A²B와 이더넷, 차량용 애플리케이션에 어떤 것을, 언제, 어떻게 사용해야 할까?

자동차에 사용되는 전자 시스템의 수가 점점 더 늘어나고 있다. 인포테인먼트와 ADAS에 카메라, 레이더, 라이다(LiDAR) 같은 기술들이 도입되는가 하면 안정성, 속도, 가속도 등 다양한 용도의 센서들이 사용되면서 자동차의 설계 복잡성이 계속해서 높아지고 있다.
 

이러한 기능들에 사용되는 통신은 고대역폭 기술과 저대역폭 기술로 크게 구분할 수 있다. 일반적으로 센서들은 낮은 대역폭을 필요로 하는데, 자동차에 널리 사용되는 가속도계의 경우 출력 데이터 레이트(output data rate, ODR)가 수 kHz 대이다. 그러나 인포테인먼트의 경우 오디오 및 비디오 데이터는 수 Mbps 대의 데이터 레이트를 필요로 한다.

ADAS를 개선하기 위해 주차 지원을 위한 HD 멀티카메라 시스템, 360도 비전 시스템(버드 아이 뷰 또는 서라운드 뷰 모니터링 시스템), 레이더(RF 마이크로파), 라이다(광학)와 같은 기술들이 도입되면서 데이터 레이트 향상에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 자율 주행 자동차 개발에서는 이 모든 시스템들의 공존이 중요하지만, 이것이 통신 버스에 큰 도전으로 나타나고 있다.

자동차에 사용되고 있는 기존 통신 버스들은 다음과 같다:

- LIN(local interconnect network): 최대 20kbps의 속도로, 저렴한 비용을 중요시하고 속도와 대역폭 비는 그다지 중요하지 않은 서브시스템에 주로 사용된다.

- CAN(controlled area network): 최대 1Mbps의 전송 속도로, 스타트/스톱 시스템, 주차 보조 시스템, 전자식 주차 브레이크 등에서 전자 제어 유닛(ECU)과 센서 간 통신에 주로 사용된다.

- 플렉스레이(FlexRay): CAN보다 속도가 더 빠르고(최대 10Mbps) 가격이 더 비싸다. x-by-wire(drive-by-wire, steer-by-wire) 시스템을 위해 처음 도입되었고, 다양한 네트워크 토폴로지를 수용할 수 있도록 설계되었다.

- MOST(media oriented systems transport): 최대 150Mbps의 속도로 오디오, 비디오, 음성, 데이터 신호를 전송하기 위해 설계되었다. 물리 층에서 애플리케이션 층까지 ISO/OSI 모델의 7개 층을 모두 정의하고 있다. MOST는 독자적인 솔루션이다.

네트워크 기술의 발전에 따라 다른 측면도 중요해지고 있다. 서로 다른 서브시스템에서 사용되는 각 버스들은 복잡하고 비싼 케이블을 포함하고 있다. 하지만 새로운 환경 규제를 충족하기 위해, 예를 들면 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 신규 시스템 개발이 필요한 상황에서, 이제 차량용 애플리케이션에서 크기와 무게를 줄이는 것이 새로운 도전 과제로 부상하고 있다. 이와 같은 상황에서 높은 대역폭, 낮은 지연 시간, 일관성, 견고함, 저렴한 비용 등의 요구 사항을 모두 충족하는 통신 버스 솔루션을 찾기가 쉽지 않다.

A²B(Automotive Audio Bus)

차량 오디오 시스템은 차량의 총 케이블 무게에서 상당한 부분을 차지한다. 이는 각 오디오 소스 및 싱크(스피커)에 비싼 차폐 케이블이 필요하기 때문이다. 또한, 능동 소음 제거(active noise cancellation, ANC) 및 노면 소음 제거(road noise cancellation, RNC) 시스템이 차량 내부에 여러 개의 마이크를 필요로 하여 오디오 네트워크에 추가적인 입력이 요구된다. 그림 1은 기존의 차량용 오디오 시스템 케이블 연결을 보여준다.

