[논문]자율협력주행을 위한 하이브리드 V2X 통신모듈 설계

임기택; 진성근; 곽재민

doi:10.12673/jant.2018.22.3.213

자율협력주행을 위한 하이브리드 V2X 통신모듈 설계
Design of Hybrid V2X Communication Module for Cooperative Automated Driving 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.3 = no.90, 2018년, pp.213 - 219

임기택 (전자부품연구원 모빌리티플랫폼 연구센터) , 진성근 (전자부품연구원 모빌리티플랫폼 연구센터) , 곽재민 (목포해양대학교 항해정보시스템학부)

초록
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본 논문에서는 차량 환경에 적합하게 설계된 C-ITS 통신프로토콜과 이동 통신 프로토콜인 Legacy LTE 통신 기술을 함께 지원하는 하이브리드 V2X 통신모듈의 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 설계 방안을 제안하고 설계과정을 제시한다. C-ITS는 저 지연 특성으로 인해 안전 서비스 어플리케이션에 적합하며, Legacy LTE는 고지연, 고용량 특성으로 인해 교통정보, 인포테인먼트와 같은 비 안전 어플리케이션에 적합한 기술이다. 하이브리드 V2X 통신 모듈은 복수의 통신기술로 WAVE와 LTE를 지원하고, WAVE에 대해서는 복수채널 통신을 지원하여, 자율주행 차량에 LDM, 측위보정정보 등의 도로정보를 실시간으로 전달하기 위한 목적으로 설계된다. 본 논문에 제시된 주요 설계 결과는 향후 차량용 하이브리드 V2X 통신 단말기 구현에 적용될 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a design method and process for hardware and software of hybrid V2X communication module that supports both C-ITS communication protocol designed for vehicle environment and Legacy LTE communication technology. C-ITS is suitable for safety service applications due to its low latency characteristics, and Legacy LTE is a technology suitable for non-safety applications such as traffic information and infotainment due to high latency and high capacity. The hybrid V2X communication module supports multiple communication technologies of WAVE and LTE, in which WAVE supports multiple channels, so that it is designed to transmit road information such as LDM and positioning correction information to an autonomous vehicle in real time. The main design results presented in this paper will be applied to the implementation of future hybrid V2X communication terminals for vehicles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 차량 환경에 적합하게 설계된 C-ITS 통신프로토콜과 이동 통신 프로토콜인 Legacy LTE 통신 기술을 함께 지원하는 하이브리드 V2X 통신모듈의 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 설계 방안을 제안하고 설계과정을 제시하였다. 제안하는 하이브리드 V2X 통신 모듈의 설계방식에서는 복수의 통신기술로 WAVE와 LTE를 지원하고, WAVE에 대해서는 복수채널 통신을 지원도록 하였다.
본 논문에서는 차량 환경에 적합하게 설계된 WAVE 기반의 C-ITS 통신프로토콜과 이동 통신 프로토콜인 Legacy LTE통신 기술을 함께 지원하는 하이브리드 V2X 통신모듈의 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 설계 방안을 제안하고 그 설계과정을 제시한다. C-ITS통신 프로토콜은 저 지연 특성으로 인해 차량간 V2V (vehicle to vehicle) 통신과 근거리 기지국-차량 간 V2I (vehicle to infra) 통신에 특화되어 있어 안전 서비스 어플리케이션에 적합하며, Legacy LTE는 고지연, 고용량 특성으로 인해 차량간 통신보다는 기지국-차량간 통신을 이용한 비 안전(교통정보, 인포테인먼트 등) 어플리케이션에 적합한 기술이다 [4]-[6].
이와 같은 통신기술간 특성 차이로 인해, 최근 전 세계 적으로 C-ITS 통신프로토콜과 LTE프로토콜을 연동함에 있어서, C-ITS 통신프로토콜은 안전 서비스에 적용하고 LTE 프로토콜은 비 안전 서비스에 적용하는 추세이다. 이러한 추세에 따라 본 논문에서 설계하는 하이브리드 V2X 통신 모듈은 복수의 통신기술로 WAVE와 LTE를 지원하고, WAVE에 대해서는 복수채널 통신을 지원하여, 자율주행 차량에 LDM (local dynamic map), 측위보정정보 등의 도로정보를 실시간으로 전달하기 위한 목적으로 설계된다.

