[헬로티]

얼마 전까지만 해도 세계적인 자동차 제조업계들은 2020년에 자율주행차량을 상용화하는 최초의 기업이 되기 위해 치열한 경쟁을 벌였다. 하지만 막상 2020년에 접어들자 이들의 당찬 포부도 한풀 꺾이게 된다.

차량 제조사들이 여러 기술 및 법적 요건을 포함해 수많은 표준과 규정을 준수해야 하기 때문에 완전히 자동화되어 운전대가 필요 없는 5단계의 자율주행차량을 만나보려면 앞으로 몇 년은 더 기다려야 한다. 하지만 미래의 스마트한 자율주행차량을 보다 잘 지원하기 위한 수많은 혁신은 계속해서 이어지고 있다.

센서, 센서, 그리고 센서

일반 차량을 내부 디바이스와 주변 환경에 연결하는 센서 기술이 더 많아지면서 개발자들은 안전 및 보안 표준을 준수하기 위해 고군분투하고 있다[그림 1].

[그림 1] 5단계 자율주행차량 개발이라는 목표에 다가갈수록 더 많은 센서 테스트 과제를 해결해야 한다.

어떤 센서가 미래를 이끌어 나갈까?

다양한 하위 시스템이 미래의 스마트 차량에 내장된다[표 1]. 카메라, 레이다, 라이다 기술 중에서도 자동차 레이다가 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)의 하위 시스템을 지원하는 필수적인 기술로 자리 잡았다.

약 10년 전에 24 GHz 레이다 센서가 새로운 혁신을 일으키기 시작했으며, 사각지대 감지, 차선 변경 및 주차 보조, 충돌 방지와 같은 전천후 ADAS 기능을 실현시켜 주었다. 조명 조건이나 악천후의 영향이 가장 적은 레이다의 인기는 ADAS 부문에서 단시간에 카메라 기술을 능가했다.

진화하는 레이다 기술

자동차 레이다의 핵심은 바로 3차원 공간을 스캔하여 다른 도로 이용자와 정적 개체에 대한 정보를 수집하는 역량이다. 예를 들어 다른 차량이나 보행자 및 반려동물의 위치, 속도, 이동 방향, 형태, ID 등을 세부적으로 감지한다. 대다수의 경우 레이다 시스템은 RF/마이크로파 또는 밀리미터파 신호를 생성하여 해당 대상 쪽으로 송출한다.

그런 다음 신호를 전송한 안테나가 피드백을 수집한다. 그러면 피드백을 통해 차량 내 전자 제어 장치가 적절한 ADAS 응답을 활성화한다. 이러한 응답은 차선 변경 또는 취약한 도로 이용자 경고, 또는 운전자가 안전한 군집 주행 거리를 유지하는 데 도움이 되는 어댑티브 크루즈 컨트롤 활성화로 이어질 수 있다.

유럽 전기 통신 표준 협회(ETSI)와 미 연방통신위원회(FCC)의 스펙트럼 규정으로 인해 2022년 1월 1일부로 새로운 자동차 레이다 디바이스에서 24 GHz 광 대역폭과 UWB 대역폭을 사용할 수 없게 된다[그림 2].

[그림 2] 자동차 레이다의 24 및 77 GHz 주파수 대역 사용(출처: TI)

이러한 변화가 자동차 레이다 어플리케이션 부문에서 76-81 GHz 대역을 사용하는 비중을 크게 늘리고 있다. 설계자들은 이러한 높은 주파수 대역을 통해 보다 작은 센서 패키지를 개발하면서 대역폭을 늘려 감지된 개체의 해상도를 개선할 수 있다.

자동차 레이다 센서 시장의 연평균 성장률은 21%에 달한다. 또한 2023년에는 그 규모가 80억달러를 넘을 것으로 예상되며, 이는 환경 모니터링, 보안 감시, 항공우주 방위를 비롯한 다른 레이다 부문보다 월등히 높은 수치다. 성능과 안정성을 저하시키지 않고 이러한 시장 성장에 부응하려면 칩 설계부터 모듈 배포 단계까지 각 레이다에 대한 엄격한 테스트가 필요하다.

자율주행차량은 최대 24개의 레이다 센서를 보유할 수 있다. 동일한 차량에 탑재된 센서들이나 다른 내부 디바이스들과 관련해 간섭효과가 발생할 수 있다. 또한 혼잡한 도로교차점에서의 잘못된 각도 계산과 같은 측정 오류도 심각한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 엔지니어들은 대규모 생산 및 차량 설치 단계 전에 새로운 각 레이다 모듈의 동작을 특성화해야 한다. 오늘날에는 엔지니어들이 레이다 에뮬레이션 장비를 사용하여 다양한 신호를 생성 및 분석하며, 여러 적합성 테스트 표준을 위한 테스트 사례를 소프트웨어로 생성한다.

또한 몇몇 테스트 관리자들은 지능적인 실험실 운영 소프트웨어를 사용하여 테스트 대상 디바이스(DUT)를 위한 수천 개의 테스트를 관리한다. 관리자들은 이를 통해 프로토타입 DUT가 대규모 생산을 위한 준비를 마쳤는지 정확하게 판별할 수 있다.

기능적 테스트 수준에서는 이제 엔지니어들이 76-81 GHz 대역에서 작동하는 레이다에 대해 여러 대상을 시뮬레이션할 수 있다.

