[TECH REPORT] 10Mbit/s 대역폭 CAN FD SIC, 10BASE-T1S, CAN XL, 소프트웨어 정의 차량 구현을 위해

[벡터코리아=피터 덱커] 모두가 차량 네트워킹의 미래를 결정할 SDV(Software Defined Vehicle)에 대해 이야기하고 있다. 그러나 전자제어유닛(ECU)의 약 80%는 여전히 약 10Mbit/s의 대역에서 작동한다. 10Mbit/s 대역폭은 앞으로도 차량 네트워킹에 계속 영향을 미칠 것이다. 그에 따라 이 분야에서 흥미로운 혁신들이 많이 일어나고 있다.

과거를 한 번 되돌아보면 이 모든 것은 자동차 내부 통신 프로토콜 플렉스레이(FlexRay)에서 시작됐다. 플렉스레이는 첫 번째 대표적인 10Mbit/s 대역 제품이며 원래 Drive-by-Wire 기능을 개발하도록 설계됐다.

플렉스레이는 시분할 다중 액세스(TDMA) 네트워크로 두 개 채널을 제공한다. 그러나 플렉스레이가 초기에 의도한 것보다 더 높은 비트 전송률에 사용되고 있다. 플렉스레이는 단순히 비트 전송률을 높이기에는 너무 복잡하고 까다롭다. 이는 시간 제어 원칙으로 인해 네트워크의 통신을 미리 정해져야 하기 때문이다. 모든 제어기가 시간 제어를 알고 있기 때문에 변경 또는 확장에는 상당한 양의 조정 노력이 필요하다.

이는 기능의 개발뿐만 아니라 차량진단 및 네트워크 관리에도 영향을 미친다. 또한 실행 가능한 통신을 하기 위해서도 상당한 노력이 필요하다. 이러한 이유로 업계에서는 더 큰 대역폭을 보다 쉽게 구현할 수 있기를 요구하게 됐다.

▶ CAN 속도 향상 : CAN FD

차량용 네트워크 시스템 CAN은 높은 수준의 신뢰성과 세련되고 대기 시간이 없는 네트워크 연결로 인해 많이 사용되고 있다. 따라서 업계에서는 ‘CAN을 가속화할 수 있는가’하는 질문을 하게 됐고 이 질문은 두 가지로 답변해야 한다. CAN은 여러 제어기가 동시에 전송할 수 있는 Arbitration 영역에서 최대 1Mbit/s로 제안된다. 그 이유는 가장 멀리 떨어져 있는 두 제어기의 1비트 시간 내에 네트워크에서 충돌을 정확하게 감지해야 하기 때문이다.

단 하나의 제어기만 전송하는 데이터 영역에서는 전송속도를 높일 수 있다. 이를 기반으로 CAN FD의 기본 개념이 형성됐다. CAN FD는 데이터 영역에서 전송속도를 높이는 기능 외에도 데이터 길이를 늘렸다. 표준 8바이트 외에 최대 64데이터 바이트까지 사용할 수 있다. 그러나 플렉스레이는 데이터 길이가 254바이트인 반면 실제로는 40~50바이트만 사용하기 때문에 64바이트는 CAN FD에 적합한 선택으로 보인다.

CAN FD 개발 초기에는 기존의 CAN 고속 트랜시버로 전송속도를 대략 10Mbit/s까지 이르게 할 수 있다고 생각했다. 그러나 실제 사례에 따르면 CAN FD는 선형 네트워크에서 최대 2Mbit/s, 일대일 연결에서 5Mbit/s까지 사용할 수 있다. 증가된 데이터 길이와 더불어 증가된 전송속도는 많은 애플리케이션에 적합하다. 반면 업계는 전송 속도 뿐만 아니라 가능한 네트워크 토폴로지 측면에서도 더 나은 결과를 바라게 됐다.

▶ CAN FD SIC, 혁신적으로 신호 개선

CAN FD의 전송속도 제한은 네트워크에서 발생하는 반사로 인한 것이다. 반사는 네트워크의 종단점에서 종단저항으로 스터브가 없는 선형 네트워크에서 제거된다. 그러나 반사는 더 긴 스터브 또는 패시브 스타가 사용될 때 발생하며 이는 자동차 산업에서 널리 알려져 있다. 파형의 물결현상으로 인해 각 비트가 올바른 신호로 감지되지 않을 수 있다.(그림 1)

그 결과 CAN FD의 한계로 널리 인식되고 있다. 물결현상은 주로 Dominant에서 Recessive로 전환하는 동안 발생한다. 이는 Dominant가 능동적으로 생성되는 반면 Recessive은 네트워크에 의해 수동적으로 생성되기 때문이다. 이에 대한 솔루션이 없었다.

