방법이 논의되고 있다.

2. 기술 개발 현황

1) 공통

　V2X와 정밀지도의 상용화를 위해서는 차량 위치를 정밀하게 인식하는 기술이 발전해야 한다. 하지만 GPS를 활용한 기존의 방식은 정밀도가 떨어지고, 위성신호를 받을 수 없는 곳에서는 사용이 어려워 대안 기술이 필요하다. 실제 GPS의 인식 정밀도는 10m 정도로 자율주행차 기능 구현에 필요한 수준에 미치지 못한다. 　이에 기존 GPS의 문제를 해결하기 위한 DGPS³⁾ 방식이 개발되었다. DGPS 방식은 GPS가 위성으로 받은 정보와 지상의 기준국⁴⁾으로부터 받은 위치 보정 데이터를 활용하여 인식 정밀도를 1～5m까지 높이는 방법이다. 그러나 DGPS는 수신기 부품이 고가이고 데이터 사용량이 늘어나는 단점이 있다. 더욱이 GPS와 마찬가지로 위성 신호를 기반으로 작동하기 때문에 위성 신호를 받을 수 없는 터널, 주차장 등에서는 DGPS를 사용해서도 차량의 위치를 잡아낼 수 없다. 이에 GPS를 보완하기 위해 여러 가지 방법들이 고안되고 있다. 　대표적으로 차량 내 센서를 활용하여 GPS의 한계를 보완하는 방법이 있다. 이 기술은 GPS가 부정확한 지역에서 차량의 가속도, 각속도 센서를 이용하여 차량의 기존 위치, 속도, 진행방향을 기반으로 현재 위치를 추정한다. 차량 센서를 이용하여 위치를 추정하는 방식은 외부환경과 무관하게 작동하지만 시간이 경과함에 따라 오차가 누적될 수 있어 GPS의 보완책으로 사용된다.

< 차량 위치 인식 기술 개발 추이 >

2) V2X

① 보안 강화 및 프라이버시 보호 　V2X가 차량에 적용되려면 취약한 보안 문제가 해결되어야 한다. 자율주행차는 수많은 전자/통신장비로 구성되어 있기 때문에 스마트폰, 컴퓨터와 같이 보안/프라이버시 침해 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 차량의 위치정보, 주행기록이 제3자에게 유출되어 악용될 수 있으며 해커나 테러조직이 허위 정보를 송출함으로써 고의적 차량충돌, 교통혼란 등을 야기할 수 있다. 　V2X의 보안 문제를 해결하기 위해 국제 기구인 전기전자기술자협회(IEEE)는 무선 인터넷 표준과는 별도로 보안을 강화하기 위한 새로운 규약⁵⁾을 제정 하였다. 새로운 규약은 보안이 보장되지 않는 무선 네트워크를 사용하더라도 안전하게 통신할 수 있도록 송수신 정보에 대한 암호방식과 인증서 관리에 대한 사항을 규정하고 있다. 새로운 규약에서 규정하는 암호방식은 기술 난이도가 높아 안정성은 우수하나 암호를 빠르게 처리하기 어렵다는 단점이 있다. 이에 따라 암호 처리 속도를 높일 수 있는 소프트웨어 알고리즘이 개발되고 있다.
② 통신기술 표준화 　V2X의 효율성과 안정성 향상을 위해 통신기술 표준화가 진행되고 있다. 초기 차량 무선통신은 DSRC⁶⁾ 방식을 사용하였다. 초기 DSRC 방식은 1:1 통신 목적으로 개발되어 통신 범위가 30m로 짧고 인터넷 연결을 통한 양방향 통신을 지원하지 못한다는 단점이 있다. 　그러나 자율주행차에 필요한 V2X 통신은 고속, 장거리, 양방향 통신을 모두 지원해야 하므로 WAVE⁷⁾라는 새로운 통신방식이 표준기술로 자리 잡고 있다. WAVE는 차량이 고속으로 이동하는 전파 환경에서 정보를 1/1,000초 이내 짧은 시간에 주고 받을 수 있는 기술이다. 현재 이동속도 최대 200km/h, 통신 범위 최대 1km, 통신속도 27Mbps를 목표로 개발되고 있다. 　WAVE 기술 표준화는 미국이 주도하고 있다. 미국은 1999년부터 5.9GHz를 V2X 통신을 위한 WAVE용 주파수로 할당하였으며, 2010년에는 국제기구 IEEE에서 WAVE를 통신표준으로 확정시키고 시범사업을 진행하고 있다. 유럽도 2008년부터 WAVE 기술을 수용하여 미국과 동일한 표준으로 V2X 기술을 개발하고 있다. 하지만 국내에서는 해당 주파수 영역이 방송 중계용으로 할당되어 있으며, V2X 전용 주파수는 배정되어 있지 않은 상황이다.

