자동차 데이터 커넥티비티의 미래

커넥티드, 자율주행 자동차는 운전자와 승객에게 새로운 방식의 안전, 승차감, 편리성을 제공한다. 그러나 차량에 탑재된 다양한 센서와 액추에이터를 차량 컴퓨팅 플랫폼의 “두뇌”에 연결하는 차량 “신경계”의 올바른 데이터 연결 없이는 이런 기능 수행이 불가능하다. 또 센서와 컴퓨팅이 더 정교해지고 차량이 더 많은 소프트웨어로 정의됨에 따라 데이터 연결을 위한 대역폭은 기존 차량 네트워크의 범위를 벗어나 빠르게 증가하고 있다. 앱티브가 미래의 차량 네트워크 기술에 대해 말한다. 

글│미카 아르페(Mika Arpe) 이사, 글로벌 제품군 클러스터-특수 제품
     코리 엔슬리(Cory Ensley) 글로벌 제품 엔지니어링 이사, 앱티브(Aptiv)






오늘날 자동차는 주변 환경을 감지하고 인식한 정보를 바탕으로 스스로 동작을 제어한다. 또한, 운전자와 승객에게 새로운 방식으로 안전, 승차감, 편리성을 제공한다. 이러한 기능은 꾸준히 향상되고 있다. 그러나 차량에 탑재된 다양한 센서와 액추에이터를 차량 컴퓨팅 플랫폼의 “두뇌”에 연결하는 차량 “신경계”의 올바른 데이터 연결 없이는 이러한 기능을 수행할 수 없다. 센서와 컴퓨팅이 더 정교해지고 차량이 더 많은 소프트웨어로 정의됨에 따라, 데이터 연결을 위한 대역폭은 기존 자동차 네트워크의 범위를 벗어나 빠르게 증가하고 있다. 

업계는 데이터 센터, 사무실, 가정에서 이미 폭발적인 데이터 증가를 경험했고, 수십 년간 학습한 교훈을 자동차 애플리케이션을 위한 데이터 네트워크 정의라는 비교적 새로운 과제에 활용할 수 있다. 그러나 차량은 요구사항이 까다롭다. 이러한 요구사항을 가장 안전하고 비용 효율적인 방법으로 구현한다면 혁신의 토대가 마련될 것이다. 


새로운 네트워크 기술

차량 네트워크 아키텍처는 전례 없는 난관에 직면해 있다. 기존 지점 간(point-to-point) 아날로그 연결은 디지털 방식으로 전환되고 있다. 고해상도 레이더와 카메라는 고대역폭 스트림을 생성한다. 전자제어장치(ECU)는 차량 내에서 대량의 데이터를 서로 주고받는다. 이러한 추세는 소프트웨어 정의 차량이 구체화하면서 가속화될 것이다. 

데이터 연결 기술은 이러한 새로운 요구사항을 지원하기 위해 다음과 같은 자동차 환경의 특정 도전과제와 맞서야 한다. 

· 전자파간섭(EMI): 차체의 제한된 물리적 공간 가용성은 EMI 발생 가능성을 높인다. 전기/전자 부품의 밀집도가 증가하면서 데이터 네트워크는 다른 부품이 방출하는 전자기 잡음에 영향을 받지 않아야 할 뿐 아니라 그 자체도 잡음을 방출하지 않도록 설계돼야 한다. 
· 지연 민감도(Latency sensitivity): 하나의 센서에서 나오는 데이터에 지연이 발생하면, 다른 센서의 데이터와 융합해 차량 주변 환경의 실시간 영상을 얻기 어려울 수 있다.
· 페일 세이프(fail-safe) 요구사항: 고도로 자동화된 차량은 안전한 방식으로 고장을 복구할 수 있어야 한다. 데이터 네트워크 솔루션은 결함 시 차량이 정지할 때까지 계속 안전하게 작동하도록 경로를 변경할 수 있어야 한다. 
· 무게: 차량의 무게를 줄이면 연비가 향상되고 잠재적으로 비용을 절감할 수 있다. 또한, 공간을 적게 차지하는 배선은 추가 기능을 제공하는 다른 부품을 탑재할 수 있는 공간을 제공한다.

여러 데이터 연결 네트워킹 기술이 이러한 요구사항을 해결하기 위해 개발됐다.


