Journal of Auto-vehicle Safety Association. 31 March 2022. 14-19
https://doi.org/10.22680/kasa2022.14.1.014

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 외부와의 통신 시스템

  • 3. 전자파 시험 환경

  • 4. 통신 장치 시험을 위한 무선 환경 조성

  •   4.1. 하이패스 통신 장치

  •   4.2. 이동통신 장치

  •   4.3. WAVE 통신 장치

  • 5. 결 론

1. 서 론

자동차는 최근에 첨단운전자보조시스템(ADAS) 자동차, 스마트자동차, 커넥티드자동차, 자율주행자동차 등으로 다양하게 변모하고 있으며 첨단전자장치가 급격히 많아지고 있다.

첨단자동차가 궁극적으로 자율주행자동차로 발전하기 위해서는 레이더, 카메라, 라이다, 초음파와 같은 외부 환경을 탐지하는 센서들과 외부와 무선 통신(LTE, 5G 등)하는 기능 등이 필수적으로 요구된다.(1,2)

자동차의 전자파 내성시험의 경우에는 평가 전에 모든 전장품을 정상 동작 조건으로 설정하고, 정해진 강도로 인위적으로 외부에서 인가하는 전자파로 인한 오동작 여부를 확인하여야 하지만, 한정된 시험실 내부에서는 외부 환경과 상호작용하는 일부 첨단장치의 경우에는 정상적으로 작동하는데 곤란한 경우가 있다. 현재의 자동차 전자파 시험은 전자파 무반사실에서 외부와의 전파가 완전히 차단된 상태에서 대부분의 시험이 이루어지기 때문이다.(3~7)

본 논문에서는 기존 한정된 전자파 시험실 환경에서 자동차 외부 통신망과 무선 통신하는 첨단장치를 정상동작 조건으로 설정하기 위해 시험실 외부의 제어실에 통신 시뮬레이터를 설치하고 시험실 내부에는 통신용 안테나를 설치하는 방법을 제안하고 실험 검증을 통하여 전자파 내성 시험의 평가 방안을 고찰해 보았다.(8) 본 연구는 레이더 센서(9)와 카메라 센서(10)를 중심으로 살펴본 기존 연구에 이어서 이루어졌다.

2. 외부와의 통신 시스템

첨단자동차의 외부 통신 장치는 Fig. 1과 같이 기존에는 라디오, DMB, 내비게이션 등 단방향의 편의정보 위주이었으나 첨단자동차는 V2X, 5G 등 양방향의 주행안전 정보를 주고받는 환경이 추가되고 있다.

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Fig. 1

Changes of electromagnetic environments in advanced and conventional vehicles

자동차의 전자파 시험실은 외부와 통신에 사용되는 전자파를 포함하여 대부분의 전자파가 차단된 공간이다. 따라서 해당 통신 장치가 시험실 내부에서 정상적으로 작동하는 상태를 구현하기 위하여 새로운 평가 개념과 별도의 장치가 요구된다. 이를 위해 본 연구에서는 외부 통신 장치의 해당 단말기를 구현할 수 있는 시뮬레이터를 제어실 또는 간섭을 최소화할 수 있는 시험실내 일부 공간에 설치하고 상호 통신 환경이 구현되도록 설정한 후 실차 시험을 수행하였다. 전자파 내성 시험 평가는 시험 기준에 규정되어 있는 전자파로 인한 통신환경의 단절 유무를 확인하였다.

3. 전자파 시험 환경

자동차의 전자파 시험은 1975년에 최초로 제정될 때는 야외시험장(OATS, Open Area Test Site)에서 수행되었으나,(11)Fig. 2와 같은 반경 15m의 넓은 야외 시험장의 확보(12)나 시험의 일관성 확보 등을 고려하여 1997년에는 전자파 무반사실(SAC, Semi Anechoic Chamber)에서도 전자파 시험을 할 수 있도록 개정되었고 그 이후에는 대부분의 시험이 규정에 맞춘 전자파 무반사실에서 수행되어지고 있다. 실험을 수행한 전자파 무반사실의 모습과 제원은 Table 1Fig. 3과 같으며, 외부로부터의 전파는 거의 차단되어 있어 외부와 통신은 거의 불가능하다.

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Fig. 2

Open area test site which is free from electromagnetic reflecting surfaces

Table 1.

Specifications of electromagnetically anechoic test chamber

Specifications
Shielding performance 100 dB
Frequency range (10 kHz∼40 GHz)
Chamber dimensions [m] 22×12.5×9.5
(Length×Width×Height)

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Fig. 3

Electromagnetically anechoic test chambe

최근 자동차에는 각종 센서류와 전장품이 지속적으로 추가되고 있으며, 궁극적으로 외부와 통신이 필요한 자율주행자동차의 개발을 위해서도 많은 전장품과 센서들이 설치되어야 한다. 현재 자동차의 전자파 내성을 평가하기 위한 전장품 작동조건 및 불만족 기준은 Table 2와 같다.(13)

Table 2.