< V2X 통신 표준 기술 발전 방향 >

출처 : 한국전자통신연구원

3) 정밀지도

　정밀지도의 구축 측면에서는 높은 정확도의 지역별 데이터를 축적하는 것이 가장 중요한 이슈이다. 하지만 지역별 데이터 수집은 많은 비용과 시간이 요구된다. 센서로부터 입력되는 초기 데이터는 의미를 가진 형태의 정보가 아니므로, 사람이 일일이 차선, 신호등, 표지판 등으로 구분하는 작업이 필요하기 때문이다. 또한 지역별로 교통 표지판 모양, 차선의 규격 등 도로시스템이 다르기 때문에 이러한 지역적 특성도 반영하여야 한다. 또한 위성지도, 등고선지도 등을 활용하여 보정, 검증하는 후처리 절차도 필요하다. 　정밀지도 제작 시 발생하는 또 다른 이슈는 데이터 관리이다. 정밀지도는 기존의 내비게이션 지도에 비해 데이터 용량이 매우 크기 때문에 저장, 활용, 업데이트 등에 어려움이 있다. 우선 기본적인 지도는 차량에 내장되어야 하므로, 대용량 데이터를 간략화, 압축하는 기술이 필요하다. 또한 지도의 변경사항이 실시간으로 차량에 반영되어야 하므로, 데이터센터에서 지도를 효율적으로 분할 저장 및 전송할 수 있어야 한다. 이러한 기술 방식에 대해서는 여러 방법들이 논의되고 있다.

3. 지역별 정부 정책 동향

　V2X는 개별 민간업체보다는 정부 주도로 추진되는 특징이 있다. V2X는 센서와 같이 개별 차량을 대상으로 적용되는 것이 아니라, 모든 차량에 통일된 통신 방식이 적용되어야 한다. 또한 V2X는 실제 도로 인프라를 활용하여야 하며, 관련 시스템 개발 및 구축에 많은 비용이 들기 때문이다. 　미국에서는 미국 교통부 산하의 RITA가 V2V에 초점을 맞춘 ‘Connected Vehicle⁸⁾’프로젝트를 2010년부터 올해까지 진행하고 있다. 미국 교통부는 2002년부터 완성차업체와 함께 V2V의 실효성에 대해 연구해 왔으며, 이 프로그램도 그 연장선상에 있는 것이다. RITA는 이 프로그램에서 사각지대 및 차선 변경 경고, 교차로 이동 지원 등의 기술 연구를 진행하고 있다. 이와 함께 미국 교통부 산하의 도로교통안전국(NHTSA)은 V2X 기술 검증 프로젝트인 ‘Safety Pilot’을 2011년 8월부터 지난해 8월까지 진행하였다. 미국은 해당 테스트 결과를 바탕으로 V2V 적용을 모든 신차에 의무화하는 법안을 추진하고 있다. 　유럽은 국가들이 연합하여 V2X의 실효성 검증 및 모듈/시스템 등을 표준화하고, 각국 정부가 국가별로 실제 도로에서 실증실험을 진행하는 방식으로 V2X를 개발하고 있다. 유럽은 미국과 달리 V2I에 초점을 맞추고 있다. 유럽의 운전자들이 미국에 비해 신기술에 매우 보수적이므로 모듈의 보급률이 중요한 V2V보다는 V2I의 상용화 가능성이 크다는 판단 때문이다. 　EU는 2000년대 중반부터 민간업체, 연구기관 등과 함께 다양한 프로젝트를 진행해 왔다. 예를 들어 CVIS⁹⁾는 통신 시스템 개발, SAFESPOT은 V2X 서비스 개발, PRESERVE¹⁰⁾는 V2X의 보안/프라이버시 강화 등을 목표로 진행되었다. EU는 이처럼 체계적으로 V2X 기술을 개발, 검증해 나가고 있다. 　이와 함께 국가별로 대규모 실증실험을 진행하고 있다. 대표적으로는 독일의 simTD¹¹⁾가 있다. simTD는 독일 정부, 연구소, 완성차/부품¹²⁾/SW 업체 등이 참여하여 테스트베드를 구축하는 프로젝트였다. 2008년부터 2013년까지 5년간 진행되었으며, 약 760억원의 대규모 자금이 투자되었다. 이 프로젝트에서 V2X의 안전성 검증과 운전자의 V2X 기능에 대한 선호도 조사 등이 이뤄졌으며, 해당 결과를 바탕으로 V2I 상용화가 진행되고 있다. 　일본은 유럽과 유사하게 V2I를 중심으로 V2X를 개발하고 있다. 일본에서는 국토교통성, 경제산업성, 경찰청, 총무성이 연계하여 ITS Japan 사업의 일환으로서 V2I를 적극적으로 개발하고 있다. 또한 적극적으로 V2X를 상용화하고 있다. 일본은 일찍이 V2X용 주파수를 할당하였으며, 관련 법규 정비도 거의 완료한 상태이다. 서비스 측면에서도 실시간 교통상황정보, 교차로 차량 정보, 전방의 정지/저속주행 차량 정보 등을 제공받을 수 있는 시스템이 개발되었다. 해당 시스템은 일부 지역에서 이미 상용화되고 있으며 점차 적용 지역이 확대될 전망이다.

