자동차 IT 융합차량용 네트워크 기술 동향

차량용 네트워크

글 : 정구민, 안현식 교수 / 전자공학부국민대학교 / gm1004@kookmin.ac.kr, ahs@kookmin.ac.kr최근 편의성, 안전성, 편리성 등의 키워드가 자동차 시장에서 새로운 화두로 등장하고 있다. 이에 따라 자동차 시장에서 IT 요소의 중요성이 커지고 있으며 자동차 IT 융합에 대한 관심도가 높아지고 있다[1]~[3]. 편의성, 안전성, 편리성을 위해서 차량 내에서 전장 부분의 중요성이 커지고 있으며 이에 따라 많은 ECU의 사용이 필수적으로 요구된다. 이와 같이 차량 내의 ECU 사용이 증대됨에 따라 차량 전장 시장에서 최근 중요해지는 기술은 차량 SW 관련 기술과 차량 네트워크 관련 기술을 들 수 있다. 또한 도로 정보나 주행 정보 등의 제공을 위해서는 차량 외부 네트워크와 차량 내부 네트워크의 연결도 중요해 진다. 이 글에서는 자동차 IT 융합의 두 가지 트렌드- 차량 SW 기술, 차량 네트워크 관련 기술- 중에서 차량 네트워크 관련 기술에 대해서 알아보기로 한다.차량용 네트워크 기술의 중요성편의성, 안전성, 편리성 등의 요구 사항들은 최근 자동차 시장에서 중요한 이슈로 대두되고 있으며 차량 내의 전장 요소에 대한 관심도가 증가하고 있다. 지식경제부의 자료에 따르면, 차량 내의 전기전자 부분 비율이 2005년도에 자동차 원가의 20%에서 2015년도에는 40%까지 증가할 것으로 추정된다[3]. 또한 차량용 반도체 전문 업체인 인피니언에 따르면 2010년도 차량 전장 부품 시장 규모는 대략 40조원에 이를 것으로 추정된다.이러한 경향에 따라서 차량 내의 ECU 및 센서들을 연결하고 다양한 정보를 제공하기 위한 차량 내부 기술(In-Vehicle Network)에 대한 관심도가 높아지고 있다. 기존의 LIN, CAN 기술의 한계점을 극복하기 위해서 플렉스레이 등의 기술이 등장하고 MOST, IDB 1394 등의 멀티미디어 네트워크 기술도 등장하였다.또한 보다 편리하고 안전한 주행을 위해서 차량 간 통신, 도로와 차량 간 통신, 보행자/인프라와 차량 간 통신에 대한 관심도 높아지고 있다. 이와 같은 차량 외부 통신은 기존의 텔레매틱스/ITS 기술과 밀접한 관계를 가지고 있다. 최근에는 TPEG 기반의 DMB 상용화, DSRC 기반의 하이패스 상용화 등 차량 외부 통신 기술이 차량과 다양하게 접목되고 있으며 기존의 통신 인프라와 차량을 연결하기 위한 다양한 시도들이 이뤄지고 있다.이와 같이 차량 네트워크 기술은 자동차 IT 융합을 가속화 시키고 있으며 DIS(Driver Information System)과 같이 새로운 차량 기술의 흐름도 만들어 가고 있다.이 글에서는 차량용 내부 네트워크 기술 및 차량 외부 네트워크 기술 동향을 살펴보고 차량용 네트워크 기술 발전에 따라서 차량에서 새롭게 적용되거나 필요한 기술에 대해서도 정리해 본다.차량 내부 네트워크 기술차량 내에서 ECU 기반의 전장 부분은 그림 2와 같이 대략적으로 차량 컨트롤, 파워트레인, 바디 일렉트로닉스, 인스트루먼테이션, 엔터테인먼트 등으로 나누어 볼 수 있다.차량에서 사용되는 ECU의 증가에 따라 LIN, CAN 등의 차량 내부 네트워크 기술이 적용되어 사용되어 왔으며 최근 편의 장치, 안전 장치 등으로 인한 ECU 수의 급격한 증가로 고용량 네트워크 기술인 플렉스레이 등이 대두되었다. 또한 정보 제공과 멀티미디어 등을 통한 엔터테인먼트 제공을 위해서 MOST나 IDB 1394 등의 기술이 개발되었다.차량 내부 네트워크 기술의 주요 규격을 간단히 정리하면 표 1과 같다. 제어용 네트워크 기술은 LIN, CAN이 대표적이며 CAN의 주요 보완점(1Mbps 속도, BUS 토폴로지, 이벤트 트리거링)을 보완하기 위해서 TTCAN, TTP, 플렉스레이 등이 연구 적용되고 있다. TTCAN은 2004년에 ISO 11898-4 표준(CAN 표준 part 4)으로 제정되어 있다. 