A²B®(Automotive Audio Bus)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 혁신적 기술로, 하나의 마스터에 최대 10개의 슬레이브를 데이지 체인으로 연결하는 인라인 토폴로지를 구현할 수 있다. 50Mbps의 속도를 지원하며, 오디오 애플리케이션에 최적화되어 있다. 비차폐 연선(UTP)을 사용해 연결을 간소화하고, 그로 인해 하네스의 총 무게를 최대 75%까지 줄일 수 있다. 노드 간 거리는 최대 15미터이며, 네트워크 최대 길이는 40미터이다. 동일한 UTP를 통해 최대 300mA까지 전원을(팬텀 전원 구성) 공급할 수 있어 디지털 마이크에 이상적이다.

마스터가 제공하는 전원 예산이 충분하지 않은 경우, 슬레이브 노드로 로컬 전원을 공급할 수 있다. 이 버스는 마스터-슬레이브 및 슬레이브-슬레이브 통신이 양방향으로 가능하며, 최대 32개 채널을 지원한다(12비트, 16비트, 24비트). 2사이클 지연시간을 보장하여, ANC/RNC와 같이 지연 시간에 민감한 애플리케이션에 안정된 균일성을 제공한다. I ²C 메시지를 전송할 수 있어, 슬레이브 노드에 원격으로 ADC/DAC를 구성할 수 있다.

아나로그디바이스의 SigmaStudio®를 사용하면 A²B 네트워크 구성 작업을 더욱 간편하게 할 수 있다. SigmaStudio®는 ADI의 SigmaDSP® 및 SHARC® DSP 제품군을 지원하는 GUI 기반 설계 환경이다. AD2428, AD2427, AD2426과 같은 A²B 트랜시버 제품은 I²S 및 PDM 인터페이스를 제공한다. 일반적으로 I²S 인터페이스는 ADC와 DAC 연결에 사용되며, 디지털 마이크 연결에는 PDM을 사용한다.

차량용 애플리케이션에서 중요한 고려사항 중 하나는 전자기 적합성(electromagnetic compatibility, EMC)이다. A²B는 오직 2와이어 UTP 케이블을 사용하여 매우 엄격한 차량용 EMC 및 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI) 적합성 테스트를 통과했다. 아날로그 부품 사용은 비용적인 측면에서 불리할 수 있다. 추가적인 회로(ADC), 배선, 커넥터가 필요하기 때문이다. A²B는 오디오 소스와 센서에 대한 혁신적인접근법으로 이러한 아키텍처를 간소화한다.

차량에 활용되는 이더넷

이더넷은 광범위한 사용이 가능한 네트워킹 기술로, 대규모 에코시스템을 구축하고 있다. 그러나 현재 차량용 분야에서는 진단, 차내 인포테인먼트 시스템, 센서 연결 등 일부 애플리케이션에만 제한적으로 사용되고 있다. 이더넷의 차량용 애플리케이션에서의 경쟁자는 속도 측면에서 MOST라고 볼 수 있다.

이더넷은 새로운 기술 도입에 따른 대역폭 요구 증가에 대한 확실한 해결책이 될 가능성이 있지만, 여전히 차량용으로의 도입을 제한하는 몇가지 문제점을 가지고 있다.

100-Base-TX에서 사용되는 전통적인 이더넷 케이블은 2개의 차동 쌍 와이어를 기반으로하며 트랜스포머를 사용해 절연하는데, 차량용 애플리케이션에 사용하기에는 비용이 너무 높다. 또한 Cat-5 케이블은 차량용 EMI 요건을 만족시키지 못하기 때문에, 100-Base-TX 이더넷은 진단과 펌웨어 업데이트 외에는 차내 통신에 적합하지 않다.

V2V(vehicle-to-vehicle) 또는 V2X(vehicle-toeverything) 통신을 위해서는 차내 데이터 전송을 통한 동기화, 트래픽 셰이핑, 고정된 지연 시간을 지원해야 한다.  이더넷은 새로운 프로토콜 스택을 구현하지 않는 한 이러한 지원을 제공하지 못한다.

먼저 물리 계층을 살펴보자.

무게, EMI, 비용 측면의 요구를 충족하기 위해 국제 전기 전자 공학자 협회(IEEE)는 802.3bw라는 새로운 표준을 제정했다. 이 표준은 100-Base-T1로 알려져 있다.
 IEEE 802.3bw는 UTP 케이블을 사용한 100Mbps 표준으로, 양방향이 가능하며 엄격한 차량용 방사 요건을 만족한다. 기본적인 중첩(superposition) 원칙, 특정 인코딩, 스크램블링 기법을 사용하여 EMI를 낮춘다.

