차량 내 네트워킹 시스템의 획기적인 발전

자동차 전동화가 급속히 발전함에 따라 배터리 구동 전기차로의 전환뿐만 아니라, 전통적인 차량 또한 다양한 전자 시스템을 채택하기 시작했습니다. 이러한 시스템은 기능, 안전성, 효율성을 향상시키기 위해 다수의 센서, 프로세서 및 액추에이터를 활용하며, 이는 차량의 복잡성을 빠르게 증가시키고 있습니다. 자동차 기술이 발전함에 따라 차량 내 네트워킹(In-Vehicle Networking, IVN) 시스템에 대한 수요도 증가하고 있으며, 기능과 안전성을 보장하기 위해 더 높은 대역폭과 낮은 지연 속도의 통신이 요구되고 있습니다. 본 기사에서는 차량 내 네트워킹 시스템의 발전 및 onsemi가 소개한 관련 솔루션에 대해 소개하겠습니다.

차량 내 네트워크 프로토콜은 자동차의 성능 및 대역폭 요구 사항을 충족합니다

수년간 자동차 전자 응용 기술이 발전함에 따라 차량 내 네트워크를 위한 여러 주요(또는 독점적인) 프로토콜이 개발되었습니다. 각 프로토콜은 고유한 속성을 가지고 있지만, 끊임없이 변화하는 아키텍처와 차량 내 네트워크에서 전송되는 대량의 데이터 때문에 이러한 프로토콜들은 오늘날 자동차의 요구를 충족시키는 데 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 자동차 제조업체들은 필요한 성능과 대역폭을 제공할 새로운 솔루션을 찾고 있습니다.
 
다양한 네트워크 프로토콜 중에서 이더넷은 컴퓨팅 분야에서 널리 채택되고 상대적으로 높은 대역폭과 합리적인 비용 때문에 한때 분명한 선택지로 여겨졌습니다. 하지만 이더넷을 자동차에 적용할 때 큰 단점이 있는데, 그것은 시간에 민감하거나 결정론적 모드에서 작동할 수 없다는 점입니다. 이는 이더넷 작동에 내재된 반송파 감지 다중 접속과 충돌 탐지(CSMA/CD) 프로토콜 때문입니다.
 
자동차 산업이 이더넷의 장점을 활용할 수 있도록 하기 위해 새로운 프로토콜이 개발되었습니다. 자동차에 특화된 이 새로운 프로토콜 변형은 10BASE-T1S로 알려져 있으며, 이를 통해 CSMA/CD를 물리적 계층 충돌 방지(PLCA)로 대체하여 구동 제어 및 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 응용 프로그램에 필수적인 결정론적 작동을 구현할 수 있습니다.
 
높은 대역폭과 낮은 지연 특성으로 인해 자동차용 이더넷은 차량 내 정보 오락(infotainment) 시스템과 ADAS 시스템에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이더넷은 차량 간(V2V) 및 차량-인프라(V2I) 통신과 같은 연결 기능을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 하며, 이는 안전 관리 강화를 위해 필수적입니다.
 
차량이 데이터 기반 기술에 더 의존하게 되면서, 자율 주행, 고선명/4K 비디오 스트리밍, 증강 현실 응용 프로그램과 같은 고급 기능을 지원하기 위해 더 높은 대역폭에 대한 수요가 지속적으로 증가할 것입니다. 자동차 이더넷 네트워크는 더 빠른 데이터 전송 속도를 제공해야 합니다. 미래의 자동차 이더넷 네트워크는 또한 자율 주행을 위한 신속한 의사 결정과 대응을 가능하게 하기 위해 초저지연 특성을 갖춰야 합니다.