차량용 이더넷

이더넷은 IT 분야에서 오랫동안 성공적으로 이용돼왔다. 1973년 발명돼 1985년 전기전자학회(IEEE)가 표준화한 이더넷은 토큰링(Token Ring)과 같은 수많은 경쟁 기술을 제치고 지배적인 LAN(Local Area Networks) 기술로 군림했다. 이더넷은 수십 년에 걸쳐 통신기술의 발전을 촉진하는 다용도의 확장성 있는 표준으로 입증됐다. 이더넷 버전은 동축 케이블, 광섬유, UTP(Unshielded Twisted Pair, 비차폐 연선) 케이블을 통해 실행된다. 통신 속도는 10 Mbps에서 100 Gbps 이상으로 빨라졌다. 

자동차 네트워크를 통해 차량에 더 많은 컴퓨팅 자원이 연결되면서 이더넷으로 자연스러운 전환이 이뤄지고 있다. 2016년 IEEE는 최초의 자동차 이더넷 표준인 IEEE 802.3bw(100Base-T1)를 공표했다. 이 버전은 1995년 도입된 100Base-TX와 대역폭은 100 Mbps로 비슷하지만 중요한 차이점이 있다. 두 표준 모두 절연체를 입힌 2개의 구리선을 꼰 UTP 케이블을 이용한다. 이것은 다른 케이블이나 구성부품에 간섭을 일으키는 전자기 방사와 누화(cross-talk)를 덜 발생시키는 효과가 있으며 동시에 다른 잡음원의 간섭도 방어할 수 있다. 

그러나 100Base-TX는 두 쌍의 구리선을 사용하는 반면, 자동차 이더넷은 한 쌍의 구리선을 사용함으로써 무게와 비용을 낮췄다. 100Base-TX 표준은 데이터 전송거리를 100 m까지 규정하고 있다. 자동차 이더넷은 최대 15 m까지만 규정한다. 차량용 애플리케이션은 차량 내 네트워크 부품까지의 거리가 상대적으로 멀지 않기 때문에, 케이블 길이가 짧아 무게를 줄일 수 있다.

또 다른 주요 차이점은 케이블의 각 끝에서 트랜시버가 수행하는 인코딩이다. 100Base-TX 표준은 3개의 전압 레벨을 순차적으로 순환하는 MLT-3(Multi-Level Transmit) 기술을 사용해 구리선의 비트를 인코딩하는 반면, 자동차 이더넷은 3단계 펄스 진폭 변조(PAM-3)를 사용해 신호 펄스의 진폭을 통해 각 파형에 더 많은 비트를 인코딩할 수 있다. 다른 인코딩 기술과 결합하면, 결과적으로 주파수가 125 MHz에서 66.6 MHz로 감소해 EMI와 누화로부터 보호할 수 있다.


이더넷의 다음 단계

IEEE 802.3bw 표준의 전송속도 100 Mbps는 많은 초기 차량용 애플리케이션을 포괄할 수 있다. 그러나 고화질 비디오 스트림이나 여러 센서 데이터를 모아서 전송하기 위해서는 더 빠른 속도가 필요하다.

IEEE 802.3bw가 확정된 직후 IEEE는 802.3bp, 즉 1000Base-T1을 비준해 STP(Shielded Twisted-Pair, 차폐 연선) 또는 UTP 케이블을 통한 기가비트 속도를 규정했다. 이 표준은 이전 제품과 많은 속성을 공유하지만, 주파수는 600 MHz로 10배 가까이 높다. 이것은 케이블이 누화에 더 취약하다는 것을 의미하며, 차량 전체의 전자기 잡음을 관리하고 필요한 경우 엄격하게 테스트하고 차폐해야 하기 때문에 엔지니어는 시스템을 설계할 때 이를 염두에 두어야 한다. 이 표준은 향후 2~3세대 플랫폼에 충분한 대역폭을 제공할 것이다. 

2020년 IEEE는 802.3ch를 정의했다. 이것은 동일한 15 m에서 2.5 Gbps, 5 Gbps, 10 Gbps의 표준 속도로 멀티 기가비트 이더넷을 제공한다. STP 케이블은 이러한 속도로 작동하지만 7 GHz를 초과하는 전기 주파수는 EMI 문제를 최소화하기 위해 차폐 병렬 쌍 케이블을 사용해야 할 수 있다.

 

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IEEE에 의해 표준화된 연선(twisted-pair) 케이블을 이용하는 다양한 이더넷 옵션이 있다. 다음은 IT 및 자동차 애플리케이션의 일부 마일스톤이다.

