[기술 기고] 왜 차량용 이더넷 통신에 10BASE-T1S가 필요한가
  • 2021-11-08
  • 글/ 푄 헐리(Fionn Hurley) 마케팅 매니저, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


IEEE 차량용 이더넷 표준은 계속해서 진화하고 있으며, 가장 최근에 나온 표준은 10BASE-T1S 이더넷이다.

이 글에서는 자동차 전기/전자(E/E) 아키텍처로 어떠한 변화들이 일어나고 있으며, 새로운 10BASE-T1S 표준이 새로운 아키텍처의 필요를 어떻게 뒷받침하는지 알아본다.




변화는 도전이자 기회

현재 자동차 업계는 근본적인 변화를 겪고 있다. 자동차 업체들은 개인화, 전기화, 자율 운전, 커넥티비티 같은 메가 트렌드에 발맞춰서 그에 필요한 솔루션을 내놓아야 한다. 그러려면 새로운 기능을 제공해야 하고, 이를 위해 E/E 아키텍처에서 변화가 요구된다.

이는 기술적으로 도전 과제이면서 다른 한편으로는 자동차 회사들이 기존의 도메인 기반 솔루션으로부터 탈피할 수 있는 기회이기도 하다. 이러한 아키텍처 변화는 더 우수한 기술적 솔루션을 가능하게 할 뿐만 아니라, 개인화, 서비스 판매, OTA 업그레이드 등을 통해서 새로운 수익원을 창출하도록 한다. 이러한 이유에서 자동차 업계는 ‘존 아키텍처(zonal architecture)’라고 하는 새로운 아키텍처로 전환하고 있으며, IT 분야에서 획득한 기술과 교훈을 활용해서 자동차를 “바퀴 달린 컴퓨터”로 만들고 있다.

존 아키텍처는 도메인 기반 아키텍처처럼 기능이 아니라 구역별로 커넥티비티를 연결한다. 그럼으로써 차에 사용되는 전자 제어 유닛(ECU)의 수를 크게 줄일 수 있으며, 최대 1킬로미터에 이르는 케이블 하네스를 제거할 수 있다1. 뿐만 아니라 하드웨어와 소프트웨어를 분리시킴으로써 서비스 지향적 아키텍처(SOA)를 가능하게 한다.

많은 자동차 회사들이 자체적으로 소프트웨어를 개발하기 위해서 집중적으로 투자하고 있으며, 좀더 포괄적인 솔루션을 구축해서 플랫폼 통합을 간소화하고자 한다2. 이러한 포괄적인 소프트웨어 플랫폼은 개발 작업을 줄이고, 새로운 수익원을 창출하며, 장기적으로 R&D 투자를 줄이고, 여러 차량 모델에 걸쳐서 재사용이 가능하도록 한다.

이처럼 새로운 아키텍처로 전환하기 위해서는 새로운 과제들을 해결해야 한다. 이에 따라 자동차 회사들은 기존에 개별 그룹들이 특정 영역만을 다루던 것에서 탈피해서 좀더 통합적이고 융합적으로 업무를 수행하도록 전체 조직을 재편하고 있다.



자동차 분야는 이더넷 디바이스의 중요한 고객이 되고 있으며, 이러한 새로운 아키텍처를 성공적으로 도입하는 데 이더넷이 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이더넷은 필요한 확장성을 제공하고 다양한 속도를 지원하는 견고한 전송 매체로 입증되었으며, 서비스 지향적 아키텍처를 가능하게 하고, 다양한 안전 및 보안 기능을 포함한다. 이더넷은 확고하게 자리를 잡고 있으며 OSI 모델에 대한 이해가 높다. 그러므로 전체적인 차량 네트워크의 복잡성을 좀더 손쉽게 관리할 수 있다.

"자동차 분야는 이더넷 디바이스의 중요한 고객이 되고 있으며,
이러한 새로운 아키텍처를 성공적으로 도입하는 데
이더넷이 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
이더넷은 필요한 확장성을 제공하고 다양한 속도를
지원하는 견고한 전송 매체로 입증되었다."



자동차 분야의 특수한 요구

기본적인 이더넷 활용은 다른 분야들과 마찬가지이나, 자동차 전장 아키텍처를 위해서는 특수한 요구들을 충족해야 한다. 자동차 분야에서 중요한 요구 중의 하나는 차량의 무게를 줄이는 것이다. 차량의 무게는 주행 거리에 직접적으로 영향을 미친다. 오늘날 자동차에서 케이블 하네스는 무게가 가장 많이 나가는 세 가지 요소 중의 하나이다(무게가 최대 60킬로에 이름)3.

전통적인 이더넷 케이블은 데이터 전송을 위해서 4개 차동 쌍을 사용하므로 무게와 배선 복잡성을 높인다. 그러므로 자동차 애플리케이션에 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해서 단일 연선 케이블을 통해서 이더넷 전송이 가능한 새로운 IEEE 표준이 개발되었다. 이와 함께 존 아키텍처가 케이블 하네스 길이를 줄이도록 함으로써 케이블 비용과 무게를 크게 낮출 수 있게 되었다.



10BASE-T1S의 개발 동기


존 아키텍처가 진화함에 따라 이 새로운 아키텍처를 지원하기 위해 에지 센서와 액추에이터에 이르기까지 이더넷 커넥티비티가 필요해졌다. 플렉스레이(FlexRay)나 CAN 같은 기존의 레거시 커넥티비티 기술은 게이트웨이로 프로토콜 변환을 구현해야 하므로 비용, 복잡성, 지연 시간을 증가시킨다.