제안 방법

RF 트랜시버의 TDD(Time Division Duplexing) 동작 및 송수신 성능 향상을 위해 RF Front-end부에는 송신 PA, 수신 LNA 및 RF Switch가 적용되었다. 송신 PA는 Peak Power 33dB를 지원하는 SKYWORKS사의 SKY85405-11 제품이, 수신 LNA는 13dB 이득에 1.
베이스밴드부의 송신을 담당하는 DAC는 아웃 밴드의 스퓨리어스 제거를 위한 인터폴레이터 적용을 위해 14-bit 125Msps 성능을 갖는 Analog Device사의 AD9767 제품이 적용되었다. RF 트랜시버의 다이나믹에 맞추어 디지털 게인 조정을 위한 회로와 및 I/Q 신호의 DC offset 발생을 억제하기 위한 외부 바이 어스 회로를 추가하여 베이스밴드 송신 품질을 극대화 하도록 설계하였다. 그림 4는 베이스밴드 DAC부 주요 회로도이다.
MPC5125는 많은 기능을 제공함과 더불어 다양한 메모리를 지원하며 이에 따라 다양한 부팅 방법을 지원한다. V2X 통신모듈에 구현된 부팅 방법은 NAND Flash를 이용한 방법이며, 이를 통하여 부트로더로 부팅을 수행하고 리눅스 등 OS를 탑재하여 시스템 운용에 사용하도록 설계되었다.
FPGA의 기능 동작을 위해 JTAG 을 이용하는 JTAG Mode, 외부 메모리를 이용하는 Master SelectMAP Mode 및 외부 MCU를 이용하는 Slave SelectMAP Mode를 제공한다. 구현된 방법은 Slave SelectMAP Mode로 MCU를 통해 FPGA의 기능을 업데이트 가능하도록 설계하였다. 또한 이를 통하여 외부 추가 메모리를 제거하고 BOM 면적 및 단가를 줄이도록 하였다.
또한 WAVE 인터페이스를 통해 IP 통신을 수행하기 위해서, 각 WAVE 인터페이스에 다음과 같이 IP를 할당할 수 있으며, 이후 해당 인터페이스를 통한 IP 통신이 가능하도록 설계하였다.
구현된 방법은 Slave SelectMAP Mode로 MCU를 통해 FPGA의 기능을 업데이트 가능하도록 설계하였다. 또한 이를 통하여 외부 추가 메모리를 제거하고 BOM 면적 및 단가를 줄이도록 하였다. 그림2는 Slave SelectMAP Mode 설정을 위한 Mode Configuration 및 구현된 회로도이다.
그림 3은 베이스밴드부의 클럭 분배 시스템이다. 베이스밴드 및 모뎀 간 타이밍 동기를 위해 동일 클럭을 제공하도록 외부에 IDC사의 ICS553 클럭 버퍼를 적용하여 분배하도록 구현되었다. 주 클럭을 제공하는 SBTO27-40.
제안하는 하이브리드 V2X 통신 모듈의 설계방식에서는 복수의 통신기술로 WAVE와 LTE를 지원하고, WAVE에 대해서는 복수채널 통신을 지원도록 하였다. 이를 위해 하이브리드 V2X 통신모듈의 H/W 및 통신모듈 S/W 설계방안과 설계과정을 제시하였다.
본 논문에서는 차량 환경에 적합하게 설계된 C-ITS 통신프로토콜과 이동 통신 프로토콜인 Legacy LTE 통신 기술을 함께 지원하는 하이브리드 V2X 통신모듈의 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 설계 방안을 제안하고 설계과정을 제시하였다. 제안하는 하이브리드 V2X 통신 모듈의 설계방식에서는 복수의 통신기술로 WAVE와 LTE를 지원하고, WAVE에 대해서는 복수채널 통신을 지원도록 하였다. 이를 위해 하이브리드 V2X 통신모듈의 H/W 및 통신모듈 S/W 설계방안과 설계과정을 제시하였다.
하이브리드 V2X 통신모듈의 WAVE 모뎀부 및 보안부 구현을 위해 Xilinx사의 Kintex-7 시리즈 XC7K480T-1FFG901 FPGA를 적용하였다. Xilinx사의 FPGA는 프로그래머블 로직 게이트 어레이로 기능 블록 구현을 위해 내부에 프로그래밍 램을 가지는 구조로 되어있다.