Test conditions and failure criteria for electromagnetic immunity tests of vehicles

Vehicle test conditions Failure criteria
Vehicle Vehicle speed: 50 km/h ± 20%
(If possible, a cruise control system is on.)
Speed variation greater than ± 10%
Electrical
part
  1. Under ON state
   - Headlight, Front Wiper (Max. speed)
   - Direction indicator on driver's side
Operation OFF
Frequency change
  2. Under OFF state
   - Alarm, horn
Unexpected activation
  3. In normal position
   - Driver's seat and steering wheel in medium position
   - Airbag and safety restraint systems
   - Automatic doors closed
Unexpected variation greater than
10% of total range
Unexpected activation and/or opening
Brake
mode
Brake pedal depressed
(Parking brake released)
Stop lights inactivated
Brake warning light ON

4. 통신 장치 시험을 위한 무선 환경 조성

외부 통신망 실험은 하이패스 단말기에 사용되는 ETCS(Electronic Toll Collection System) 장치, 현재 자동차 제작사들이 개발 중인 이콜(E-Call, Emergency Call) 시스템 그리고 차량 간 통신에 사용되는 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment) 장치에 대하여 실험하였다. 장비 구성은 Fig. 4와 같이 시험실 외부(제어실)와 내부로 구분하여 설치하였다. 시험실 외부에는 통신용 시뮬레이터를 설치하고 내부에는 외부 통신용 안테나와 통신 단말이 장착된 시험자동차를 설치하였다.

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Fig. 4

Experimental configuration for electromagnetic immunity tests of vehicle communicating with the outside

4.1. 하이패스 통신 장치

ETCS 장치는 송신용 안테나, 하이패스 전용 통신 시뮬레이터와 소프트웨어, 차량 내의 하이패스 단말기로 구성된다. ETCS 장치의 평가는 전자파 내성시험 전에 시뮬레이터와 자동차간에 정상적으로 상호 통신이 연결되는 것이 필요하다. 평가 절차는 아래 항목과 같으며, 관련된 설치 모습은 Fig. 5와 같다.

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Fig. 5

Experimental setup for ETCS of vehicles

(1) 시험실과 분리된 제어실에 단말기의 전용통신 신호를 송신할 수 있는 통신 시뮬레이터와 관련 응용 소프트웨어를 설치하였다.

(2) ETCS 안테나는 내성시험용 안테나와 상호 간섭을 최소화하기 위하여 시험실 내부의 구석에 설치하였다.

(3) 시뮬레이터와 하이패스 단말 안테나의 유선 연결은 시험실 바닥에 설치된 케이블 박스를 통하여 연결하였다.

(4) 시험자동차를 설치하였다.

(5) 자동차 내부에 설치된 하이패스 단말기와 시뮬레이터 사이의 정상 작동상태를 확인하였다.

(6) 전자파 내성시험을 수행하면서 해당 장치의 오동작 여부를 확인하기 위하여 제어실 내부에 설치된 스피커와 모니터를 통하여 차량 내부의 톨비 정산 소리와 소프트웨어의 신호를 모니터링 하였다.

Fig. 6은 제어실에 설치된 시뮬레이터의 소프트웨어 화면으로 일부 주파수에서 전자파 영향으로 ETCS 통신이 두절되는 현상이 발생하였다.

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Fig. 6

Experimental results for Highpass communication

4.2. 이동통신 장치

자동차에서 외부 이동통신망(3G, LTE 등)을 이용하는 장치는 상용화를 준비 중인 이콜(E-Call) 시스템과 자동차 제작사에서 각자 운영하는 국내 H사의 블루링크, 국내 G사 온스타 등이 있다. 본 실험은 현재 개발 중인 온스타 통신 단말장치로 평가하였다. 이동통신 시뮬레이터는 로데(R&D) 사의 CMW 500 장치를 사용하였으며 안테나는 Fig. 7과 같이 주파수 범위가 0.5GHz에서 3GHz까지인 SCHWARZBECK 사의 SBA 9113을 사용하였다.