자동차 이더넷 커넥터
앱티브(Aptiv)는 다양한 자동차 이더넷용 솔루션을 제공한다. AMEC(Automatable Module Ethernet Connector) 시스템은 PCB 레이아웃에서 동일한 공간을 차지하는 비차폐/차폐 솔루션으로 제공된다. 이는 디바이스를 변경하지 않고도 100 Mbps에서 1 Gbps로의 업그레이드 경로를 제공한다. 멀티 기가비트 애플리케이션은 H-MTD(High-Speed Modular Twisted-Pair Data) 시스템으로 해결할 수 있다. AMEC용 인터페이스 구성은 단일 포트에서 8개 포트까지이며, H-MTD 시스템은 밀폐형 또는 비방수형 구성으로 1~6개 포트까지 다양하다. 

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이더넷의 주요 이점은 쉽게 재구성할 수 있는 유연한 네트워크라는 점이다. 오류가 발생하면, 이더넷 라우터가 데이터 트래픽을 다른 방식으로 라우팅할 수 있다. 이는 차량의 주요 컴퓨팅 부품에 대해 중단없는 연결을 보장하는 데 중요하다. 

또한, 차량 네트워크에서 중요한 것은 PoDL(Power over Data Lines)이라는 데이터 신호와 전원을 병렬로 전송하는 구리선 기반 이더넷 기능이다. PoDL은 최적화된 위성 카메라와 같은 특정 센서에 최대 500 mA의 전원을 지원할 수 있다. 이를 통해 차량 제조업체는 모든 요구사항에 맞게 일부 센서에 한 쌍의 케이블을 연결해 무게를 줄이고 아키텍처를 단순화할 수 있다.



그림 1| 전원과 데이터를 병렬로 전송 전송하는 커넥터

일부 자동차 이더넷 디바이스는 PoDL이 데이터 라인을 통해 제공할 수 있는 것보다 높은 전류를 요구한다. 앱티브는 고속 AMEC 데이터 포트와 기존 DC 전원 라인을 단일 인터페이스로 결합한 다양한 자체 혼합 접속 시스템으로 이러한 애플리케이션을 지원하고 있다. 이것은 PoDL이 제공하는 단일 디바이스 접속의 단순성을 유지한다. 예를 들어, 그림 1에 표시된 2+1 커넥터에는 1.5 mm DC 단자 2개와 차폐형 1 Gbps AMEC 인터페이스가 있다. 앱티브는 다른 여러 가지 혼합 접속 시스템을 양산하고 있으며, 특정 애플리케이션을 지원하기 위해 더 많은 변형품을 개발하고 있다. 


동축 애플리케이션  

동축 케이블은 데이터 네트워킹에 오랫동안 사용돼왔다. 이더넷은 원래 동축 케이블을 기반으로 했다. 동축 케이블은 여전히 케이블 TV 연결에 널리 사용된다. 

동축 케이블은 유형마다 성능 수준이 다르며 자동차 애플리케이션은 애플리케이션 파라미터에 따라 특정 케이블을 사용한다. 동축 케이블은 견고성과 간섭에 대한 내성으로 인해 자동차 분야에서 인기를 끌었으며, FAKRA(Fachkreis Automobil)로 알려진 커넥터용 글로벌 인터페이스 표준은 대부분의 자동차 OEM에서 20년 이상 사용되었다.

커넥터는 최대 3 GHz의 주파수에서 작동하며 단자의 특정 설계 기능을 통해 6 GHz 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있어 최대 8 Gbps까지 속도를 지원한다. 
자동차 동축 케이블은 차량의 디지털 카메라 시스템에 적용할 수 있다. 고대역폭 동축 케이블은 단일 케이블로 비디오 신호와 카메라 전원을 전송할 수 있다.

애플리케이션이 단순한 백업 카메라에서 복잡한 서라운드 비전 시스템으로 확장됨에 따라 FAKRA 인터페이스의 크기가 커지고 복잡해졌다. 차량 패키징 문제를 해결하기 위해 차세대 소형 동축 커넥터가 개발되고 있다. 이러한 미니 동축(mini-coax) 커넥터는 기존 자동차 인터페이스보다 훨씬 작아서 디바이스 패키지 크기의 밀도를 높일 수 있다.
운송 시스템에는 미니 동축 커넥터에 대해 두 가지 정의된 인터페이스가 있다. 앱티브는 두 가지 모두 지원하는 솔루션을 개발하고 있다. 또한, 앱티브는 ISO와 USCAR(The United States Council for Automotive Research) 표준 개발에 적극적으로 참여하고 있다.

