차량 사물 간 통신

차량 사물 간 통신의 핵심 통신 프로토콜은 주로 DSRC와 C-V2X로 대표된다. 이 두 기술은 저지연, 고신뢰성의 통신을 통해 차량과 주변 환경 간 정보 교환을 가능하게 하지만, 기반 기술과 접근 방식에서 차이를 보인다.

DSRC는 전용 단거리 통신을 의미하며, 주로 5.9 GHz 대역의 전용 주파수를 사용하는 IEEE 802.11p 표준을 기반으로 한다. 이는 와이파이 기술을 차량 환경에 맞게 변형한 것으로, 사전에 구축된 인프라에 의존하지 않고 차량 간 직접 통신이 가능하다는 특징을 가진다. DSRC는 비교적 기술 성숙도가 높아 초기 V2X 도입 사례에서 많이 채택되었다.

반면, C-V2X는 이동통신 기술을 기반으로 한 차량 통신 방식이다. 이는 다시 두 가지 모드로 구분된다. 첫째, LTE-V2X 또는 5G NR-V2X와 같은 이동통신 네트워크 인프라를 활용하는 네트워크 통신 모드이다. 둘째, 이동통신 주파수 대역을 사용하지만 기지국을 거치지 않고 차량 간 직접 통신하는 측면 링크 모드이다. C-V2X는 기존 셀룰러 네트워크의 광범위한 커버리지와 진화하는 5G/6G 기술의 고속도, 초저지연 특성을 활용할 수 있는 장점을 가진다.

두 프로토콜의 주요 특징을 비교하면 다음과 같다.

표준화 측면에서 DSRC는 IEEE와 ETSI에서 주도해왔고, C-V2X는 3GPP에서 표준을 주도하며 지속적으로 진화하고 있다. 현재 산업계에서는 두 기술 간의 상호운용성 확보와 더불어, 장기적으로는 고성능, 광범위 연결, 네트워크 슬라이싱 지원이 가능한 C-V2X가 주류 기술로 부상할 것이라는 전망이 우세하다.

차량 사물 간 통신의 통신 모드는 통신 주체에 따라 크게 네 가지 유형으로 구분된다. 가장 기본적인 형태는 차량 대 차량 통신으로, 차량 간에 직접 무선 신호를 주고받는다. 이 모드는 긴급 제동, 차선 변경 충돌 위험, 교차로 접근 정보 등을 실시간으로 교환하여 사고를 예방하는 데 핵심적이다. 두 번째는 차량 대 인프라 통신으로, 차량이 도로변에 설치된 노변 장치와 통신한다. 신호등 상태, 제한 속도, 도로 공사 정보 같은 교통 인프라 정보를 차량에 제공한다.

세 번째는 차량 대 네트워크 통신으로, 차량이 셀룰러 망을 통해 광역 인터넷에 연결된다. 이를 통해 실시간 내비게이션, 대규모 교통 정보 분석, 원격 진단 및 엔터테인먼트 서비스를 이용할 수 있다. 마지막으로 차량 대 보행자 통신은 차량이 스마트폰이나 특수 단말기를 가진 보행자와 통신하여 횡단보도 주변 등에서 충돌 위험을 경고한다.

이러한 모드들은 상호 보완적으로 작동하여 포괄적인 통신 환경을 구축한다. 예를 들어, V2V로 즉각적인 위험을 알리고, V2I로 지역적 교통 규칙을 전달하며, V2N으로 광역 최적 경로를 계산할 수 있다. 주요 통신 모드를 정리하면 다음과 같다.

이러한 다양한 통신 모드의 조합을 통해 단순한 안전 경고를 넘어, 교통 흐름 최적화 및 자율주행 시스템의 핵심 감각 기관으로서의 역할을 수행한다.

차량 사물 간 통신은 주로 전용 단거리 통신을 위한 주파수 대역을 사용한다. 많은 국가에서 교통 안전과 효율성을 위한 전용 주파수로 5.9 GHz 대역(5.850–5.925 GHz)을 할당하고 있다. 이 대역은 DSRC와 C-V2X의 직접 통신 모드가 공존하며 사용한다. 일부 지역에서는 5.8 GHz 대역이나 700 MHz 대역과 같은 다른 대역도 활용 연구가 진행되고 있다[2].