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Fig. 7

Antenna for mobile communication (3G, LTE, etc) of test vehicles

평가 절차는 ETCS 장치의 평가 방안과 유사하며, 내성시험 전에 시뮬레이터와 자동차간에 상호 통신이 정상적으로 이루어지는 지를 확인하는 것이 필요하다. 다만 차이점은 ETCS 장치 평가의 경우에는 자동차 내부의 하이패스 단말기가 이미 상용화된 제품이라 별도의 인증절차가 필요 없었지만, 개발 중인 정보통신 제품의 경우에는 단말기를 승인 인증할 수가 없어서 제품 설계자가 유심(USIM)을 실험용 코드로 변경하는 코딩작업이 필요하였다. 평가 절차는 아래 항목들과 같이 요약하였으며, 관련된 설치 모습은 Fig. 8과 같다.

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Fig. 8

Experimental setup for mobile communication of vehicles

(1) 시험실과 분리된 제어실에 이동통신 전용 시뮬레이터장치(R&D CMW 500) 설치하였다.

(2) 시뮬레이터와 안테나의 유선 연결은 전자파 간섭을 최소화하기 위해 시험실 바닥에 매립형으로 만들어져 있는 케이블 박스를 통하여 연결하였다. 통신용 안테나는 내성시험용 안테나와의 상호 간섭을 최소화하기 위하여 시험실 구석에 설치하였다.

(3) 시험자동차와 내성시험용 안테나를 시험 규정에 따라 설치하였다.

(4) 자동차 내부에 설치된 통신 단말기의 계기판 콜 정보 등과 시뮬레이터간의 코딩을 통하여 상호 접속을 확인하였다.

(5) 전자파 내성시험을 수행하는 동안 제어실 모니터로 차량 계기판의 통신 접속 상태를 모니터링하면서 오동작 여부 확인하였다.

Fig. 9는 제어실에 설치된 시뮬레이터의 모니터 화면으로 일부 주파수에서 해당 장치가 내성시험용 전자파의 영향으로 이동통신이 두절되는 현상이 관찰되었다.

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Fig. 9

Experimental failure example for mobile communication

4.3. WAVE 통신 장치

WAVE 단말장치는 차량과 차량 사이 또는 차량과 인프라 사이의 통신에 사용되는 장치이다. 실험은 현재 개발 중인 통신 단말장치를 평가하였다. WAVE 통신 시뮬레이터는 하이게인 안테나사의 HGA-WAVE -K-RSU 장치와 인팩 사에서 개발 중인 5.8GHz 대역의 안테나를 사용하였다. 전자파 평가 절차는 다음 항목들과 Fig. 10과 같이 요약하였으며, 평가 절차는 ETCS 장치와 온스타 평가 방안과 유사하다.

(1) 제어실에 WAVE 통신용 시뮬레이터 장치를 설치하였다.

(2) 시험실 내부의 구석에 WAVE 단말 안테나 설치하고, 케이블 박스를 통하여 시뮬레이터와 유선 연결하였다.

(3) 시험자동차와 내성시험용 안테나를 시험 규정에 따라 설치하였다.

(4) 자동차 계기판 위에 실험용 WAVE 단말기를 설치하고 시뮬레이터와의 상호 통신 접속 상태를 확인하였다.

(5) 전자파 내성 시험을 수행하면서 제어실 모니터를 통하여 신호의 오동작 여부를 확인하였다.

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Fig. 10

Experimental setup for WAVE communication of vehicles

Fig. 11과 같이 제어실의 모니터를 통하여 일부 주파수 대역에서 전자파 영향으로 WAVE 통신이 두절되는 현상이 관찰되었다.

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Fig. 11

Experimental results for WAVE communication

5. 결 론

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 현재 전자파 내성시험 기준에는 외부 통신망 기반 장치의 전자파 내성시험과 관련된 세부적인 평가조건과 방법이 명시되어 있지 않은 실정이다.

2) 외부 통신망 기반 장치의 해당 단말기를 구현할 수 있는 시뮬레이터의 설치를 통해 현재의 전자파 시험실 내에서 상호 통신 환경을 구현하여 통신 장치가 정상 작동하는 상태에서 전자파 내성 시험이 가능하다는 것을 확인하였다.

3) 실차에 대한 전자파 간이 내성실험을 하는 동안 ETCS, 이동통신 장치, WAVE 통신 장치 등 3가지 장치에서 일부 통신 두절 되는 현상이 관찰되어 향후 자동차의 외부 통신장치에 대한 전자파 내성시험이 필요함을 확인할 수 있었다.

4) 첨단자동차의 외부 통신망에 대하여 기존 시험실 현장에서 범용적으로 적용 가능한 평가방안을 제시하였으며, 이를 통해 해당 장치의 전자파 성능과 안전성을 확보할 수 있을 것이다.

5) 본 연구의 결과는 향후 전자파 시험과 관련한 국내외 규격과 법규 제정 시 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.

Acknowledgements

본 연구 자료의 준비와 검토에 많은 도움을 주신 자동차안전연구원의 김성범 박사님께 감사드립니다.

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