차량용 이더넷 통신 비교( 100Base T1, 1000Base-Tx, 10BASE-T1S)

차량용 이더넷 통신 비교( 100Base T1, 1000Base-Tx, 10BASE-T1S)

1980년대부터 자동차에 ECU가 하나 둘씩 들어가게 되고 현재는 100개가 넘는 ECU가 자동차에 들어갑니다. ECU는 차량회사에서 단순히 ECU를 추가하였지만 UART통신등을 사용하면서 신호선을 감당하기 힘들정도로 많아지고 있죠. 그래서  CAN통신이 등장하여 차량 내부 유선 통신은 CAN이 담당하게 되었습니다.

이후 약 20년간 CAN의 시대가 이어져왔지만 요즘 ADAS와 Infotainment와 같이 차량 성능의 고도화와 사용자의 요구에 따라 더욱 고도의 통신 기술이 필요로 하고 있습니다.

CAN 통신도 역시 케이블이 늘어나면서 한계에 도달하고 이를 해결하기 위해 IT분야에서 사용되던 Ethernet 기술을 차량에도 적용하고 있습니다.

결국 차량 내부통신은 CAN을 사용하면서 안전성을 보장하고 많은 데이터량과 대역폭을 요구하기 위해서 이더넷을 채택하고 있는거죠. 

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하지만, 이러한 이더넷은 CAN의 대체기술로 인식되기 보다는 CAM통신과 상호 공존하면서 차량시스템이 발전해왔습니다. 그러나 앞으로도 이런 형태로 진행되질 아니면 10BASE-T1S와 같은 CAN통신 대체 기술이 적용되지는 기다려봐야 할 것 같습니다.

오늘은 차량용 이더넷 통신의 대해서 자세히 알아보려고 합니다.
 
기존 포스팅에서 CAN, LIN, FlexRay 에 대한 기본 개념 뿐만 아니라 차량용 내부/외부 통신의 개요와 용어에 대해서도 설명하였으나 참고하세요. 

2019.04.08 - [자동차(Automotive)] - CAN FD 자동차 통신 프로토콜의 특징과 동작방법

2019.04.08 - [자동차(Automotive)] - 자동차 통신 방식 FlexRay의 원리와 특징

2019.04.13 - [자동차(Automotive)] - 자동차 통신 방식 LIN의 원리와 통신 방식

우선 차량용 통신에 왜 이더넷이 필요한지를 시스템별로 알아보겠습니다.

1. Zonal Architecture(존알 아키텍쳐)

테슬라가 적용되있는 구조로 요즘 대부분의 자동차 회사들이 EV에 적용하려고 하고 있죠.. 요즘 차량 아키텍처는 초창기 모델로 단순히 ECU가 추가되면 CAN으로 CGW(Central Gate Way)에 연결하는 방식으로 발전하고 있습니다.

ECU가 추가될수록 Line수가 많아 지기 때문에 무게 뿐만 아니라 선이 복잡해지니까요. 이는 매우 비효율 적이기 때문에 점점 Domaing Architecture로 변화가 되고 최종적으로는 Zonal Architecture로 변화하는것이 목표이다.

Zonal Architecture

2. Service Oriented Architecture(SOA)

스마트카, 커넥티드카와 같이 차량도 어플리케이션 영역이 많아지면서 Service에 책임을 져야 하는 상황이 오고 IT분야의 SOA를 채택하고 있습니다.

기존의 CAN만 사용하던 차량에서 이더넷과 함께 고용량의 데이터, 어플리케이션을 사용하면서 서로 다른 환경에서 프로그램이 돌아가는 경우가 많아지고 있습니다. 그래서 특정 하드웨어나 OS에 종속적이지 않은 프로그램이 필요하고 정해진 규칙대로 프로세스를 진행하는 방식을 채택하고 있습니다.
 

SOA

3. Classic AUTOSAR & Addaptive AUTOSAR

CAN과 이더넷의 탄생 배경에 맞춰서 AUTOSAR또한 기존의 통신프로세스에 비해 많은 데이터를 요구하는 개발 플랫폼이 필요했습니다. 이를 해결하기 위해 Addaptive AUTOSAR가 나오게 됩니다. 

4. 10BASE-T1S

기존 아키텍처가 진화함에 따라 이 새로운 아키텍처를 지원하기 위해 에지 센서와 액추에이터에 이르기까지 이더넷 커넥티비티가 필요해지면서 플렉스레이(FlexRay)나 CAN 통신같은 기존의 레거시 커넥티비티 기술은 게이트웨이로 프로토콜 변환을 구현해야 하므로 비용, 복잡성, 지연 시간이 증가되는 문제가 계속 발생하고 있죠.