포괄적인 차량 아키텍처 및 이미징 솔루션을 구축하십시오

자동차 제조업체에게 차량 내부의 다양한 하위 시스템의 조직화와 상호 연결은 고려해야 할 중요한 요소입니다. 일반적으로 하위 시스템은 차량 내 물리적 위치보다는 기능(예: 구동 시스템, 섀시, 편의성)에 따라 조직화됩니다. 이는 배선 복잡성을 증가시키고, 결과적으로 차량의 비용과 중량을 증가시킬 수 있습니다.   최근에는 차량 내 위치를 기준으로 하위 시스템을 "구역화(zones)"하는 방식이 선호되고 있습니다. 구역별 아키텍처(zonal architecture)는 확장성과 유연성을 조합하여 하위 시스템의 제거, 추가 또는 업그레이드와 같은 변경을 비교적 쉽게 구현할 수 있게 합니다. 또한 중요한 시스템에서 요구되는 기능적 안전 수준을 달성하기 위해 필수적인 중복 및 장애 허용 요소의 배치를 가능하게 합니다.   구역별 아키텍처 설계는 배선 수요를 감소시키지만, 차량 네트워크 백본(backbone)을 통해 전달되는 데이터량을 상당히 증가시키며, 더 높은 대역폭, 성능 및 저지연(low latency)을 요구합니다. ADAS의 자동 긴급 제동(AEB)과 같은 기능을 지원하려면 센서와 제어 전자기기가 차량 전체에 분산되어야 하며, 안전 필수 시스템의 안정적인 작동은 시간 민감 네트워킹(Time-Sensitive Networking, TSN)을 통해 지연 시간 불일치를 제거하는 데 의존합니다.   미래 차량에서 결정론적 10BASE-T1S 이더넷은 특히 구역별 아키텍처의 네트워크 백본에서 중요한 역할을 하게 될 것입니다. MOST 및 FlexRay와 같은 프로토콜은 새로운 설계에서 사용되지 않을 가능성이 높지만, LIN 및 CAN은 특히 각 "구역" 내에서 여전히 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.   더불어, ADAS 및 인포테인먼트 시스템을 위한 고해상도 카메라, 센서 및 디스플레이 연결에 필수적인 MIPI Alliance의 카메라 직렬 인터페이스 2(Camera Serial Interface 2, CSI-2)와 디스플레이 직렬 인터페이스 2(Display Serial Interface 2, DSI-2)를 포함한 다른 프로토콜의 개발이 계속될 것입니다. 또한, MIPI Alliance와 Automotive SerDes Alliance(ASA)는 표준화된 SerDes 솔루션을 개발하면서 MIPI 프로토콜의 보안을 강화하고 카메라를 위한 비대칭 이더넷을 구현하고 있으며, 이는 고대역폭 전송과 저대역폭 수신을 포함합니다. 그러나 가장 큰 아키텍처 변화는 CAN이 더 이상 차량 통신 백본의 기본 프로토콜로 사용되지 않고, 대신 이더넷이 그 역할을 맡게 된다는 점입니다.

차량 내 네트워킹 유형에 대한 기본 지식

차량 내 네트워킹은 주로 LIN, CAN(FD), FlexRay 및 자동차 이더넷 기술에 대한 기본 지식을 포함합니다. 아래에서는 관련 기술 개념을 소개하겠습니다. 

린:

LIN은 12V 아키텍처를 채택하고, 공통 SCI(UART) 바이트-워드 인터페이스를 활용하는 단일 와이어 직렬 통신 프로토콜을 기반으로 합니다. 최대 속도는 20 kb/s(EMC/클럭 동기화)까지 도달할 수 있습니다. 마스터는 매체 접근을 제어하며, 지연 시간을 보장하기 위해 중재(arbitration)나 충돌 관리가 필요하지 않습니다. 클럭 동기화 메커니즘을 통해 슬레이브 노드에는 석영(quartz)이나 세라믹 공진기(ceramic resonator)가 필요하지 않으며, 다른 슬레이브 노드의 하드웨어/소프트웨어 변경 없이 노드를 추가할 수 있습니다. 일반적으로 12개 이하의 노드를 지원하며(64개의 식별자 및 비교적 낮은 전송 속도), 이 구조가 사용됩니다.    LIN 물리 계층의 Vsup는 7V에서 18V 사이에 이릅니다. 슬로프 및 대칭성에 대한 엄격한 요구 사항으로 인해 최소 듀티 사이클은 39.6%, 최대는 58.1%입니다(버스 부하에 대한 시간 상수: 1k/1nF, 660/6.8nF, 500/10nF에서 1µs~5µs). 동기화되지 않은 발진기는 허용 오차 값이 14% 미만입니다.   LIN의 통신 컨셉은 마스터 태스크(메시지 헤더)에 의해 시작되며, 식별자를 인식한 후 슬레이브 태스크를 활성화하여 메시지 응답(1~8 데이터 바이트 및 1 체크섬 바이트 포함)을 시작합니다. LIN은 데이터의 정확성을 보장하기 위해 패리티(parity)와 체크섬(checksum) 둘 다를 지원합니다.

