최신 자동차 기술에 필수적인 요소, 이더넷

차량 내 네트워킹 과제의 열쇠로 부각

[테크월드=김경한 기자]

개요

자동차 제조업체들이 운전자 안전과 편의성을 높이기 위해 정밀 전자 시스템을 사용하는 사례가 날로 증가하고 있다. 현재 자동차는 안전, 엔진 관리, 내비게이션, 인포테인먼트 등의 기능을 지원하기 위해 30~100개의 전자 제어 장치(ECU)를 포함할 수 있다. 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)은 자동차 전자부품에서 가장 빠르게 성장하는 부문 중 하나로, ADAS 사용이 증가하면서 ADAS가 생성하고 공유하는 막대한 양의 데이터가 차량 내 연결 시스템을 압박하는 요인이 되고 있다. 기존의 자동차 직렬 버스 기술은 필요한 ADAS 데이터 전송 속도와 대역폭을 지원할 수 없고 자동차 제조업체가 요구하는 미래에 사용할 수 있는 플랫폼으로 확장할 수도 없다.

사무실을 비롯해 최근에는 공장에서도 유비쿼터스 이더넷 프로토콜이 일시적인 솔루션을 제공하고 있지만 실시간 역량, 자동차 EMI, 환경 조건을 처리하는 능력에서 단점을 가지고 있다. OPEN 얼라이언스(One Pair Ethernet Alliance)는 더 빠른 온보드 통신 네트워크의 필요성을 인식해, BMW와 브로드컴(Broadcom)이 개발한 개념을 채택해 브로드-리치(BroadR-Reach), 또는 오토모티브 이더넷 프로토콜을 발표했다.

전통적인 와이어 하네스를 오토모티브 이더넷으로 대체하면 ADAS가 생성하는 더 큰 데이터 볼륨과 속도를 지원할 뿐 아니라, 연결 비용도 최대 80% 절감, 케이블 무게 최대 30% 감소 등 수많은 이점이 있다.

이 새로운 이더넷 표준은 기존에 확립돼 있던 테스트 절차에 변화를 가져온다. 따라서 자동차 생태계의 공급자, 시스템 개발자, 제조업체는 종합적인 물리 계층, 프로토콜, 적합성 테스트, 보안·하네스 테스트를 마련해 시행해야 한다. 시스템 개발자는 다양한 최신 테스트 솔루션으로 테스트를 간소화하고 속도를 높이고 제품 출시 기간을 앞당길 수 있다.

차량 내 기술의 발전

자동차 전기 시스템이 점점 더 복잡해지면서 인포테인먼트, ADAS, 파워 트레인, 차체 전자부품, 엔트리 시스템 등을 지원하기 위해 차량 내 기술을 채택하는 사례가 지속적으로 증가하고 있다. 지난 10년 동안 신차에 탑재된 전자 제어 장치(ECU)의 수와 복잡성이 평균 두 배 이상 증가했다.

적응식 정속주행 시스템(ACC), 자동 긴급제동 장치(AEB), 사각지대 감지 장치(BSD), 차선변경 보조시스템(LCA), 안전 하차 보조시스템(VEA), 충돌 예방 경고 장치(PCW) 등의 기술을 도입하는 가장 큰 이유는 안전 때문이다.

이런 응용 분야는 [그림 1]에 보여진 것처럼 레이더(Radar), 카메라, 라이다(LiDAR), 초음파를 포함한 첨단 감지 기술에 의존하며, 각 ECU에 자동차 환경과 주변 상황에 대한 정확하고 시기 적절한 정보를 제공해 예방 또는 시정 조치를 취할 수 있도록 한다.

[그림 1] 다양한 센서가 사용되는 최신 자동차 시스템 (출처: https://www.electronicdesign.com/automotive/how-will-radar-sensor-technology-shape-cars-future)

동시에 무선 네트워크 기술의 발전으로 커넥티드카라는 개념이 등장했으며, 5G의 시작과 함께 V2X 기술을 활용해 자동차가 다른 차량, 보행자, 도로 인프라, 원격 모니터링 센터 등 주변과 데이터를 공유할 수 있게 될 것이다. 이런 시스템은 방대한 양의 데이터(일부 분석가들은 하루 4TB에 달할 것으로 예상)를 수집, 처리, 생성, 공유하게 돼 기존 온보드 배선 시스템과 통신 프로토콜에 큰 부담을 주게 된다.

오토모티브 이더넷의 출현

이와 같은 자동차 기술의 발전은 수많은 직렬 버스 시스템[표 1]의 개발로 이어졌으며, 각 시스템은 자체 특성을 가지며 다양한 용도로 개발된다. 특정 통신 요건을 갖는 새로운 분야의 성장으로 자동차 와이어 하네스가 평균적인 자동차에서 세 번째로 무겁고 비싼 구성품(어셈블리 비용의 50%에 상당하는 것으로 추산)이 되는 상황에 이르렀다.

차량 내 네트워크의 비용과 복잡성 때문에 신차를 시장에 내놓는 데 소요되는 시간이 영향을 받기 시작했다. 또한 기존 직렬 버스 시스템으로는 급속도로 증가하는 데이터 처리량과 새롭게 등장하는 응용 부문에 필요한 용량을 지원하기가 어려워졌다.