CAN in Automation(CiA) 워킹그룹에서 CAN FD SIC을 개발했으며 CiA601-4 사양서에 기록되어 있다. 그 결과 CAN FD SIC 트랜시버가 개발됐으며 SIC은 ‘신호개선기능’을 의미한다. 여러 반도체 회사에서 이미 이 기술을 사용하는 제품을 판매하고 있다.

SIC 트랜시버가 Dominant에서 Recessive로 전환을 능동적으로 짧게해 신호가 개선된다. 이것은 물결현상을 억제하고 Dominant/Recessive를 확실히 인식할 수 있다.(그림 2) CAN FD SIC 트랜시버는 스터브와 스타 구조의 네트워크를 최대 8Mbit/s의 전송속도를 구현할 수 있다.

▶ 10BASE-T1S: 이더넷 10Mbit/s 대역폭

차량 이더넷은 ADAS/AD 애플리케이션을 지원하기 위해 만들어졌다. 먼저 100Mbit/s의 전송속도가 적용됐고 기가비트 및 멀티 기가비트 이더넷이 그 뒤를 이었다. 결과적으로 전체 차량을 이더넷으로 네트워킹하려는 아이디어가 나오는 것은 당연해 보인다. 10Mbit/s 이더넷 10BASE-T1S는 이더넷을 제어 시스템에 도입하기 위해 설계됐으며 현재 대부분은 CAN(FD) 또는 플렉스레이 네트워크를 사용하고 있다.

고속 이더넷을 사용하는 제어기들은 일반적으로 스위치를 통해 연결하지만 10BASE-T1S는 멀티 드롭 네트워킹 솔루션을 제공한다. 즉 버스로 설계돼 스위치가 필요하지 않다. 그런데 제어기들의 연결과 관련해 10BASE-T1S는 유연성이 매우 뛰어나다. 원칙적으로 point-to-point 연결에서 교차전송 또는 동시전송을 허용하고 멀티드롭 네트워크에서도 교차전송을 허용한다. 멀티드롭 네트워크만 자동차 환경에서 실제로 중요성을 지니고 있어 다른 옵션은 여기에서 다루지 않았다.

IEEE 802.3cg 표준은 단순히 10BASE-T1S 멀티드롭 네트워크의 최소 요구사양을 정의한다. 기술 위원회의 체제에서 OPEN Alliance는 전송 경로(링크 세그먼트)에 대해 명확하게 설명하며 호환성 테스트를 마쳤다. 트위스트 페어 케이블을 사용해 전송한다. 버스 길이는 최대 25미터가 될 수 있으며 양쪽 끝에서 100옴 종단저항으로 연결된다. 최대 10cm 길이의 스터브를 사용해 최대 여덟 개의 제어기들을 연결할 수 있다.

버스는 항상 표준 이더넷 CSMA/CD(Collision Sense, Multiple Access/Collision Detection) 메커니즘을 사용해 액세스한다. 여러 제어기가 동시에 버스에 액세스하면 버스에 문제가 발생하고 모든 제어기들이 전송을 반복해야 한다.

이로 인해 예측할 수 없이 지연 시간이 길어지고 최악의 경우 사용 가능한 대역폭이 크게 감소한다. 10BASE-T1S 기술의 응용 분야는 주로 제어 엔지니어링이므로 CAN/CAN FD 또는 플렉스레이와 같은 기존 기버스에서의 술과 비교할 때 실제로는 상당한 단점이 있다.

이에 네트워크 액세스를 위해 새로운 메커니즘인 PLCA(Physical Layer Collision avoidance) 기술을 사용한다. 이는 사용하기 쉬운 유연한 시간 제어 메커니즘 때문이다. ‘head node’로 알려진 제어기는 ‘Beacon’을 전송한다. Beacon은 전송 주기의 시작을 나타낸다.(그림 3)

각 제어기는 자신이 보낼 수 있도록 정의된 전송 슬롯이 제공되며 이러한 방식으로 액세스 충돌을 효율적으로 방지하고 다음 전송 슬롯까지의 최대 시간을 알 수 있다. 제어기가 이더넷 프레임을 전송하기 위해 주기의 변화를 일으키는 전송 슬롯을 사용할 필요가 없기 때문이다.