표준화는 국제 표준화 기구와 지역별 협회를 통해 진행된다. 주요 표준화 기구와 표준은 다음과 같다.

이러한 표준들은 상호운용성을 보장하고, 다양한 제조사와 국가 간에 시스템이 호환될 수 있는 기반을 마련하는 것을 목표로 한다. 표준화 작업은 통신 방식뿐만 아니라 메시지 세트, 보안 프로토콜, 애플리케이션 요구사항까지 포괄적으로 진행된다.

교통 안전 서비스는 차량 사물 간 통신의 가장 핵심적인 응용 분야로, 사고 예방과 인명 보호를 최우선 목표로 한다. 이 서비스는 차량과 도로 인프라, 다른 차량, 보행자 등 주변 환경과의 실시간 정보 교환을 통해 운전자의 인지 범위를 확장하고, 잠재적 위험을 조기에 경고한다.

주요 서비스 유형은 다음과 같다.

이러한 서비스들은 운전자의 단순한 시각 확인에 의존하는 전통적 방식의 한계를 극복한다. 특히 시야가 가려진 곡선로나 교차로, 악천후 조건에서 그 효과가 두드러진다. 서비스는 대부분 1초 미만의 매우 짧은 지연 시간 내에 경고 메시지를 전달해야 하므로, DSRC나 C-V2X와 같은 저지연 통신 기술이 필수적이다. 궁극적으로 이 기술들은 교통사고 감소와 함께 사회적 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다[3].

교통 효율 서비스는 차량 사물 간 통신을 활용하여 교통 흐름을 최적화하고, 운전자의 편의를 증진하며, 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 한다. 이는 단순한 안전 경고를 넘어 교통 시스템 전체의 운영 효율성을 높이는 데 중점을 둔다.

주요 서비스로는 신호 최적화와 그린 라이트 최적 속도 조언이 있다. 차량이 노변 장치와 통신하여 교차로에 접근하는 정보를 실시간으로 제공하면, 신호 제어 시스템이 신호 주기나 녹색 신호 시간을 동적으로 조정할 수 있다. 이를 통해 불필요한 정차와 출발을 줄여 연료 소비와 배출가스를 감소시킨다. 또한, 차량의 내비게이션 시스템이나 계기판에 권장 속도를 안내하여 운전자가 다음 신호등에서 멈추지 않고 통과할 수 있도록 돕는다.

교통 정보 수집 및 제공 또한 핵심 응용 분야이다. 다수의 차량에서 수집된 실시간 속도, 위치 정보는 교통 센터로 집계되어 정체 구간을 신속히 파악하고 대체 경로를 생성하는 데 활용된다. 이 정보는 차량 사물 간 통신 네트워크를 통해 다른 차량이나 스마트폰 애플리케이션으로 재전파되어 최적의 경로 선택을 가능하게 한다. 주차 효율화 서비스는 주차장의 빈 자리 정보를 실시간으로 제공하여 주차 탐색 시간과 이로 인한 교통 혼잡을 완화한다.

이러한 서비스들은 개별 차량의 이동 시간을 단축시키는 것을 넘어, 도로 네트워크 전체의 수용 능력을 높이고 사회적 비용을 절감하는 데 기여한다. 궁극적으로는 지능형 교통 시스템의 핵심 인프라로서 지속 가능한 교통 체계 구축에 필수적인 요소로 자리 잡고 있다.

차량 사물 간 통신은 자율주행차의 인지 범위를 확장하고 판단 정확도를 높이는 핵심적인 보조 기술로 활용된다. 자율주행 시스템은 기본적으로 라이다, 레이더, 카메라 등의 센서 퓨전 기술에 의존하여 주변 환경을 인식한다. 그러나 이러한 센서들은 시야각과 감지 거리에 물리적 한계가 있으며, 날씨나 장애물에 의해 가려지는 사각지대가 존재한다. V2X 통신은 이러한 한계를 극복하여 차량의 센서가 직접 감지할 수 없는 영역의 정보를 무선으로 제공함으로써, 차량의 상황 인식 능력을 획기적으로 향상시킨다.

