동축 물리계층 기반 고속 네트워크 인포테인먼트 시스템의 이점

경제적이며 뛰어난 강건성과 확장성, 다양한 토폴로지 지원

글│카르멜로 드 몰라(Carmelo De Mola), 제품 마케팅 매니저, Microchip Technology
2017년 07월호 지면기사

고대역 차량 인포테인먼트 시스템이 저가형 승용차에도 도입되고 있다. 다양한 IVI 시스템은 소프트웨어적으로는 각각 다르지만 한 가지 공통점이 있다. 견고하면서도 고대역 기반의 물리계층 기술을 필요로 한다는 것이다. 동축 물리계층 기반의 고속 네트워크 인포테인먼트 시스템의 이점은 분명하다.



데이터 속도가 100 Mbps 이상인 고대역 차량 인포테인먼트(In-Vehicle Infotainment, IVI) 시스템은 하이엔드 자동차에만 적용되었다. 하지만 이제는 저가형과 보급형 승용차에도 고대역 IVI 기능이 도입되고 있다. 다양한 IVI 시스템은 소프트웨어적으로는 각각 다르지만 한 가지 공통점이 있다. 견고하면서도 고대역 기반의 물리계층(PHY) 기술을 필요로 한다는 점이다.
 

전통적으로 고대역 인포테인먼트 물리계층으로 주로 사용돼온 광학 MOST150 네트워크는 고대역, 확장성, 경량성, 강건성, EMC, 자동차의 공간적 제약 등 OEM의 까다로운 요건을 모두 충족했다. 하지만 이러한 특징에도 불구하고, 보급형 자동차 제조업체가 사용하기에는 비용이 문제였다.
 

자동차 분야의 까다로운 요건을 충족할 수 있는 IVI 물리계층에 대해 그 비용절감 방안을 찾으려는 혁신 과정이 촉발됐고, 그 결과 IVI 네트워크용으로 동축 케이블을 기반으로 한 표준화된 물리계층이 새롭게 등장했다.
동축 케이블은 설계 시 다음과 같은 이점을 제공한다.
 

- 고대역 데이터 전송 지원
- 뛰어난 차폐 효과, 강건한 EMC 성능
- 커넥터 어셈블리 자동화 공정 가능
- 휨(bending)이나 고온 동작과 같은 까다로운 기계적 요건 충족
- 자동차 등급 솔루션으로 비용 효율성 제공
- 임피던스를 엄격히 제어하여 Full Duplex 동작 구현
- 동일 케이블로 데이터와 함께 전력 전송 가능


또한 동축 케이블은 자동차 분야에서 점대점(point to point) 연결 케이블로 수십 년간 사용되는 등 오랜 검증을 거쳤다. 예를 들어 안테나와 무선 또는 안테나와 GSM 모듈을 연결하는 데 사용된다. 따라서 고도로 자동화된 생산을 할 수 있는 기존 인프라와 공급망이 잘 갖춰져 있으므로 온도 및 기계적 동작에 대한 자동차 분야의 까다로운 요건을 충족한다.
 

또한 자동차 커넥터 모델에 대한 표준(FAKRA)이 제정되면서 많은 업체들이 이를 채택했다. FAKRA 커넥터는 다양한 형태로 나와 있으며 다양한 색상과 코딩(coding) 방식을 제공하므로, 자동차 생산 공정에서 조립이 용이하며 시간 단축을 할 수 있다. FAKRA 커넥터는 까다로운 자동차 요건을 충족할 뿐만 아니라 고도로 자동화된 방식을 사용해 생산할 수 있다.
 

그림 1은 동축 케이블의 단면도로, 동축 케이블의 장점을 한 눈에 보여준다. 전기장은 중심 도체(1)를 통해 전달되는 신호와 연결되며 금속 차폐(3)에 의해 제한된 공간 내에 보관된다. 따라서 동축 케이블은 외부로 에너지를 방사하지 않는다. 동시에 금속 차폐(3)는 외부 전기장으로부터도 중심 도체(1)를 보호하므로 높은 신호 내구성을 달성한다. 동축 케이블의 이러한 두 가지 특성에 의해 강건한 전자기 적합성(EMC)을 발휘하며 자동차 내에서 동축 케이블을 수월하게 배선할 수 있다. 이는 비용을 절감할 수 있는 요인이기도 하다. 동축 케이블 배선을 위해 특수한 배선 방법을 개발하거나 엄격한 제약에 따르지 않아도 되기 때문이다.