향후 고속 제어용 네트워크에는 플렉스레이 가 많이 사용될 것으로 전망된다.CAN(Controller Area Network) [4]차량 내부 네트워크 기술의 대표적인 기술인 CAN은 차량뿐만 아니라 다양한 분야에 적용되고 있다. 차량 전장 요소의 증가에 따라서 BUS 구조의 네트워크 필요성이 증대되어 CAN 기술이 개발되었다. 1993년 ISO-11898로 표준화되었으며 ‘10년 이상 도로 위를 달린 검증된 기술’이다. 표 2에 CAN 버전에 대해서 요약했다.특히 1Mbps는 당시로써 빠른 속도를 제공하여 실시간 제어가 가능하게 하였으며 에러 검출과 정정이 뛰어나고 단순한 인터페이스와 타 필드 버스 기술에 비해서 상대적으로 값이 싼 장점을 가지고 있다.현재 하이 스피드 CAN은 주로 빠른 속도가 요구되는 엔진 및 변속기 계통에 사용되고 있다. 주요 사용 부분은 엔진 컨트롤, 기어 박스 컨트롤, 스티어링 휠 컨트롤, 페달 노드 컨트롤, 리어/프론트 휠 컨트롤 등이다. 로우 스피드 CAN 부분은 상대적으로 저속인 차체 섀시 계통에 많이 적용되고 있다. 주요 사용 부분은 라이트닝 컨트롤, 좌석 컨트롤, 좌우 도어 모듈 컨트롤, 선루프 컨트롤, 와이퍼 위시-워시 컨트롤, 에어백 컨트롤, 클라이메이트 컨트롤 등이다. LIN, TTP, TTCAN, 플렉스레이 등의 기술은 CAN을 보완하기 위해서 개발되었다고 볼 수 있을 정도로 CAN 기술은 차량 네트워크의 기본적인 기술이다.LIN(Local Interconnect Network) [5]LIN 기술은 저비용의 직렬 통신 시스템 기술로 CAN의 자동 다중화 네트워크를 보완하기 위해서 개발되었으며 CAN 정도의 고사양을 필요로 하지 않는 저사양 계통에 사용된다. 싱글 와이어로 구현되어 있으며 EMI 영향을 받기 때문에 최대 속도가 20kbps 정도이다. 간단하고 속도가 중요하지 않는 애플리케이션인 좌석 모듈 컨트롤, 미러 모듈 컨트롤, 도어 모듈 컨트롤, 스티어링 모듈 컨트롤 등에 사용된다. 그림 3과 같이 LIN을 이용하여 CAN 네트워크를 보완하여 사용하며 이를 위해서 LIN to CAN 구조를 이용한다.차세대 차량 내부 네트워크 TTP, TTCAN, 플렉스레이CAN 기술은 충분히 검증된 안정한 기술이기는 하지만 ECU의 사용량이 증가함에 따라 속도(1Mbps) 면에서 부족하게 되었다. 또한 이벤트 트리거로 동작하기 때문에 타임 트리거를 제공하지 못하는 단점이 있었으며(TTCAN의 2004년 ISO 표준화로 해결되기는 하였음) BUS 고정방식으로 액티브 폴트 톨레랑스를 제공하지 못하는 단점이 있었다.이 세 가지 보완점(1Mbps 속도, 이벤트 트리거링, BUS 토폴로지)을 보완하기 위해서 TTP, TTCAN, 플렉스레이의 기술들이 등장하였다.TTP (Time Triggered Protocol)TTP 기술은 5Mbps~25Mbps의 고속 전송 속도를 가지고 있으며 타임 트리거링을 지원한다. 토폴로지는 BUS 토폴로지만을 사용한다. 1994년도에 개발되어 관련 기술 중에 가장 빠르게 상용화 되었고 적은 오버헤드를 갖는 특징이 있다.TTCAN(Time Triggered CAN) [6]TTCAN 기술은 기존 CAN의 물리계층과 데이터링크계층을 그대로 사용하면서 이벤트 트리거 방식을 보완하기 위해서 고안된 기술이다. 속도와 토폴로지는 CAN과 동일하고 이벤트 트리거링과 타임 트리거링을 동시에 제공한다. 2004년도에 ISO 11898-4 표준으로 제정되어 현재는 CAN 표준의 일부로 사용되고 있다.플렉스레이 [7]플렉스레이 기술은 앞에서 나온 세 가지 CAN의 보완점을 모두 보완한 차세대 통신 방식이다. 최고 10Mbps의 전송이 가능하고 버스 토폴로지와 스타 토폴로지를 모두 지원하며 타임 트리거링과 이벤트 트리거링을 모두 지원한다. 고속 제어 및 안전이 중요시 되는 파워트레인 및 섀시 부분(엔진, 브레이크, 트랜스미션 등)에서 CAN을 대체하여 사용될 것으로 전망된다.2005년도에 플렉스레이 프로토콜 사양 2.1이 발표되었으며 2006년도에 BMW X5에 처음으로 적용되었다. 