100BASE-T1 같은 기존의 차량용 이더넷 기술은 에지 커넥티비티 애플리케이션을 이더넷으로 전환하는 데 있어서 시스템 비용 측면에서 불리하다. 이 기술은 포인트-투-포인트 스위치드 커넥티비티를 사용하기 때문이다. 이러한 이유로 IEEE에서 이 문제에 대한 솔루션을 개발하는 데 관심을 갖게 되었다. 이 솔루션에 요구되는 점은 다음과 같다.

▶ CAN(FD) 같은 기존 기술보다 빠른 통신
▶ 플렉스레이 같은 기존 차내 네트워킹 기술 대체
▶ 100BASE-T1이 비용이나 에너지 효율 측면에서 적합하지 않은 ECU에서 100BASE-T1을 대체
▶ 단순하면서 중복적인 센서 네트워크 지원

"이더넷 커넥티비티는 부품 비용을 증가시키고
모듈 구현 시 복잡성을 높인다는 인식을 들 수 있다.
10BASE-T1S는 시스템 비용을 낮추고 다양한
신호 체인 파티셔닝을 지원하도록 다양한
제품 옵션을 제공함으로써 이러한 우려들을 해소한다."





10BASE-T1S는 무엇인가?


10BASE-T1S는 IEEE 802.3cg 표준의 일부로 개발되었으며, 2020년 2월에 공표되었다. 10BASE-T1S는 차량용 이더넷 에코시스템에서 빠져 있는 고리를 채우는 것으로서, 진정한 이더넷-대-에지 커넥티비티를 가능하게 하고 존 아키텍처의 필요를 충족한다.

10BASE-T1S가 다른 차량용 이더넷 기술과 차별화되는 점은 멀티드롭 토폴로지를 지원하고 모든 노드들을 동일한 비차폐 연선 케이블을 통해서 연결할 수 있다는 것이다. 이러한 버스 구현은 서로 노드에서 단일 이더넷 PHY만을 필요로 하므로 BOM을 줄일 수 있으며, 다른 이더넷 기술처럼 스위치나 성형 토폴로지 구현을 필요로 하지 않는다. 이 표준은 최소 8개 노드를 지원하도록 정의하고 있으며(그보다 더 많은 수 가능), 가능한 버스 길이는 최대 25미터이다.

이 표준의 또 다른 특징은 물리층 충돌 회피(PLCA) 기능이다. 용어에서 알 수 있듯이, 이 기능은 공유 네트워크 상에서 충돌을 피하도록 한다. 이를 위해 네트워크 상의 노드 수와 전송하고자 하는 데이터 양에 따라서 확정적인 최대 지연시간을 확보한다. 각 노드마다 전송할 기회가 부여된다. 만약 어떤 노드가 전송할 데이터가 없으면 전송 기회를 다음 노드에게 넘긴다. 그럼으로써 사용 가능한 10Mbps의 활용도를 극대화한다.

10BASE-T1S 네트워크를 통해서 전력을 전송할 수도 있다. 이것은 이 표준이 AC 결합 시스템이기 때문이다. 따라서 케이블을 추가적으로 더 줄이고, 커넥터 크기를 줄일 수 있으며, 그 결과로 신뢰성을 향상시킨다. 멀티드롭 토폴로지를 지원하기 위한 IEEE 표준 개정의 일환으로서 PoDL(power over data lines)을 표준화하는 작업이 진행되고 있다. PoDL은 이미 포인트-투-포인트 구현으로 사용 가능하다.

10BASE-T1S는 여러 센서 및 액추에이터와 함께 차체 도메인, 편의성, 인포테인먼트, ADAS 같은 자동차의 다양한 애플리케이션에 활용될 수 있다.

맺음말

자동차 전장 아키텍처가 근본적인 변화를 맞고 있다. 존 E/E 아키텍처에서 전환이 빨라지고 있다. 10BASE-T1S는 이더넷-대-에지 커넥티비티 요구를 충족함으로써 이러한 전환을 뒷받침한다. 하지만 아직 해결해야 할 과제들도 남아 있다. 하나의 예로서 이더넷 커넥티비티는 부품 비용을 증가시키고 모듈 구현 시 복잡성을 높인다는 인식을 들 수 있다.

10BASE-T1S는 시스템 비용을 낮추고 다양한 신호 체인 파티셔닝을 지원하도록 다양한 제품 옵션을 제공함으로써 이러한 우려들을 해소한다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 10BASE-T1S의 보급을 가속화하기 위해서 표준화 작업에 적극 참여하고 있으며, 고객들의 요구를 충족하기 위해서 자동차 회사들과 긴밀하게 협력하고 있다.

아나로그디바이스는 자동차 애플리케이션용으로 다양한 10BASE-T1S 제품을 제공하고 있으며 앞으로 계속해서 관련 제품을 추가할 계획이다.


참고문헌

1. Cariad. May 2021.
2. Ryan Fletcher. “The Case for an End-To-End Automotive-Software Platform.” McKinsey & Company, January 2020.
3. Dan Scott. “Wiring Harness Development in Today’s Automotive World.” Siemens, July 2020.
4. 10Mb/s Single Twisted Pair Ethernet Call for Interest. IEEE 802.3 Ethernet Working Group.
저자 소개
푄 헐리(Fionn Hurley)는 아나로그디바이스(아일랜드 리머릭)의 차량용 캐빈 일렉트로닉스 그룹의 마케팅 매니저이다. 2007년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 그 전에는 RF 설계 엔지니어 직책을 맡았다. 아일랜드 코크 대학에서 전기/전자공학 학사학위를 취득했다.

문의: fionn.hurley@analog.com

 

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