미래에 대비한 개방형 아키텍처를 기반으로 한 확장 가능한 고대역폭 네트워크가 필요하다고 판단한 BMW는 브로드컴과 협력해 브로드-리치라는 맞춤형 이더넷 기술을 개발했다. 이 새로운 이더넷 PHY 솔루션은 자동차 EMC 요건을 충족했으며 하나의 트위스트 페어를 사용하기 때문에 무게가 감소하는 이점이 있다.
초기 BMW와 브로드컴의 협력으로 브로드-리치 기술을 채택하고 촉진하는 벤더와 파트너들로 이루어진 생태계 OPEN 얼라이언스가 구성됐으며, 현재 자동차 분야를 위한 이더넷 PHY 솔루션을 추가로 개발하기 위한 노력을 기울이고 있다. 자동차 산업의 특정 요건에 맞게 채택된 이더넷 솔루션의 필요성이 날로 커지고 있다는 점을 인식한 IEEE는 BroadR-Reach에 기반해 BroadR-Reach와 상호 운용할 수 있는 802.3bw-2015 이더넷 표준(100Base-T1)을 발표했다.

브로드-리치는 100Base-T와 1000Base-T 프로토콜에서 우수한 요소만 채택해 만들어진 것으로, 자동차 분야에 적합한 특성에 집중한 것이 강점이다. 브로드-리치는 데이터 전송 속도를 125MHz에서 66.67MHz로 줄여 품질이 낮은(따라서 비용이 더 저렴한) 케이블을 사용해도 되며 엄격한 자동차 신호 무결성 요건까지 충족할 수 있다.

OPEN과 IEEE는 하나의 트위스트 페어에서의 1Gbps를 위한 새로운 표준, 1000Base-T1, 시간 동기화(IEEE 802.1AS), 타임 트리거 이더넷(IEEE 802.3br) 등 확정적 이더넷 기능의 통합까지 다양한 오토모티브 이더넷 개발 활동에서 협력을 이어가고 있다.

초기에는 진단 테스트와 펌웨어 업데이트로 제한됐던 오토모티브 이더넷이 성장을 거듭하면서 현재 차량 내부에서의 사용이 확대됐으며, 진단·펌웨어 업데이트와 같은 주변 기능으로부터 차량내 백본 네트워크로 진화했다.

첨단 자동차 시스템의 테스트

오토모티브 이더넷을 사용한 시스템의 성공적인 구현을 위해서는 적절한 테스트 솔루션이 지원하는 종합적인 테스트 계획이 필요하다. [그림 2]는 전체 오토모티브 이더넷 스택을 보여주고 있다.

[그림 3]처럼 물리 계층에서 적합성을 검증하기 위해 송신기, 수신기(이더넷 PHY에 통합), 와이어 하네스, 그리고 모든 커넥터를 포함하는 링크 자체까지 세 지점을 반드시 테스트해야 한다.

[그림 3] 물리 링크 (출처: https://www.eeworldonline.com/an-inside-look-at-the-automotive-ethernet-protocol)

각 지점은 테스트 솔루션을 사용해 테스트 복잡성과 테스트 시간을 최소화할 수 있다. 또한 적합성 테스트의 자동 구성과 사전 패키지 설정이 가능한 트랜스시버 테스트 솔루션도 제공한다. 최신 테스트 장비는 테스트 중인 디바이스와의 연결과 인쇄 가능한 pass/fail HTML 보고서를 보여주는 그래픽 출력 디스플레이도 제공한다.

링크 레벨에서의 완벽한 테스트는 케이블 연속성과 커넥터 무결성을 확인하며 전체 통신 채널의 크로스토크 레벨도 검증해야 한다. 더 높은 수준의 스택에서는 테스트 솔루션이 시간 동기화(IEEE 802.1AS), 오디오 비디오 브리징 전송(802.1 Qav), 예약된 트래픽 전송(IEEE 802.1 Qbv)과 같은 기능을 비롯해 자동차 TCP/IP 스택도 검증해야 한다.

결론

최신 자동차에는 운전자의 안전과 편의성을 높이기 위한 전자부품이 탑재되고, 자율주행 기술과 커넥티드카 시스템이 계속 발전하면서, 오토모티브 이더넷이 차량 내 네트워킹 과제의 열쇠가 되고 있다. 오토모티브 이더넷은 차량 내 전자 시스템에 요구되는 높은 데이터 전송 속도, 대역폭, EMI 요건을 충족하지만 테스트와 구현 과제가 새롭게 대두된다.

시스템 또는 서브 시스템에 대한 빠른 진단과 품질에 대한 확신을 위해서는 오토모티브 이더넷 스택의 각 계층에서 효과적인 테스트가 필수적이다. 키사이트는 시스템 설계자, 개발자, 통합자에게 다양하고 혁신적인 테스트 솔루션과 지원을 제공한다. 제품으로는 키사이트 AE6900T 오토모티브 이더넷 Tx 컴플라이언스 솔루션과 키사이트 E6962A 오토모티브 이더넷 Rx 컴플라이언스 솔루션이 있다. 이런 소프트웨어 솔루션은 브로드-리치, IEEE 100BASE-T1, IEEE1000BASE-T1, OPEN 얼라이언스 ECU와 같은 4가지 오토모티브 이더넷 표준을 테스트하는 데 필요한 폭넓은 이더넷 컴플라이언스 소프트웨어를 제공한다.

글: 프레드 웨일러 키사이트 솔루션 마케팅 수석 이사

(Fred Weiller, Senior Director of Solutions Marketing)

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