향후 차량용 네트워크 부분에서 주 이슈가 될 것으로 생각된다.MOST(Media Oriented System Transport) [8]MOST는 차량 내 대용량 멀티미디어 데이터 전송을 위한 네트워크 기술로 최대 24.5Mbps를 지원한다. 독일을 비롯한 유럽 자동차 업계를 중심으로 기술 개발되었으며 2002년 BMW 7시리즈 적용을 시작으로 2007년에는 아우디, 벤츠, 푸조, 포르쉐, 샤브, 볼보, 시트로엥 등의 약 30차종에 적용되어 있다. 광섬유 케이블을 사용하고 링 토폴로지를 기반으로 설계되어 고속의 데이터 전송을 구현하고 있다. 복잡한 인터페이스 및 고비용의 단점도 가지고 있다.IDB 1394(ITS Data Bus) [9]IDB 1394는 IEEE 1394를 바탕으로 미국과 일본 업체들이 차량 내 멀티미디어 지원을 위해서 개발하였다. 최대 100Mbps의 속도를 지원한다. MOST와 직접 경쟁하기 보다는 MOST에서 지원하지 않는 애플리케이션을 중심으로 시장에 접근하고 있다. 포드, GM, 도요타 등에서 적용 예정이며 아직 상용화된 예는 없다.차량 외부 네트워크 기술(Out-Vehicle Network)차량 외부 네트워크 기술은 차량을 중심으로 외부 인프라, 보행자, 도로, 차량 등 간에 통신할 수 있도록 하는 모든 네트워크 기술을 가리킨다. 텔레매틱스 / ITS 기술의 범주와도 거의 일치한다. 약 10~20여년 동안 차량 외부 네트워크 기술은 상용화되지 못했으나 최근에는 통신 기술의 발달과 더불어 안전성, 편의성 이슈와 맞물려서 이러한 차량 외부 네트워크 기술이 차량에 적용되기 시작하고 있다.이러한 차량 외부 네트워크 기술은 그 역사만큼 다양한 용어들이 존재하고 확실한 범위를 정의하기가 어려운 것이 현실이다. 대략적으로 범주를 정리하면 다음과 같다.쪾 Inter-Vehicle Communication (차량 간 통신)· Vehicle to Vehicle, Car to Car communication· Driving Information (Speed, Location, etc.)· Alarm / Safety· Voice / Data transmission쪾 Road-to-Vehicle Communication (도로 차량 간 통신)· Infra to Vehicle Communication· Real-time ITS information· Cooperative Vehicle / Highway System· Automated Safety Vehicle / Automated Highway System쪾 Infotainment Communication (인포테인먼트 통신)· Information / Entertainment· Telematics device / mobile handset / navigation차량 외부 네트워크의 범주는 대략적으로 ITS/텔레매틱스를 위한 무선 통신 기술 범주와 일치한다. 차량 외부 네트워크와 ITS/텔레매틱스에서 주로 사용되는 기술의 범위를 대략적으로 정리하면 그림 6과 같다. 최근에는 MANET(Mobile Adhoc Network)과 같이 차량을 중심으로 VANET(Vehicular Adhoc Network)이라는 용어가 사용되고 있다. VANET은 차량을 중심으로 한 근거리/중거리 통신 정도로 볼 수 있으며 대략 DSRC, WAVE, CALM, WPAN, mobile WiMAX 정도를 VANET의 범주로 볼 수 있다. 이 중에서 DSRC, WAVE, CALM은 차량 네트워크에 특화된 기술이다.향후 차량 외부 네트워크의 표준화 및 상용화는 인프라와도 밀접한 관계가 있기 때문에 정부 정책 등에서도 많이 영향을 받을 것으로 생각된다.DSRC(Dedicated Short Range Communication)DSRC는 차량에서 사용되는 근거리/중거리 통신용 무선 프로토콜이다. 