< 미국/유럽/일본의 V2X 프로젝트 현황 >
출처 : 언론 보도자료 종합, 각 프로젝트 홈페이지

4. 성차/부품업체 동향

1) V2X

　완성차업체는 컨소시엄을 구성하여 V2X 기반의 안전시스템을 개발하고 있다. 완성차업체들이 컨소시엄 형태로 개발을 진행하는 이유는 통신 방식이 업체별로 달라서 발생할 수 있는 오작동을 미연에 제거하기 위해서이다. 업체별로 통신기술은 국제 표준 규약을 동일하게 따르지만, 구체적인 구현 방식은 서로 차이가 난다. 따라서 시스템 안정성을 확보하기 위해서는 완성차업체 간 사전 조율이 필요하다. 이에 지역별 통신기술과 법규에 대응하기 위해 국가별로 컨소시엄이 구성되어 있는 상황이다. 현재 운영되고 있는 민간 컨소시엄으로는 미국의 CAMP¹³⁾와 유럽 C2C-CC¹⁴⁾가 있다. 　또한 완성차업체들은 교통인프라 개발업체와 차량 및 교통인프라 정보를 종합적으로 운영하는 시스템을 개발하고 있다. 자율주행차 운행의 안정성과 효율성을 높이기 위해서는 차량뿐만 아니라 교통인프라의 정보가 종합적으로 고려되어야 한다. 그러나 완성차업체가 모든 분야를 개발하기 어려우므로 기존 교통인프라 개발업체와 협력하고 있다. 아우디는 올해 CES에서 교통인프라 개발업체 게바스(GEVAS)와 개발한 실시간교통신호등정보시스템을 선보였다. 이 시스템은 중앙교통전산망에서 신호등 정보를 받아 정지신호에 걸리지 않고 주행할 수 있는 최적 주행속도를 계산해준다. 아우디는 A6 모델을 기반으로 시스템 개발을 완료하고 정부 허가만을 기다리고 있다.

2) 정밀지도

　정밀지도를 제작하고 있는 주목할만한 업체는 노키아, 탐탐, 구글이다. 이들 업체는 모두 내비게이션용 지도 데이터를 보유한 업체로서, 향후 성장가능성이 큰 자율주행차용 정밀지도시장을 선점하기 위해 노력하고 있다. 　구글은 자율주행차를 직접 제작하여 정밀지도를 적용함으로써, 정밀지도의 실효성을 스스로 검증하는 전략을 취하고 있다. 특히 정밀지도와 센서 정보를 융합하는 소프트웨어 개발에 주력하고 있는 모습이다. 구글은 미국 벨로다인(Velodyne)으로부터 라이다 센서 30기를 공급받아, 미국 캘리포니아의 약 3,200km 구간의 정밀지도를 작성하였다. 구글은 이를 실험용 차량에 직접 적용함으로써 해당 구간 내에서 약 30,000km를 무사고로 자율주행하는데 성공했다. 일각에서는 구글이 많은 비용이 드는 정밀지도 구축보다는 지도와 센서 정보를 융합하는 소프트웨어 알고리즘 및 OS 판매를 수익 모델로 삼고 있는 것이 아닐까라고 추측하고 있다. 　노키아(지도사업부는 Here)와 탐탐은 유럽의 대표적인 내비게이션 업체로서 유럽, 미국 등지에서 정밀지도를 제작하고 있다. 이들 업체는 구글과 달리 정밀지도 데이터 구축에 주력하고 모습을 보이고 있다. 노키아는 벨로다인으로부터 약 150기의 라이다 센서를 공급받아 지도를 제작하고 있다. 이들 업체는 지도 데이터 구축에 집중하면서, 협업을 통해 정밀지도를 차량에 적용 및 검증하고 있다. 　노키아는 지난해 9월 다임러의 자율주행차 개발에 참여하기로 합의했다. 노키아는 독일 만하임부터 포르츠하임에 이르는 구간의 정밀지도를 다임러에 제공한다고 밝혔다. 해당 파트너십에는 콘티넨탈과 마그네티 마넬리도 참여하여 관련 부품을 제공할 계획이다. 한편 탐탐은 올해 파리 모터쇼에서 보쉬의 자율주행기술 개발을 위해 정밀지도를 공급하기로 했다고 밝혔다. 올해 10월에는 폭스바겐과도 파트너십을 체결했다. 이처럼 유럽 지도 업체들은 정밀지도 상용화 및 시장 선점에 집중하는 모습을 보이고 있다.