주요 지원 서비스로는 교차로에서 접근하는 차량의 존재를 미리 알리는 교차로 충돌 경고, 전방 차량의 급제동 신호를 후방 차량에 연쇄적으로 전달하는 긴급 제동 경고, 그리고 신호등의 잔여 시간이나 권장 속도 정보를 제공하는 신호 최적화 속도 안내 등이 있다. 특히, V2I 통신을 통해 노변 인프라로부터 받은 정확한 신호 정보는 자율주행 차량의 주행 계획을 보다 매끄럽고 효율적으로 만든다.

자율주행의 단계가 높아질수록 V2X의 역할은 더욱 중요해진다. 고도화된 자율주행에서는 단순한 경고 수준을 넘어, 다수의 차량과 인프라가 협력하여 최적의 집단 주행 경로를 실시간으로 조정하는 협력적 인지 및 협력적 주행이 가능해진다. 예를 들어, 여러 대의 차량이 플래투닝을 형성하거나, 위험 상황에서 협력적으로 비상 정차하는 시나리오가 구현될 수 있다. 이를 위해서는 극도로 낮은 지연 시간과 높은 신뢰성을 갖춘 통신이 필수적이며, C-V2X의 직통 통신 모드나 향후 6G 통신 기술이 이러한 요구사항을 충족할 것으로 기대된다[4].

온보드 유닛(OBU)은 차량에 탑재되어 V2X 통신을 수행하는 핵심 장치이다. 차량 간(V2V), 차량과 도로 인프라 간(V2I) 통신을 가능하게 하여 주변 교통 환경 정보를 실시간으로 송수신하는 역할을 담당한다. OBU는 일반적으로 DSRC 또는 C-V2X와 같은 통신 프로토콜을 지원하는 무선 통신 모듈, 위치 정보를 정확히 파악하기 위한 GNSS 수신기, 데이터를 처리하는 애플리케이션 프로세서, 그리고 차량 내부 네트워크(CAN 버스)와 연결되는 인터페이스로 구성된다.

OBU의 주요 기능은 주변 차량이나 노변 장치(RSU)로부터 수신한 안전 메시지를 처리하고, 자신의 차량 상태(위치, 속도, 가속도, 진행 방향 등)를 주기적으로 브로드캐스트하는 것이다. 이를 통해 전방 급정차 경고, 교차로 충돌 위험 경고, 비상 차량 접근 알림 등 다양한 안전 서비스를 운전자에게 제공한다. 또한, 자율주행 차량의 경우 OBU는 센서(라이다, 카메라) 정보만으로 파악하기 어려운 비가시권 정보를 보완하여 인지 범위를 확장하는 데 기여한다.

OBU는 성능과 적용 범위에 따라 여러 등급으로 구분된다. 기본적인 안전 메시지 교환에 중점을 둔 장치부터, 고해상도 지도 데이터를 실시간으로 처리하고 복잡한 애플리케이션을 실행할 수 있는 고성능 장치까지 그 사양이 다양하다. 표준화 기구인 ETSI와 3GPP는 OBU의 최소 성능 요구사항, 메시지 형식, 보안 프로토콜 등을 정의하여 서로 다른 제조사의 장치 간 상호운용성을 보장하고 있다.

노변 장치(RSU)는 도로나 교차로, 터널 등 교통 인프라에 설치되어 차량 및 보행자와 통신하는 고정형 통신 장비이다. 온보드 유닛을 탑재한 차량과 V2I 통신을 수행하는 핵심 허브 역할을 하며, 교통 정보 수집, 가공, 배포의 중간 지점으로 기능한다.

RSU의 주요 기능은 다음과 같다. 첫째, 주변 차량으로부터 수집한 위치, 속도, 진행 방향 등의 정보를 융합하여 실시간 교통 상황을 파악한다. 둘째, 위험 상황(사고, 정체, 낙하물 등)이나 교통 신호, 제한 속도 같은 정보를 주변 차량에 브로드캐스트한다. 셋째, V2N 통신을 위한 게이트웨이 역할을 하여 차량이 인터넷이나 클라우드 서버에 접속할 수 있도록 돕는다.