할 수 있음:

CAN (Controller Area Network)는 차량 네트워크를 위한 또 다른 주류 프로토콜입니다. CAN 통신에서는 모든 장치가 동등하며 언제든지 통신할 수 있습니다. 만약 충돌이 발생하면(두 개의 장치가 동시에 신호를 보낼 경우), 중재(arbitration)를 통해 메시지가 올바르게 이해되도록 합니다.
 
CAN은 비동기 통신(이벤트 트리거 방식)을 지원합니다. 버스가 조용하면 어느 노드든 버스에 접근이 가능합니다. CAN은 비파괴형 중재(non-destructive arbitration)를 사용하여 데이터 손실 없이 100% 대역폭 활용이 가능합니다. 우선순위가 낮은 메시지는 지연 시간이 더 길고, 우선순위가 높은 메시지는 지연 시간이 더 짧습니다. CAN은 11비트(또는 확장형 29비트) 데이터 패킷 식별자(identifier)를 기반으로 다양한 메시지 우선순위를 지원하며, 자동 오류 검출, 신호 전달 및 재전송을 가능하게 합니다. CAN은 꼬임 쌍 케이블(twisted-pair cable)을 사용하여 최대 40개의 장치와 통신하며, 최대 1 Mb/s의 속도를 지원합니다.
 
CAN 버스의 물리적 계층은 라인의 양쪽 끝에 종단 저항이 필요합니다. ISO 11898 표준에 따르면, 케이블 임피던스는 120 ± 12 Ω으로 정의되며, 차폐된 또는 비차폐된 꼬임 쌍 케이블을 사용해야 합니다. CAN 버스 중재 과정에서, 만약 두 개의 메시지가 동시에 CAN 버스를 통해 전송되면, 버스는 신호의 "논리적 AND"를 사용합니다. 따라서 가장 낮은 이진수 값을 가진 메시지 식별자가 가장 높은 우선순위를 얻습니다. 각 장치는 채널을 듣고, 버스의 비트가 자신의 식별자의 비트와 일치하지 않는 것을 감지하면 해당 장치는 중재를 포기합니다. CAN은 유연한 데이터 속도를 지원하며, 대역폭을 증대시키기 위해 CAN의 확장형으로 CAN Flexible Data Rate(CAN FD)가 도입되었습니다. 

플렉스레이(FlexRay):

FlexRay 프로토콜은 기차 시간표처럼 모든 FlexRay 트래픽을 시간 슬롯을 사용하여 세밀하게 예약합니다. 이 프로토콜은 최대 10 Mb/s의 높은 데이터 전송 속도를 자랑하며, 시간 및 이벤트 트리거 방식의 동작, 중복성, 오류 내성, 그리고 결정성을 지원합니다("시간 슬롯"을 활용). FlexRay는 드라이브-바이-와이어, 스티어-바이-와이어, 브레이크-바이-와이어와 같은 응용 프로그램의 오류 내성, 속도, 그리고 시간 결정성 성능 요구사항을 충족합니다.   FlexRay 물리 계층에서, 정적 세그먼트는 고정된 주기로 도착하는 결정성 데이터에 예약되어 있으며, 동적 세그먼트는 결정성이 필요하지 않은 보다 일반적인 이벤트 기반 데이터를 위해 사용됩니다(CAN 참조). 심볼 윈도우는 네트워크 유지보수 및 네트워크 시작에 대한 신호 전송에 일반적으로 사용되며, 네트워크 유휴 시간은 노드 시계 간의 동기화를 위해 알려진 "정지" 시간을 유지하는 데 활용됩니다.

이더넷:

이더넷은 싱글 트위스티드 페어 케이블을 활용하고, 풀 듀플렉스 통신을 지원하며, 최대 100/1000 Mbps의 속도를 달성하는 100Base-T1 및 1000Base-T1과 같은 표준을 포함합니다. 케이블 길이는 최소 15미터까지 지원합니다. 차동 신호는 컨덴서를 통해 트위스티드 페어 케이블에 결합됩니다. 물리 계층은 비트를 심볼로 변환하는데, 3비트를 2개의 심볼로 변환하며, 심볼 값은 +1, 0, -1로, 이는 세 가지 다른 차동 전압 레벨에 해당합니다. 이더넷은 피어 투 피어 통신을 지원하며, 보다 복잡한 네트워크의 경우 스위치가 필요합니다. 동기화를 유지하기 위해 어떤 노드도 데이터를 전송하려는 의도가 없어도 통신은 계속됩니다.   100Base-T1의 경우, 물리 계층 링크 파트너 중 하나는 Master로, 초기 트레이닝을 시작하고, 다른 하나는 Slave로, 데이터 스트림에서 클럭 복구를 통해 Master의 클럭에 동기화합니다. 물리 계층에서 PAM3(3비트를 2개의 심볼로 변환)을 사용하는 관계로 바우드 속도는 66 MBd/s이며, 이를 통해 두 링크 파트너는 동시에 심볼을 전송할 수 있습니다. 그 결과, 다섯 가지 차동 전압 레벨이 관찰될 수 있습니다. 전송되는 데이터는 사이드 스트림과 결합될 수 있으며, 더 나은 EMC 성능을 위해 스크램블러(의사 랜덤 스트림)를 포함합니다.   10Base-T1S는 길이가 최소 15미터인 싱글 트위스티드 페어 케이블을 통해 초당 10 Mbps의 속도로 데이터를 전송하는 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 피어 투 피어 하프 듀플렉스 통신을 지원하며, 선택적 기능에는 피어 투 피어 풀 듀플렉스 운영 및 하프 듀플렉스 멀티포인트(CAN, FlexRay, LIN 등) 운용이 포함됩니다. 또한 하나의 Master와 최대 8개의 Slave까지 멀티드롭 운영을 지원할 수 있습니다. Master는 비콘을 통해 통신을 시작하고, 그 후 각 Slave가 데이터를 전송할 기회를 갖게 됩니다. 이 프로토콜은 물리 계층 충돌 회피(Physical Layer Collision Avoidance, PLCA)로 알려져 있습니다.

온세미는 광범위한 제품 포트폴리오를 통해 차량 내 네트워킹에 깊이 관여하고 있습니다.

onsemi는 IVN(차량 내부 네트워크) 분야에서 30년 이상 깊이 관여하며, 폭넓은 제품군을 제공하고 신뢰할 수 있는 고객 지원 및 애플리케이션 지원을 제공해왔습니다. onsemi의 제품 포트폴리오는 LIN, CAN, FlexRay 등 모든 주류 IVN 기술을 포괄하며, 자동차 산업의 요구와 요구를 더 잘 충족시키기 위해 지속적으로 지식 재산권(IP)을 강화하고 있습니다.   자동차 산업에서 10BASE-T1S 이더넷의 중요성이 증가함에 따라 onsemi는 개발 리소스의 대부분을 이 분야에 집중하고 있습니다. 최근 솔루션 출시 후, onsemi는 산업이 구역별 아키텍처와 자율 주행 기술을 계속 발전시킬 수 있도록 더 높은 성능을 제공하는 2세대 제품을 개발 중에 있습니다.   자동차 산업을 30년 이상 지원하며 AEC 인증 제품 포트폴리오를 제공하는 onsemi는 고객이 높은 신뢰성을 가지는 솔루션을 설계하고, 최종 사용자에게 가치를 창출하며, 최대 성능을 제공할 수 있도록 합니다. onsemi는 ADAS(첨단 운전자 지원 시스템) 분야에서 중요한 위치를 점유하고 있으며, 전력 관리, 조명 솔루션, 모터 드라이버, 시스템 설계 전문 지식, 참조 설계, 강력하고 유연한 개발 키트, 그리고 경험 풍부한 애플리케이션 지원을 포함한 포괄적인 제품 포트폴리오를 제공합니다. onsemi의 주요 구성 요소는 ISO-26262/ASIL 표준을 준수합니다.

결론 

자동차가 점점 더 전자 시스템으로 장착됨에 따라 자동차 네트워크의 중요성이 빠르게 커지고 있습니다. 이 기사에서 소개하는 자동차 네트워킹 기술은 다양한 자동차 전자 시스템을 연결하고 더 높은 기능성과 안전 기준을 제공하기 위해 널리 사용될 것입니다. 자동차 전자 분야에서 30년 이상의 전문성을 보유한 onsemi는 종합적인 자동차 전자 솔루션을 제공합니다. 추가 문의 사항이나 더 깊은 요구 사항이 있으시면 언제든지 onsemi 또는 Arrow Electronics에 연락해 주시기 바랍니다.