< 노키아와 완성차/부품업체의 협력 체계 >
출처 : 언론보도자료 종합

5. 시사점

　완성차업체들은 정부와 V2X 인프라의 구축 방안을 마련하기 위해 공동으로 노력해야 한다. V2X 인프라는 공공재적 성격을 띠고 초기 설치비용이 높아 개별업체가 자체적으로 구축하기 어렵다. 따라서 V2X 인프라는 선진국에서도 주로 정부나 지자체가 설치하고 있다. 국내에서는 국토부, 경찰청, 도로공사, 지자체 등 다양한 기관이 고속도로, 시내, 국도를 나누어 관리하고 있다. 향후 인프라 구축의 효율성을 높이기 위해서는 정부기관 내 기술 개발을 종합적으로 추진할 수 있는 체계가 구축되어야 한다. 동시에 민간업체와 정부가 인프라 투자비용을 조기에 회수할 수 있는 사업모델을 개발함으로써 인프라 구축을 촉진시켜야 한다. 　또한 완성차업체 및 부품업체는 정밀지도를 활용하기 위해 지도 전문업체와 협력관계를 구축하고, 차량 센서와 정밀지도 정보를 융합하는 기술 개발에 집중해야 할 것이다. 지도 정보는 기존에 내비게이션 지도 데이터를 보유한 IT 서비스업체들이 선점하고 있는 분야로서, 이들 업체가 신규업체에 비해 정밀지도 개발이 유리하다. 따라서 완성차 및 부품업체들은 지도 전문업체와 협력하여 정보를 통합 분석하는 소프트웨어 개발에 집중해야 한다. 　국내 지도 전문업체들은 정밀지도 데이터베이스를 구축하고 방대한 데이터를 관리, 운영할 수 있는 인프라를 확보해야할 것이다. 정밀지도는 데이터 구축비용이 크며 데이터를 효율적으로 저장, 관리하는 기술이 중요하다. 따라서 국내 지도 전문업체들은 데이터센터, 클라우드서비스 등을 제공하는 IT서비스업체와 협력하여 시장을 선점하는 전략이 필요하다. 또한 중장기적으로 해외 시장에 진출하기 위해 현지 지도 제작 전문업체들을 인수하는 방안도 검토해야할 것이다.

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1) Advanced Driver Assistance System 2) 한 대의 선두차량을 다수의 차량이 따라가는 주행방식 3) Differential GPS 4) 위성의 위치 값을 측정하기 위해 지상에 설치한 기준 위치, DGPS 기술은 기준국 절대위치와 위성의 기준국 인식값 간의 차이를 보정하여 GPS 장치에 전송 5) IEEE 1609 6) Dedicated Short Range Communication 7) Wireless Access for Vehicular Environments 8) 프로젝트 명이 VII → InteliDrive → Connected Vehicle로 변경됨 9) Cooperative Vehicle Infrastructure System 10) Preparing Secure Vehicle to X Communication Systems 11) Safe Intelligent Mobility Test field Deutschland 12) 완성차업체 : 다임러/BMW/폭스바겐/오펠/포드, 부품업체 : 콘티넨탈/보쉬 13) Crash Avoidance Metrics Partnership 14) Car-to-Car Communication Consortium