주로 도로 차량 간 통신과 차량 간 통신을 위해서 개발되었으며 현재에는 통행 요금 징수 시스템에 많이 사용된다. DSRC는 IR을 사용하는 규격과 RF를 사용하는 규격으로 나눌 수 있다. RF를 사용하는 규격의 경우, 미국은 5.9GHz를 사용하고 유럽과 일본은 5.8GHz를 사용한다. 우리나라의 경우에도 5.8 GHz 규격을 바탕으로 하이패스에 적용되고 있다. 2008년 3월 현재 100만대의 하이패스 시스템이 보급되었다.미국의 경우 ASTM, 국내의 경우 TTAS.KO-06, 유럽의 경우 CEN, 일본의 경우 ARIB T55 등에서 표준화 되었다. 미국 DSRC 표준의 경우 WAVE로 국제 표준화가 진행되고 있다.목표로 하는 주요 애플리케이션으로는 그림 7과 같은 상호적응주행제어와 차량용 긴급경보시스템, 상호전방충돌경고, 교차로 충돌 회피, 접근하는 긴급차량 경고(블루 웨이브), 차량 안전 검사 등을 들 수 있으며 향후 WAVE 표준화와 더불어서 차량 간 통신, 차량 도로 간 통신 등에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.WAVE(Wireless Access in Vehicle Environments) [10]WAVE는 미국 ASTM DSRC 표준을 기반으로 국제 표준화되고 있는 프로토콜의 명칭이다. 2004년도부터 IEEE 802.11p와 IEEEP1069를 통하여 표준화가 진행 중이다. 상위 프로토콜은 2006~2007년 사이에 표준화 되었다. 물리계층과 MAC 계층은 IEEE 802.11p를 통하여 표준화가 진행되어 2009년 4월 중에 초안 규격이 발표될 예정이다. 200km/h의 속도에서도 통신이 가능하도록 하고 있으며 도로 차량 간 통신의 경우 1000m 범위 내에서 1Mbps의 속도로 통신이 가능하도록 하고 있다.WAVE의 주요 애플리케이션은 DSRC에서 목표로 하는 애플리케이션 영역과 동일하며 WAVE를 통하여 DSRC 규격의 국제 표준을 이루어서 향후 차량 간 통신의 상용화가 가능할 것으로 전망된다.CALM(Continuous Air interfaces - Long and Medium Range) [11]CLAM은 다양한 통신 방식을 차량에서 효과적으로 지원하기 위한 프로토콜이다. 현재 ISO TC 204 WG 16에서 표준화가 진행 중이다. CALM은 V2I, I2I, V2V 등의 애플리케이션을 위해서 셀룰러 네트워크, DSRC, 밀리미터파, IR, 인공위성 등 다양한 통신 방식을 지원하기 위한 프로토콜이다. 향후 CALM의 표준화에 따라 차량 외부 네트워크의 본격적인 상용화가 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.TPEG(Transport Protocol Experts Groups) [12]TPEG은 교통 정보 제공을 위한 프로토콜로 1997년 설립된 유럽방송연맹을 통해 2006년도에 표준화 되어 현재 상용화 되고 있다. 주로 DMB, DAB, DVB 등의 채널에 실어서 제공되고 있다. 주요 애플리케이션으로는 도로교통 메시지(RTM), 대중교통정보(PTI), 주차정보(PKI), 정체 및 통행시간(CTT), TEC(Traffic Event Compact), 여행자용 날씨정보(WEA) 등을 들을 수 있다. TPEG은 현재 TPEG 포럼을 통하여 관리되고 있으며 국내에서도 DMB를 통해 제공되고 있다.차량 네트워크 기술 발전에 따른 변화이와 같이 차량 내부 네트워크와 차량 외부 네트워크 기술의 발전과 상용화는 차량 자체의 패러다임에도 변화를 가져오고 있다. 가장 큰 변화는 게이트웨이 기술의 개발과 운전자정보시스템(DIS)의 등장을 들 수 있다.게이트웨이 기술의 등장다양한 차량 통신 기술의 등장은 이러한 통신 기술들을 효과적으로 사용하기 위한 기술들을 필요로 하게 된다. 이에 따라서 네트워크 게이트웨이 기술이 개발되고 상용화 되고 있다. 차량 내부 네트워크에서는 LIN, CAN, 플렉스레이 등의 이기종 네트워크에서 정보를 주고받기 위한 게이트웨이 기술이 상용화되고 있다. 