10BASE-T1S 기술의 장점은 이더넷 기반 네트워크에 쉽게 통합된다는 것이다. 10BASE-T1S 버스는 스위치를 통해 차량 네트워크에 연결할 수 있어 비싼 게이트웨이 비용을 절약할 수 있다. 10BASE-T1S는 더 빠른 이더넷 배리언트와 동일한 통신 스택을 사용한다.

이는 중앙 ECU에서 센서 및 액추에이터에 이르기까지 네트워크 전체에서 일관되고 지속적인 방식으로 통신이 이뤄질 수 있음을 의미한다. 결과적으로 SOME/IP와 같은 서비스 지향 통신은 간단하게 구현되며 PLCA 네트워크 액세스 기술은 물리적 계층에 포함돼 있기 때문에 소프트웨어 스택에는 보이지 않는다.

10BASE-T1S PHY는 현재 널리 사용되고 표준화된 Media Independent Interface(MII)를 사용, 구현돼 기존 이더넷 환경에 원활하게 통합될 수 있다. OPEN Alliance는 CAN 트랜시버 인터페이스와 같은 다양한 연결 옵션에 대해 연구하고 있다.(그림 5) 특히 트랜시버, PLCA, CSMA/CD-MAC과 같은 기존 기능 블록이 새 장치에 통합되고 그에 따른 인터페이스가 표준화되고 있어 향후에는 시스템을 보다 유연하게 하고 비용을 훨씬 더 절감할 수 있다.

▶CAN XL – 차세대 CAN의 진화

CAN의 성공과 인기는 견고성, 네트워크 토폴로지의 유연성, 그리고 가장 중요하게는 간단한 네트워크 액세스 때문이다. 시간 제어 시스템에는 특정한 통신 설계가 필요하며 변경 사항은 여러 제어기들에게 전달돼야 한다. 그렇다면 CAN의 장점을 10Mbit/s 범위의 IP 기반 통신에 통합하는 것이 가능하지 않을까? 사용자들이 스스로 이런 질문을 하기 시작했고 그 결과 CAN XL이 출시됐다.

CAN XL의 데이터 범위는 IP 기반 통신과 통합할 수 있도록 2048바이트로 확장됐다. 데이터 범위는 1~2048바이트까지 확장할 수 있다. 이더넷 프레임은 데이터 길이가 2048바이트인 CAN XL 프레임에 담을 수 있다. CiA611-1 문서에 절차가 자세히 설명돼 있다. 이 방법은 AUTOSAR Classic Release R22-11에서 공개된 AUTOSAR CAN XL의 개념부분에도 나와있다.

통신 스택의 하위 계층은 본질적으로 변경됐다. CAN 드라이버는 이더넷과 CAN 인터페이스와 동작할 수 있다. 이제 이더넷 인터페이스를 통해 CAN XL을 IP 통신에 통합할 수 있어 SOME/IP와 같은 서비스 지향 프로토콜을 사용할 수 있다. 네트워크 관리 및 CAN 상태 관리와 같은 기능(그림 4)도 CAN 인터페이스를 통해 운영할 수 있다. 이 아키텍처를 통해 SOME/IP 통신 및 기존 신호 기반 CAN 통신을 동일한 CAN XL 네트워크에서 구현할 수 있다.

CAN FD SIC 기술로 최대 8Mbit/s까지의 비트 전송률을 구현할 수 있다. 그러나 여전히 10Mbit/s 대역폭에 들어가기에는 충분하지 않다. 새로운 트랜시버 기술 개발이 필요하다. CAN SIC XL은 FlexRay에 사용된 기술을 기반으로 하고 있다. Dominant와 Recessive 모두 능동적으로 구동되고 차동 전압이 감소돼 10Mbit/s보다 큰 전송속도를 지원한다.

CAN XL의 데이터 영역에서 10Mbit/s보다 큰 전송속도를 사용하기 위해서는 트랜시버 모드가 변경된다. CAN SIC 기술은 Arbitration 영역에서 일반 CAN 전압 수준으로 사용된다. 데이터 영역에서 트랜시버는 위에서 언급한 고속 모드로 변경된다. CAN XL에 필요한 전송속도 변경과 달리 트랜시버 모드 변경은 선택 사항이다. 즉 최대 8Mbit/s의 전송속도로 충분한 경우 모드 변경 없이 CAN SIC XL 트랜시버를 사용할 수 있다.