대상 데이터

WCDMA 및 HSPA+ 통신은 Band 1을 지원하며 LTE 통신은 Band 1, 3 및 5를 지원한다. AMM571SK 모듈은 MDM9207-0, 메모리, RF 프런트 엔드, WTR2965, PMD9607 및 인터페이스 커넥터로 구성된다. MDM9207 칩셋은 HSPA +, WCDMA 및 LTE를 포함한 광범위한 무선 인터페이스 표준에서 고성능 데이터 응용 프로그램을 지원한다.
또한 송신부에는 불필요한 전파가 증폭되어 송신되거나 PA의 효율이 떨어지는 부분을 방지하기 위하여 PA 인입부에 muRata사의 LFB2H5G78 SG7A175 RF 대역통과필터가 적용되었다. RF Switch는 송수신 시 상호 전파 전달로 인한 부품 소손을 방지하기 위해 43dB의격리 특성을 갖는 Peregrine Semiconductor사의 PE42423 제품이 적용되었다. 해당 제품은 흡수성 토폴로지 제품으로 스위치 내부에 ESD 회로 및 사용하지 않을 경우 매칭 네트워크를 통해 그라운드로 불요전파가 흡수 되도록 설계된 제품이다.
2V 및 1V의 전원을 공급한다. System부는 프로세싱 유닛인 MCU, 저장매체 NAND Flash, 주 메모리 DDR2 SDRAM으로 구성하였다. FPGA부는 WAVE 통신 모뎀 2채널과 보안 가속 하드웨어로 구성된다.
베이스밴드부의 송신을 담당하는 DAC는 아웃 밴드의 스퓨리어스 제거를 위한 인터폴레이터 적용을 위해 14-bit 125Msps 성능을 갖는 Analog Device사의 AD9767 제품이 적용되었다. RF 트랜시버의 다이나믹에 맞추어 디지털 게인 조정을 위한 회로와 및 I/Q 신호의 DC offset 발생을 억제하기 위한 외부 바이 어스 회로를 추가하여 베이스밴드 송신 품질을 극대화 하도록 설계하였다.
Category 1부터 3까지는 카드 단말, 이동식 게이트웨이, 라우터 등에 사용되며 Category 4는 하향링크 150 Mbps, 상향링크 50 Mbps의 전송 속도를 갖는 M2M용 디바이스가 지원하는 가장 높은 Category이다. 본 연구에서는 국내 통신 업체인 SK텔레콤의 M2M 디바이스를 사용하여 하이브리드 V2X 통신 모듈의 LTE 부를 구현하기로 하고 KC인증 및 SK 텔레콤 통신망 인증을 통과한 AM텔레콤 사의 AMM571SK 모듈을 선정하였다.
RF 트랜시버의 TDD(Time Division Duplexing) 동작 및 송수신 성능 향상을 위해 RF Front-end부에는 송신 PA, 수신 LNA 및 RF Switch가 적용되었다. 송신 PA는 Peak Power 33dB를 지원하는 SKYWORKS사의 SKY85405-11 제품이, 수신 LNA는 13dB 이득에 1.0dB의 낮은 노이즈 특성을 갖는 SKYWORKS사의 SKY65404-31 제품이 적용되었다. 또한 송신부에는 불필요한 전파가 증폭되어 송신되거나 PA의 효율이 떨어지는 부분을 방지하기 위하여 PA 인입부에 muRata사의 LFB2H5G78 SG7A175 RF 대역통과필터가 적용되었다.
V2X 통신모듈의 소프트웨어 스택 및 시스템 운용을 위해 MCU를 필요로 한다. 이를 위해 NXP사의 MPC5125을 적용하였다. MPC5125 제품은 텔레매틱스 마켓을 타겟으로 출시된 제품으로 PowerPC e300 Core를 적용한 제품이다.
하이브리드 V2X 통신모듈의 RF 트랜시버는 Maxim Integrated사의 MAX2829를 적용하였다. MAX2829는 Wi-Fi용 트랜시버로 개발되었지만, 내부에 주파수 합성기의 확장을 지원하여 5.
MPC5125 제품은 텔레매틱스 마켓을 타겟으로 출시된 제품으로 PowerPC e300 Core를 적용한 제품이다. 해당 모듈은 Automotive Grade를 지원하고 Big Endian 구조의 MCU이다. MPC5125는 100 Mbps 이더넷, USB2.