전통적인 Cat-5 케이블이 아닌 비차폐 2와이어 케이블을 사용하면 무게와 비용을 절감할 수 있다. PoE(Power overEthernet)와 같은 기술은 동일한 와이어를 공유하여 데이터와 함께 전원을 공급할 수 있지만, 전원 공급을 위해 최소 2개의 와이어 쌍이 필요하므로 와이어 수를 줄이는 목적과 상충된다.

이런 이유로 IEEE는 802.3bu 표준을 제정하게 되었다. 이표준은 PoDL(Power over Data Line)이라고 한다. PoDL은 단일 와이어 쌍을 통해 전원을 공급할 수 있지만, 트랜시버 회로에 약간의 복잡성을 추가한다.

앞서 언급했듯이 차량용 애플리케이션을 지원하기 위해서는 이더넷에서 실시간성을 제공하기 위한 추가적인 소프트웨어가 필요하다. 이를 위해 ISO/OSI 모델의 두 번째 계층을 담당하는 IEEE 802.1에서 개발한 AVB(Audio Video Bridging) 프로토콜을 사용할 수 있다.

AVB는 시간 동기화와 트래픽 셰이핑을 지원하는 소프트웨어이다. 이 기본적인 기능들을 활용하여 이더넷이 오디오와 비디오 콘텐츠를 신뢰성 있게 전송할 수 있게 된다. AVB는 기반이 되어 산업용 및 차량용 시장을 위한 시간 민감형 네트워킹(TSN)이라는 일련의 프로토콜을 정의하게 되었다. TSN을 사용하면 이더넷을 통해 실시간 통신을 지원할 수 있다.

결론적으로, IEEE 802.3bw와 TSN을 결합하는 것은 차량용 실시간 통신을 달성하기 위한 적합한 솔루션이 될 수 있으며, 이로 인해 기존 통신 버스들을 대체할 수 있을 것이다. 게다가 100-Base-T1이 새로운 1000-Base-T1 표준으로 발전하여 1Gbps에 도달하게 되었다. 

그러나 이러한 시스템은 복잡하고, 차량용으로 널리 도입할 수있을 정도로 기술이 충분히 성숙하지 않았다.

가능한 시나리오

차량용 시장에서는 A²B를 오디오 전송을 위해 도입하기 시작했으며, 현재로서는 이더넷이 각기 다른 버스 시스템으로부터 데이터를 직접 전달하는 측면에서 큰 규모의 구현과는 거리가 멀어 보인다.

ANC, 핸즈프리 시스템, 전기차의 소음 생성, 응급 호출(eCall) 시스템과 같은 애플리케이션들은 A²B 기술이 가져오는 단순화의 혜택을 누릴 것이다. 또한 미래에는 디지털 센서에서 직접 A²B로 정보를 전달하는 것이 가능해질 것이며, 이로 인해 RNC 시스템 아키텍처를 단순화할 수 있다.

그러나 A²B는 버스 속도와 관련하여 대역폭 면에서 한계가 있다. 이더넷은 1000-Base-T1이 성숙하게 되면 속도가 1Gbps에 도달할 것이다. 이 정도의 대역폭을 활용하면 센서에서 오디오/비디오 스트림으로 다양한 유형의 데이터를 쉽게 전송할 수 있을 것이다.

자율 주행 기술은 더욱 높은 성능을 요구하여 멀티기가비트 네트워크 연결이 필요하게 될 것이다. 그렇다면 앞으로 몇년 동안의 시나리오를 어떻게 전망할 수 있을까?

A²B는 구현이 쉬운 기술로서, 동일한 UTP를 통해 전원과 데이터를 제공하며 결정적으로 고정된 지연 시간을 지원한다.

이더넷은 현재의 100-Base-T1과 미래의 1000-Base-T1을 활용하여 여러 데이터 버스를 통합할 수 있는 수렴적 기술이 될 것이다. 그러나 전원(PoDL)과 소프트웨어 결정성(TSN)을 추가하기 위해 복잡성이 증가할 것이다.

아마도 오디오 전송과 센서에는 A²B를 사용하고, 카메라,라이다, 레이더 등에는 고속 기가비트 이더넷을 사용하여 백본을 구축하는 혼합 솔루션이 중기적으로 차량용 분야에 가장 적합할 것으로 보인다.