100BASE-T1 같은 기존의 차량용 이더넷 기술은 에지 커넥티비티 애플리케이션을 이더넷으로 전환하는 데 있어서 시스템 비용 측면에서 불리합니다.

이 기술은 포인트-투-포인트 스위치드 커넥티비티를 사용하기 때문이다. 이러한 이유로 IEEE에서 이 문제에 대한 솔루션을 개발하는 데 관심을 갖게 되면서 야래와 같은 요구사항들을 검토하게 됩니다. 

▶ CAN(FD) 같은 기존 기술보다 빠른 통신
▶ 플렉스레이 같은 기존 차내 네트워킹 기술 대체
▶ 100BASE-T1이 비용이나 에너지 효율 측면에서 적합하지 않은 ECU에서 100BASE-T1을 대체
▶ 단순하면서 중복적인 센서 네트워크 지원

이러한 고민속에서 10BASE-T1S가 출현하게 됩니다. 

▶ 10BASE-T1S에 대한 기술적 이해 

100Base-T1s의 토폴러지

10BASE-T1S는 IEEE 802.3cg 표준의 일부로 개발되었으며, 2020년 2월에 발표되었습니다. 10BASE-T1S는 차량용 이더넷 에코시스템에서 빠져 있는 고리를 채우는 것으로서, 진정한 이더넷-대-에지 커넥티비티를 가능하게 하고 존 아키텍처의 필요를 충족하도록 설계되었습니다.

10BASE-T1S가 다른 차량용 이더넷 기술과 차별화되는 점은 멀티드롭 토폴로지를 지원하고 모든 노드들을 동일한 비차폐 연선 케이블을 통해서 연결할 수 있습니다.

이러한 버스 구현은 서로 노드에서 단일 이더넷 PHY만을 필요로 하므로 BOM을 줄일 수 있으며, 다른 이더넷 기술처럼 스위치나 성형 토폴로지 구현을 필요로 하지 않습니다. 이 표준은 최소 8개 노드를 지원하도록 정의하고 있으며(그보다 더 많은 수 가능), 가능한 버스 길이는 최대 25미터입니다.

이 표준의 또 다른 특징은 물리층 충돌 회피(PLCA) 기능입니다. 용어에서 알 수 있듯이, 이 기능은 공유 네트워크 상에서 충돌을 피하도록 합니다.

이를 위해 네트워크 상의 노드 수와 전송하고자 하는 데이터 양에 따라서 확정적인 최대 지연시간을 확보한다. 각 노드마다 전송할 기회가 부여됩니다. 만약 어떤 노드가 전송할 데이터가 없으면 전송 기회를 다음 노드에게 넘기게 됩니다. 그럼으로써 사용 가능한 10Mbps의 최대한 활용할 수 있게 됩니다.

▶ 전원공급으로 케이블 축소
10BASE-T1S 네트워크를 통해서 전력을 전송할 수도 있습니다. POE와 같은 개념이죠. 이것은 이 표준이 AC 결합 시스템이기 때문입니다.

그래서 케이블을 추가적으로 더 줄이고, 커넥터 크기를 줄일 수 있습니다. 이는 결국 신뢰성향상으로 이어집니다. 멀티드롭 토폴로지를 지원하기 위한 IEEE 표준 개정의 일환으로서 PoDL(power over data lines)을 표준화하는 작업이 진행되고 있습니다.. PoDL은 이미 포인트-투-포인트 구현으로 사용 가능하다.

10BASE-T1S는 여러 센서 및 액추에이터와 함께 차체 도메인, 편의성, 인포테인먼트, ADAS 같은 자동차의 다양한 애플리케이션에 활용될 수 있습니다.

5. 차량용 이더넷의 문제점

3-1. 부품 에코시스템 부족
가장 큰 문제점은 아직 차량용 이더넷을 연결할 수 있는 부품들이 적어요. 대부분의 부품들은 아직 CAN을 기반으로 만들어져 있고 이것이 이더넷보다 훨씬 저렴하게 구성을 할 수 있으니까요. 그래서 Zonal 시스템에 적용하기 위해서 중간에 Domain Controller등을 사용하고 있고 우회적인 방법등을 사용하고 있습니다.

아직은 전 부품이나 시스템이 이더넷으로 넘어가기가 어렵죠.

3-2 케이블 가격 
CAN통신으로 인한 케이블 부담을 줄이고 싶어하지만 아직은 이더넷 케이블 가격이 비싸고 숫자역시 크게 줄어들지 않고 있습니다. 향후 케이블 숫자를 줄이거나 단가를 낮출 수 있는 시도들이 계속 될 것입니다.