이 후 표준 CAN FD SIC 트랜시버처럼 작동한다. 고속 모드가 활성화되면 CAN SIC XL 트랜시버는 최대 20Mbit/s의 전송속도에 이를 수 있으며 1-20Mbit/s 범위에서 확장이 가능하다. CAN SIC XL 트랜시버는 복잡한 네트워크 토폴로지를 구성하는 데에도 사용할 수 있다.

▶ CAN XL 대 CAN FD

현재 시장에는 CAN XL 및 CAN FD의 두 가지 CAN 배리언트가 나와 있다. 두 버전은 어떻게 상호 작용하는지, 한 배리언트가 다른 배리언트에 비해 어떤 면에서 나은지 등 여러 궁금한 점이 있다. 한 가지 확실한 것은 CAN XL과 CAN FD가 상호 교환 가능하다는 것이다.

CAN FD 노드는 CAN XL 네트워크에서 작동할 수 있는 반면에 호환성을 위해서는 CAN FD 트랜시버, CAN FD SIC 트랜시버 또는 CAN SIC XL 트랜시버를 사용해야 하며 CAN SIC XL 트랜시버에서는 고속 모드를 사용하지 않아야 한다. CAN XL 통신만 고속 모드 사용이 가능하다.

CAN XL은 견고성 측면에서 CAN FD에 비해 몇 가지 장점이 있다. 네트워크 액세스와 주소 지정을 분리함으로써 CAN XL은 책임을 분리한다. 그 결과 CAN XL은 현재 ‘우선순위 ID’라고도 하는 네트워크 액세스를 위한 11비트 ID만 제공한다. 29비트 ID를 사용해 인코딩된 주소 지정 정보는 이제 새로운 ‘Acceptance Field’로 대체될 수 있다. 32비트 프레임 CRC 외에도 CAN XL에는 제어 정보를 보존하기 위한 ‘Preface CRC’가 포함돼 훨씬 더 견고하다.

CAN XL은 ADS(Arbitration-to-Dataphase-Switch) 및 DAS(Dataphase-to-Arbitration-Switch)의 두 가지 특수한 전환 필드를 활용해 견고성을 더한다. 트랜시버 모드 뿐만 아니라 전송속도를 변경하는 데 사용된다.

CAN FD의 전송속도 변경은 BRS 비트에서 한 번 그리고 CRC 구분 기호 비트에서 한 번 더 발생하며 각 비트의 샘플링 포인트에서 스위칭 된다. 결과적으로 이러한 비트는 두 개의 서로 다른 전송속도로 전송된다. 전환 비트 내 제어기들의 다양한 샘플링 시간으로 인해 비트 길이가 달라져 동기화 문제가 발생할 수 있으나 CAN XL에서는 더 이상 문제가 되지 않는다.(그림 5)

▶ 유연한 물리적 특성으로 정의된 소프트웨어…10Mbit/s 대역폭 지원

10BASE-T1S 및 CAN XL은 자동차 네트워크의 주변 영역에서 IP 통신을 가능하게 하는 두 가지 네트워킹 기술이다. 두 솔루션 모두 장점이 있다. 10BASE-T1S는 일관된 소프트웨어 설계에서 탁월한 측면이 있는 반면 CAN XL은 견고성 및 유연성과 같은 기존 CAN 속성을 가진다.

CAN SIC 기술을 통해 CAN FD 네트워크의 속도와 복잡성을 높일 수 있다. CAN XL은 CAN FD에 비해 향상된 견고성으로 인해 이제 CAN FD로 해결되는 애플리케이션에 사용할 수 있다. 두 가지 CAN 배리언트의 상호호환성이 도움이 된다. 결론적으로 10Mbit/s 대역폭이 자동차에서 사용하기에 가장 적합하다고 할 수 있다. 이것은 현재 부각되고 있거나 최근 나타난 다양한 혁신에 의해 입증된다.

자동차 ECU의 약 80%는 여전히 약 10Mbit/s의 대역폭을 사용한다. 결과적으로 이 광범위한 응용 분야에 대한 지속적인 발전이 이뤄지고 있다. CAN FD SIC 트랜시버는 CAN FD 네트워크가 더 활발하게 사용되도록 도와준다. 10Mbit/s의 이더넷 기반 시스템은 10BASE-T1S와 함께 개발 중이다.

이를 통해 이제 제어 시스템에서 이더넷 네트워킹이 가능하다. CAN SIC XL 트랜시버와 결합 시 CAN XL은 탁월한 확장성을 보일 것이며 복잡한 토폴로지를 사용할 수도 있다.