RSU는 지원하는 통신 기술에 따라 DSRC 전용, C-V2X 전용, 또는 이중 모드를 지원하는 하이브리드 타입으로 구분된다. 일반적으로 전원 공급 장치, 프로세서, GPS 수신기, 그리고 하나 이상의 통신 모듈(예: IEEE 802.11p, LTE-V2X, 5G NR-V2X)로 구성된다. 설치 위치와 목적에 따라 커버리지와 성능이 달라지며, 주요 설치 지점은 다음과 같다.

RSU는 단독으로 운영되기도 하지만, 여러 대가 네트워크로 연결되어 광역 교통 관리 시스템과 연동되는 경우가 많다. 이를 통해 개별 지점의 정보를 종합하여 더 정확하고 포괄적인 교통 서비스를 제공할 수 있다.

네트워크 인프라는 차량 사물 간 통신 시스템이 원활하게 동작하기 위한 핵심 기반 시설이다. 이 인프라는 차량과 도로변 장치, 그리고 중앙 관리 시스템 간의 데이터 흐름을 가능하게 하는 통신망과 컴퓨팅 자원을 포괄한다. 주로 모바일 네트워크와 인터넷을 기반으로 구축되며, 클라우드 컴퓨팅 및 엣지 컴퓨팅 자원이 통합되어 실시간 데이터 처리와 서비스 제공을 지원한다.

인프라의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

이러한 인프라는 노변 장치를 통해 수집된 지역 정보와 차량의 온보드 유닛에서 생성된 정보를 융합하여 처리한다. 예를 들어, 교통 혼잡 정보는 엣지 서버에서 실시간으로 가공되어 주변 차량에 즉시 브로드캐스트되거나, 장기적인 교통 패턴 분석은 클라우드 데이터 센터에서 수행된다. 인프라의 성능과 안정성은 서비스의 신뢰성과 확장성을 직접적으로 결정하는 요소이다.

차량 사물 간 통신 시스템은 공공 안전에 직결된 인프라이므로, 다양한 사이버 보안 위협에 노출되어 있다. 주요 위협 요소는 크게 통신 메시지의 위·변조, 시스템 가용성 저하를 목표로 한 공격, 그리고 사용자 프라이버시 침해로 구분할 수 있다.

가장 직접적인 위협은 메시지 위변조 공격이다. 악의적인 사용자가 V2V 통신을 통해 거짓의 긴급 제동 메시지나 가상의 사고 정보를 방송하면, 주변 차량들이 불필요하게 급제동하거나 경로를 변경하여 2차 사고를 유발할 수 있다. 또한, V2I 통신에서 신호등 제어 메시지를 변조하여 교통 혼잡을 일으키거나, 유료 도로 통행료 정보를 조작하는 등의 공격이 가능하다.

시스템의 정상적인 작동을 방해하는 서비스 거부 공격도 심각한 위협이다. 대량의 가짜 메시지로 통신 채널을 포화시켜, 진짜 안전 메시지가 전달되지 못하게 막을 수 있다. 이는 특히 교차로나 고속도로 같이 통신이 집중되는 지역에서 치명적일 수 있다. 또한, 노변 장치나 차량의 온보드 유닛을 대상으로 한 악성 코드 감염은 시스템 전체를 마비시킬 위험을 내포한다.

마지막으로, 프라이버시 침해 문제가 있다. 차량이 지속적으로 위치, 속도, 방향 등의 정보를 브로드캐스트하기 때문에, 이러한 메시지를 장기간 수집·분석하면 특정 차량의 이동 경로와 생활 패턴을 추적하는 것이 기술적으로 가능해진다. 이는 사생활 침해는 물론, 스토킹이나 표적 공격과 같은 범죄에 악용될 수 있는 위험 요소이다.

차량 사물 간 통신 시스템의 보안을 보장하기 위한 핵심 기법으로는 디지털 인증서 기반의 공개 키 기반 구조와 메시지 무결성 검증을 위한 디지털 서명이 널리 사용된다. 차량이나 노변 장치와 같은 통신 주체는 신뢰할 수 있는 인증 기관으로부터 발급받은 디지털 인증서를 소유하며, 모든 메시지는 발신자의 개인 키로 서명되어 전송된다. 수신 측은 발신자의 공개 키를 통해 서명을 검증함으로써 메시지의 출처 인증과 변조 방지를 동시에 달성한다. 이 과정에서 인증서의 유효성과 상태를 실시간으로 확인하기 위해 인증서 폐기 목록이나 온라인 인증서 상태 프로토콜이 활용된다.