후속연구

제안한 설계 결과를 확장하여 향후 자율주행 차량에 LDM, 측위보정정보 등의 도로정보를 실시간으로 전달하기 위한 목적으로 하이브리드 V2X 통신단말기의 효율적인 구현을 위한 추가 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 V2X 통신장치의 사용 가능한 Category는 무엇인가?	하이브리드 V2X 통신장치는 사물통신 (M2M; machine to machine) 디바이스로 분류되며 사용 가능한 Category는 0부터 4까지 이다. 이 중 Category 0는 IoT 디바이스용으로 사용되며 통신 속도가 매우 낮다.
	C-ITS통신 프로토콜은 어떤 어플리케이션에 적합한가?	본 논문에서는 차량 환경에 적합하게 설계된 WAVE 기반의 C-ITS 통신프로토콜과 이동 통신 프로토콜인 Legacy LTE통신 기술을 함께 지원하는 하이브리드 V2X 통신모듈의 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 설계 방안을 제안하고 그 설계과정을 제시한다. C-ITS통신 프로토콜은 저 지연 특성으로 인해 차량간 V2V (vehicle to vehicle) 통신과 근거리 기지국-차량 간 V2I (vehicle to infra) 통신에 특화되어 있어 안전 서비스 어플리케이션에 적합하며, Legacy LTE는 고지연, 고용량 특성으로 인해 차량간 통신보다는 기지국-차량간 통신을 이용한 비 안전(교통정보, 인포테인먼트 등) 어플리케이션에 적합한 기술이다 [4]-[6]. 이와 같은 통신기술간 특성 차이로 인해, 최근 전 세계 적으로 C-ITS 통신프로토콜과 LTE프로토콜을 연동함에 있어서, C-ITS 통신프로토콜은 안전 서비스에 적용하고 LTE 프로토콜은 비 안전 서비스에 적용하는 추세이다.

참고문헌 (7)

K. Lim, "Vehicle communication system technology evaluation and management service," KEIT PD Issue Report, Aug. 2016.
S. h. An, B. H. Lee, and D. R. Shin, "A survey of intelligent transportation systems," in 2011 Third International Conference on Computational Intelligence, Communication Systems and Networks, Bali: Indonesia, pp. 332-337, July, 2011.
AASHTO national connected vehicle field infrastructure footprint analysis [Internet]. Available: https://www.pcb.its.dot.gov/t3/s140522/s140522_cv_footprint_analysis_presentation_garrett.pdf.
A. Vinel, “3GPP LTE versus IEEE 802.11 p/WAVE: which technology is able to support cooperative vehicular safety applications?,” IEEE Wireless Communications Letters, Vol. 1, No. 2, pp. 125-128, Feb. 2012.

상세보기
S. Eichler, "Performance evaluation of the IEEE 802.11 p WAVE communication standard," in Vehicular Technology Conference, Baltimore : MD, pp. 2199-2203, Sept. 2007.
Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio access capabilities [Internet]. Available: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId2434.
Overview of remote NDIS (RNDIS) [Internet]. Available: https://docs.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/network/overview-of-remote-ndis-rndis-.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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