차량 외부 네트워크에서는 CALM을 이기종 네트워크 접속을 위한 게이트웨이 기술의 일종으로 볼 수도 있다.향후 차량 외부 네트워크가 표준화되고 차량에 적용되면 차량 외부 네트워크와 차량 내부 네트워크를 연동하기 위한 게이트웨이 기술이 필요할 것으로 생각된다.운전자정보 시스템의 등장차량 통신 기술의 다양한 발전과 안전성, 편의성, 편리성을 지원하는 전장 요소의 증가는 사용자에게 정보를 어떻게 효과적으로 제공할 것인가의 문제를 던져주게 된다.DIS는 이와 같이 다양한 네트워크에서 다양하게 수집된 정보를 사용자에게 효과적으로 제공하기 위한 시스템을 통칭하는 용어이다. DIS는 차량 내부 네트워크에서 수집된 정보와 차량 외부 네트워크에서 수집된 다양한 정보를 사용자에게 효과적으로 전달하기 위한 시스템이다. 이에 따라 개인용 기기에서 이슈가 되던 HMI 기술, UI 기술이 차량에 접목되고 있으며 사용자의 운전 상태에 영향을 주지 않으면서 효과적으로 정보를 제공하기 위한 HMI 기술, UI 기술에 대한 연구가 진행 중이다. DIS는 사용자와의 인터페이스를 담당하기 때문에 안전성, 편의성, 편리성과 직접적으로 연관되어 향후 자동차 시장의 중요 요소로 등장하게 될 것으로 생각된다.맺음말안전, 편의, 편안함의 키워드를 바탕으로 지능형 자동차를 구현하기 위한 다양한 전자기술들이 차량 내에 접목되고 있다. 특히 차량 네트워크 관련 기술로는 차량 내부 네트워크에서 플렉스레이 등의 기술이 상용화되어 X-by-wire 시스템의 구현이 가능해 질 것으로 생각되며 DSRC, WAVE, CALM 등의 표준화는 기존의 유/무선 네트워크와 연동하여 다양한 정보를 사용자에게 제공해 줄 수 있을 것으로 기대된다.DIS 및 게이트웨이 기술의 발전을 통하여 사용자에게 효과적으로 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 생각되며 특히 DIS 기술의 발전은 자동차를 산업용 기기에서 개인용 기기로 바꾸는 계기가 될 수 있을 것으로 전망된다.이러한 자동차 IT 융합 기술의 발전은 사용자에게 안전성, 편의성, 편리성을 제공해 줌으로써 지능형 자동차 기술을 한 단계 업그레이드 시킬 수 있을 것으로 기대된다.참고문헌[1] 자동차 IT 융합 및 전장장치 HEV 부품/소재 세미나, 2008.7.14-7.15[2] 2008 Convergence-IT 컨퍼런스, 2008.05.29[3] 2008 자동차-IT 융합 워크샵, 2008.7.13[4] Controller area network (CAN) Part 1 : Data link layer and physical signaling, ISO 11898-1, 2003[5] LIN Specification ver. 2.1, LIN Consortium, 2006[6] Controller area network (CAN) Part 4 : Time-Triggered Communication, ISO 11898-4, 2004.[7] FlexRay Protocol Specification ver. 2.1, FlexRay Consortium, 2005[8] MOST Specification ver. 3.0, MOST Cooperation, 2008[9] IDB Forum, http://www.idbforum.org[10] IEEE 802.11 Task Group p : Wireless Access in Vehicle Environments (WAVE), http://www.ieee802.org/11[11] ISO TC204 Working Group 16 : Continuous Air interfaces - Long and Medium Range (CALM), http://www.isotc204wg16.org[12] TPEG Forum, http://www.tpeg.org

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