암호화 기법은 주로 통신 내용의 기밀성을 보호하기 위해 적용된다. 교통 효율 서비스 등 비교적 낮은 보안 요구사항을 가진 응용에서는 메시지 무결성만을 보장하는 디지털 서명만으로 충분할 수 있다. 그러나 긴급 차량 신호나 민감한 차량 상태 정보와 같은 고부가가치 데이터를 전송할 때는 대칭 키 암호 또는 비대칭 키 암호 방식을 이용한 메시지 암호화가 수행된다. 특히 짧은 지연 시간이 요구되는 V2V 통신에서는 암호화 및 복호화에 소요되는 처리 지연을 최소화하는 경량 암호 알고리즘이 중요하게 고려된다.

프라이버시 보호를 위해서는 가명 인증서나 그룹 서명 기법이 사용된다. 차량은 짧은 주기로 변경되는 일회성 가명 인증서를 사용하여 통신에 참여함으로써, 장기간에 걸친 차량의 이동 궤적 추적을 방지한다. 또한, 인증 기관은 차량의 실제 신원과 가명 인증서를 연결할 수 있어 불법 행위 발생 시 책임 추적이 가능하도록 설계된다. 이러한 기법들은 보안 요구사항과 프라이버시 요구사항 사이의 균형을 맞추는 데 기여한다.

상호운용성은 서로 다른 제조사, 국가, 통신 기술을 사용하는 차량 사물 간 통신 시스템이 원활하게 정보를 교환하고 협력하여 서비스를 제공할 수 있는 능력을 의미한다. 이는 V2X 기술의 광범위한 보급과 효과성을 결정짓는 핵심 과제 중 하나이다. 상호운용성이 확보되지 않으면, 특정 지역이나 차량 브랜드에 국한된 '섬'과 같은 독립적인 시스템만 형성되어 네트워크 효과가 극대화되지 못하고, 궁극적으로 교통 안전과 효율성 향상이라는 본래 목적을 달성하기 어렵게 된다.

상호운용성 문제는 주로 통신 프로토콜, 메시지 형식, 보안 인증 체계, 주파수 대역의 차이에서 발생한다. 예를 들어, 기존의 DSRC(WAVE) 기반 시스템과 최근 주목받는 C-V2X(LTE-V2X, 5G-V2X) 기반 시스템은 물리층과 접속층에서 서로 다른 기술을 사용한다. 또한, 유럽의 ITS-G5, 미국의 DSRC, 중국의 LTE-V2X는 동일한 개념이라도 지역별로 세부 표준과 주파수 할당 정책이 상이할 수 있다. 이러한 기술적, 정책적 차이는 차량이 국경을 넘거나 다른 기술을 채택한 차량과 만났을 때 통신이 단절되는 결과를 초래할 수 있다.

이를 해결하기 위한 노력은 국제 표준화 기구와 산업 컨소시엄을 중심으로 진행된다. ETSI(유럽), IEEE(미국), 3GPP(이동통신), ISO(국제표준화기구) 등은 애플리케이션 계층의 메시지 형식(예: CAM, DENM), 보안 인증 프레임워크, 네트워크 및 전송 계층 프로토콜에 대한 표준을 제정하여 호환성을 높이고 있다. 특히, 상위 계층의 표준화를 통해 하위 통신 기술(DSRC 또는 C-V2X)에 상관없이 동일한 애플리케이션 서비스가 작동할 수 있도록 하는 것이 목표이다.

표준화와 함께 실증 테스트와 인증 제도도 중요하다. 다양한 이해관계자가 참여하는 필드 테스트(예: 유로노드 프로젝트)를 통해 실제 환경에서의 상호운용성을 검증하고, 인증 기관을 통한 일관된 적합성 평가는 시장에 출시되는 장치의 호환성을 보장하는 수단이 된다.