 

 

동축 케이블은 전통적인 광학 MOST 시스템에서는 제공하지 않는 기능을 제공한다. 이 중 하나는 동축 케이블의 임피던스를 제어하는 기능으로, 이는 Dual Simplex(DS) 통신과 양방향 Full Duplex(FD) 통신을 모두 가능하게 한다. 따라서 전통적인 MOST 링과 달리 추가적인 네트워크 토폴로지를 구현할 수 있으며, IVI 네트워크에서의 중요한 혁신으로, 특수한 경우 DS 통신과 FD 통신을 조합할 수도 있다. 

표 1은 동축 물리계층을 사용해 구현할 수 있는 토폴로지를 나타낸다. 

 

 


이제 동축 물리계층을 사용해 구현할 수 있는 네트워크 토폴로지를 하나씩 살펴보자.
그림 2는 동축 물리계층을 사용해 전통적인 MOST 링을 구현한 모습을 보여준다. 이러한 방식의 네트워크 토폴로지는 단방향 DS 통신을 기반으로 하며, 링 구조를 닫기 위해서는 리턴 케이블을 필요로 한다. 

 

 

 

FD 통신을 사용하면, 다른 방식으로는 불가능한 추가적인 토폴로지를 구현할 수 있다. 예를 들어 2개 노드로 이루어진 시스템의 경우, 그림 3에서처럼 순수한 점대점 연결을 구현할 수 있다. 이 경우 FD 동축 라인의 양방향 통신으로 리턴 케이블이 필요 없다. 이 토폴로지의 가장 큰 장점은 전통적인 광학 2노드 MOST 링에 비해 시스템 비용을 최고 50%까지 낮출 수 있다는 것이다. 이러한 비용절감은 양산 자동차 제조업체들의 관심을 이끌어낼 수 있다. 이는 2노드 시스템을 사용해 헤드유닛과 증폭기로 이루어진, 기본적이면서도 강력한 인포테인먼트 시스템을 구현할 수 있기 때문이다. 

 

3개 이상의 노드를 사용하는 좀 더 복잡한 아키텍처일 경우에는 FD 통신을 사용함으로써 IVI 노드들 간에 데이지 체인(daisy chain) 토폴로지를 구현할 수 있다. 그림 4는 3개의 노드를 데이지 체인 토폴로지로 연결한 인포테인먼트 시스템을 보여준다. 이 경우에도 리턴 케이블이 필요하지 않으므로 어셈블리 프로세스를 간소화하고 전반적인 시스템 비용을 낮출 수 있다.
 

 

동축 물리계층 상에서 FD 통신을 사용해 3개 이상의 노드를 연결할 때 사용 가능한 또 다른 네트워크 토폴로지는 허브 설정(hub configuration)이다. 그림 5는 이 예를 보여준다. 허브로 동작하는 차내 디스플레이 유닛이 외부 미러를 대체하는 2개의 후방 카메라와 점대점으로 연결돼 있다.
 

 

DS와 FD 통신을 결합하면 링 토폴로지를 기반으로 한 기존 인포테인먼트 시스템에 새로운 애플리케이션을 추가할 수 있다. 예를 들어 애초에 마이크로폰 네트워크 지원용이 아닌 기존 시스템에 마이크로폰 네트워크를 사용한 오디오 서브도메인을 추가할 수 있다.
앞서 살펴본 모든 토폴로지는 동축 데이터 라인을 통해 선택적으로 전력을 전송할 수 있다. 따라서 네트워크의 노드 각각에 대해 전용 전력 라인과 커넥터를 설계할 필요가 없으며, 동축 케이블을 통해 전력을 공급할 수 있다. 이는 비용을 낮추고 무게를 줄여주며 자동차 어셈블리 공정을 간소화한다. 

 

그림 5와 그림 6의 아키텍처는 동축 케이블을 통한 전력 전송의 이점을 보여주는 대표적인 예이다. 실제로 카메라와 마이크로폰 모듈은 폼팩터가 소형이므로, 데이터와 전력 전송을 모두 지원하는 단일 커넥터를 사용할 경우 설계를 단순화할 수 있다.

표 2는 2노드 시스템에 기반을 한 IVI 네트워크의 물리계층 비용을 비교한 것이다. 동축 물리계층을 기반으로 한 네트워크가 가격 대 성능비가 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
 

 

 

이와 같이, 동축 물리계층에 기반을 한 고속 네트워크 인포테인먼트 시스템의 이점은 분명하다. 자동차 OEM들은 올해부터 이 기술을 본격적으로 도입할 것으로 보이며, 시장이 어떻게 반응할지는 좀 더 지켜볼 필요가 있다.
 

참고문헌
1. Maarten Kuijk, Microchip, MOST-Forum-2014-p03-Eqcologic.pdf: https://de.wikipedia.org/wiki/Koaxialkabel
2. Terence Rybak and Mark Steffka, Springer, Automotive Electromagnetic Compatibility (EMC): http://johndayautomotivelectronics.com/comparing-ethernet-and-serdes-in-adas-applications/ 

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