이로써 레이다 모듈 개발자와 차량 제조사가 차량이 실제 도로를 달리기 전에 다수의 사실적인 시나리오를 테스트할 수 있다.

하지만 여전히 레이다 기술은 다양한 개체를 포착할 수 있는 보다 높은 해상도를 제공하는 데 어려움을 겪고 있다. 바로 여기서 라이다의 우수한 역량이 빛을 발한다. 라이다 센서는 펄스형 레이저를 사용하여 개체를 감지하며 일반적으로 레이다보다 해상도가 높다. 라이다의 뛰어난 세밀함을 통해 차량의 환경을 훨씬 더 종합적으로 파악할 수 있다. 

하지만 라이다는 일반적으로 카메라 및 레이다 센서 기술보다 더 고가다. 현재 보다 저렴한 라이다를 개발하려는 새로운 시도들이 이루어지고 있으며, 가격을 5자릿수에서 1000달러이하로 내리기 위한 연구들도 진행되고 있다. 라이다의 또 다른 단점들로는 높은 데이터율과 큰 전력 소비량, 그리고 조명이 낮은 환경에서의 성능 저하가 있다. 라이다를 더 저렴하고 우수하게 만들어 채택의 범위를 넓혀주는 혁신적인 기술이 개발된다면 업계에 새로운 지각 변동이 일어날 것이다.

커넥티드 카의 미래 실현

센서 기술이 안전과 편안한 탑승 환경을 구현하는 데 있어 중요한 역할을 하는 것은 맞지만, 높은 대역폭과 짧은 지연 시간을 갖춘 C-V2X가 진정한 자율주행차량과 커넥티드 카에 대한 비전을 실현할 수 있도록 도와준다.

C-V2X는 차량 센서를 속도, 위치, 교통량, 다른 차량, 실시간으로 업데이트되는 지도와 같은 주행 데이터에 연결한다. 수퍼컴퓨터의 성능을 갖춘 차량으로 물리적 백플레인과 다양한 프로토콜 계층 전반에 걸쳐 신호 무결성, 성능 안정성, 자동차의 사이버보안을 테스트하는 것이 굉장히 중요해졌다.

4G와 LTE 기술, 그리고 5G는 C-V2X 기능을 지원할 수 있는 인프라를 구축할 것이다[그림 3]. S&P Global Market Intelligence에 따르면 2024년에는 4G LTE가 총 차량 내 셀룰러 시스템의 80% 이상을 차지할 것이다. 이와 동시에 해당 업계는 5G 기술에 의지하고 있으며, 관련 지지자들은 이를 통해 자율주행차량에서 미션 크리티컬 통신을 더 빠르고 우수하게 수행할 수 있을 것이라고 믿는다.

[그림 3] 센서부터 셀룰러 네트워크까지, 원활한 연결이 자율주행 실현의 핵심이다.

5G 기반 C-V2X가 가진 잠재력은 무궁무진하며, 앞으로 새로운, 또는 변화하는 업계 표준 충족이라는 공통적인 과제에 직면한 자율주행차량 개발자들은 서로 더 많이 협력하게 될 것이다. 자율주행차량의 인공 지능을 위한 새로운표준을 구축하는 작업은 이미 시작됐다. 다음은 몇 가지 예시다.

· IEEE P2864 – 자율주행차량의 의사결정에 대한 안전 고려사항 관련 표준.
· IEEE P2851 – IP, SoC 및 혼합 신호 IC의 안전 검증에 대한 상호 운용 가능한 데이터 형식 관련 표준.
· IEEE P1228 – 차량 수명 주기 전반에서 AV 소프트웨어 안전 문제 처리.

오늘날 자율주행차량을 선보이기 위한 이니셔티브는 안전 영역 내에서 작동하는 서비스 그룹으로 한정되어 있다. 자율주행차량이 운전자가 운전하는 차량과 나란히 달리는 모습은 앞으로 몇 년이 더 지나야지만 만날 수 있을 것이다. 그때까지 자동차 설계 및 테스트 엔지니어들은 수많은 적합성 표준을 준수하고 자율주행차량의 편리성을 원하는 고객의 기대치를 충족하면서 모든 위험과 결함, 사고를 완화시키기 위해 앞으로 먼 길을 가야 한다.

저자 소개

릭 쿤디(Rick Kundi)는 키사이트테크놀로지스 자동차 및 에너지 솔루션 사업부의 솔루션 마케팅 엔지니어다. Rick은 어플리케이션 엔지니어링, 판매, 마케팅 관련 업무에서 10년 넘게 경력을 쌓아 왔다. Rick은 키사이트의 자동차 레이다, 자동차 이더넷, 자동차 소프트웨어 솔루션과 관련해 마케팅 및 전략 활동을 책임지고 있다.

▲ 릭 쿤디(Rick Kundi) 키사이트테크놀로지스 자동차 및 에너지 솔루션 사업부의 솔루션 마케팅 엔지니어

Rick은 2008년에 애질런트에 합류했으며 2016년에 키사이트에 재합류했다. Rick은 RF 및 무선 기초, 고급 자동차 레이다 분석, 생성 솔루션 등의 주제를 다루는 수많은 이벤트에서 발표를 진행했다.

※ 위 내용은 2020년 5월 SAE International의 Autonomous Vehicle Engineering에 처음 게재되었습니다. 허가를 받고 재사용 및 재인쇄하였습니다.