네트워크 혼잡은 특정 지역이나 시간대에 많은 수의 차량 사물 간 통신 단말기가 동시에 통신을 시도할 때 발생하는 현상이다. 특히 교통 혼잡 지역이나 사고 지점, 교차로 근처에서는 많은 차량이 경고 메시지를 집중적으로 방송하게 되어 통신 채널의 포화 상태를 초래할 수 있다. 이로 인해 중요한 안전 메시지의 전달이 지연되거나 손실될 수 있으며, 이는 전체 시스템의 신뢰성을 크게 떨어뜨리는 치명적 문제가 된다.

혼잡 관리를 위한 주요 기법으로는 전송 전력 제어, 메시지 전송 빈도 조정, 메시지 우선순위 할당 등이 있다. 예를 들어, 위험 수준이 높은 긴급 제동 메시지는 높은 우선순위를 부여해 주기적으로 방송하고, 덜 긴급한 교통 정보 메시지는 전송 빈도를 낮추거나 전송을 유보하는 방식이다. 또한, 주변 통신 환경을 감지하여 채널 부하가 임계치를 초과하면 단말기가 자율적으로 전송 매개변수를 조정하는 분산형 혼잡 제어 알고리즘이 널리 연구된다.

표준화 기구인 ETSI는 유럽 표준에서 Decentralized Congestion Control (DCC) 메커니즘을 정의하여 이를 의무화했다. DCC는 채널 부하를 지속적으로 모니터링하고, 부하 수준에 따라 단말기의 전송 속도, 전송 전력, 데이터 속도 등의 매개변수를 동적으로 조정하는 체계이다. 이는 무선 채널의 사용 효율을 극대화하면서도 안전 관련 메시지의 적시 전달을 보장하기 위한 핵심 기술이다.

향후 5G 및 6G 네트워크와의 융합을 통해 더 정교한 혼잡 관리가 가능해질 전망이다. 네트워크 슬라이싱 기술을 활용해 안전 통신 전용의 격리된 네트워크 자원을 할당하거나, 엣지 컴퓨팅을 통해 지역별 트래픽을 분산 처리하는 방식이 고도화될 것이다. 이를 통해 대규모 차량 통신 환경에서도 낮은 지연과 높은 신뢰성을 유지하는 것이 핵심 과제로 남아 있다.

5G 및 6G 이동통신 기술은 차량 사물 간 통신의 성능과 범위를 획기적으로 확장하는 핵심 동력으로 간주된다. 기존의 DSRC 기반 통신이 주로 단거리 직접 통신에 집중했다면, C-V2X는 셀룰러 네트워크 인프라를 활용하여 광범위한 커버리지와 고용량 데이터 전송을 가능하게 한다. 특히 5G 네트워크의 초저지연성, 초고신뢰성, 대규모 기기 연결 특성은 실시간성이 요구되는 협력 지능형 교통 시스템 구현에 필수적이다[5]. 6G로의 진화는 더욱 정교한 서비스, 예를 들어 센서 데이터의 실시간 공유를 통한 디지털 트윈 기반 교통 시뮬레이션 및 제어를 실현할 것으로 기대된다.

이러한 융합은 통신 모드의 진화를 가져온다. V2N 통신이 5G/6G 네트워크를 통해 클라우드 기반의 고급 서비스(예: 실시간 교통 최적화, 대규모 플리트 관리)를 제공하는 반면, V2V와 V2I 통신은 네트워크의 에지(Edge)에서 초저지연 직접 통신을 담당하는 하이브리드 구조가 표준이 될 전망이다. 다음 표는 세대별 이동통신 기술이 V2X에 제공하는 주요 특성을 비교한다.

기술적 과제로는 이종 네트워크(5G/6G 셀룰러 네트워크와 ITS-G5 등 단거리 통신) 간의 원활한 핸드오버 및 상호운용성 보장, 네트워크 슬라이싱을 통한 교통 서비스별 맞춤형 자원 할당, 그리고 대규모 데이터 처리에 따른 보안과 프라이버시 강화 문제가 남아있다. 궁극적으로 5G/6G와 V2X의 융합은 단순한 통신 수단을 넘어, 차량, 도로 인프라, 보행자, 클라우드가 하나의 지능형 네트워크로 통합되는 협력 지능형 교통 시스템의 기반을 마련한다.