미니 동축 시스템의 또 다른 특징은 기존 자동차 제품보다 훨씬 더 높은 대역폭을 지원한다는 것이다. FAKRA는 최대 주파수 6 GHz를 지원할 수 있지만, 미니 동축 커넥터는 9 GHz ~ 15 GHz의 애플리케이션을 지원하며, 이것은 20 Gbps 이상의 대역폭을 의미한다. 
미래의 자동차 컴퓨팅 시스템에는 더 복잡한 온보드 컴퓨팅 플랫폼 간에 데이터를 전송하기 위해 상당한 양의 동축 케이블이 포함될 것으로 예상한다. 


PCIe  

제한적인 자동차 애플리케이션용으로 고려 중인 또 다른 기술은 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)다. 2003년 데뷔한 PCIe는 주로 컴퓨터 마더보드에 주변장치를 연결하는 데 사용하는 버스 인터페이스다. 최신 버전의 PCIe는 최대 128 Gbps를 지원한다.
PCIe의 최대 통신 거리는 매우 짧다(50 cm에 불과). 그러나 트랜시버가 필요하지 않아 비용을 절약할 수 있다. 차량 내에서 서로 가까이 있는 ECU의 경우 PCIe가 적합한 솔루션이 될 수 있다. 앱티브는 차세대 차량용 Smart Vehicle Architecture™에 PCIe를 포함하고 있다.





기타 네트워크 기술  

광섬유는 자동차 용도로 적합한 선택일 수 있지만 광범위한 채택을 가로막는 장애물이 있다. 광섬유 통신 라인은 유리나 플라스틱 섬유를 통해 데이터를 전송하기 위해 광 펄스를 사용한다. 유리섬유나 플라스틱 섬유는 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 생성하지 않으며 다른 전자파의 영향을 받지 않는다. 그러나 광섬유 데이터 라인을 통해 전원을 공급할 방법이 없으므로 부품에 별도의 전원이 필요하다. 광섬유는 전기 신호를 광 펄스로 변환하기 위해 트랜시버가 필요하기에 가격이 비쌀 수 있다. 제조 공정 또한 비용이 많이 든다. 아마도 가장 중요한 것은 광섬유 케이블의 제한적인 굴곡 반경으로 인해 차량 내 좁은 공간에 설치할 때 굴곡 반경 이상으로 구부리지 않아야 한다는 것이다. 

고려해 볼 수 있는 또 다른 기술은 다수의 단일 리드가 있는 멀티코어 케이블이다. 가장 대표적인 예는 USB Type-C로, 단일 케이블을 통해 데이터와 전원을 모두 전송한다. 그러나 USB-C 케이블은 몇 미터로 제한돼 있으며 제조 비용이 비싸다. 또한, 대역폭이 채널당 5 Gbps로 제한되며 데이터를 해당 채널로 나누기 위해 트랜시버가 필요하므로 추가 비용이 발생한다. 

자동차 이더넷과 여타 데이터 연결 옵션이 증가함에 따라, 수년간 차량에 사용돼 온 오래된 기술들이 데이터 전송률이 낮은 단순 애플리케이션에 계속 사용될 가능성이 있다. 한 예로 저렴한 칩셋과 커넥터가 필요한 LIN(Local Interconnect Network)이 있다. 비교적 저렴한 또 다른 예로는 최대 데이터 전송 속도 1 Mbps의 CAN(Controller Area Network)과 2 Mbps의 CAN-FD(CAN Flexible Data Rate)가 있다. FlexRay는 최대 10 Mbps를 지원하며 일부 안전이 중요한 애플리케이션에 사용되고 있지만, 시장에서 점차 퇴출당하고 있다. 이러한 애플리케이션을 지원하기 위해 저속 자동차 이더넷 옵션인 전송 속도 10 Mbps의 10Base-T1S가 최근 완성됐다.

이러한 네트워크 기술은 대부분 대칭적이지만 카메라나 고해상도 디스플레이 등 일부 차량 내 애플리케이션은 비대칭적이며 한 방향으로만 높은 대역폭을 요구한다. 널리 사용되는 비대칭 기술에는 FPD-Link(Flat Panel Display Link)와 APIX(Automotive Pixel Link), GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link)이 있다.

HDBaseT Automotive는 표준형, 재킷형, UTP 케이블을 통해 매우 낮은 지연시간으로 최대 4 Gbps의 이더넷을 터널링하고 STP 케이블을 통해서는 8 Gbps까지 터널링 할 수 있는 비대칭 기술이다. 

HDBaseT는 이더넷과 마찬가지로 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation, PAM)를 사용하기에 물리적 계층(PHY)은 다른 기술보다 덜 복잡해 무게와 비용을 절감할 수 있다. [AEM]

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