정광인스텍

"자동차 이더넷"은 자동차 산업에서 필요한 요구사항을 충족하도록 정의된 차량용 이더넷 인터페이스를 사용하는 이더넷 그룹을 말합니다. 최조의 자동차 이더넷 표준은 BroadR-Reach라는 이름으로 2011년 Broadcom에서 정의되었습니다. 그 후, IEEE에서는 100BASE-T1, 1000BASE-T1, 10BASE-T1을 정의하여 발표했으며, 가장 최근에는 MultiGBase-T1 표준을 발표했습니다. 이들 모두를 일반적으로 자동차 이더넷이라고 알려진 자동차 이더넷 표준이라고 합니다.


 

아마도 첫 번째 궁금한것이 "왜 일반 표준 이더넷을 사용하지 않느냐?"라는 것이겠죠. 자동차 이더넷의 기본 특징의 간략한 개요에서는 자동차 이더넷이 일반 표준 이더넷에 비해 데이터 인터페이스면에 자동차 산업의 요구하고 있는 고속, 내구성, 가벼움 및 저 비용을 어떻게 만족시키고 있는지, 자동차 이더넷이 기존에 자동차 전반에 사용하고 있는 다른 프로토콜들을 어떻게 대체할 수 있는 지에 대해서 알아보겠습니다.

T1 케이블링

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표준 이더넷은 동작 온도가 약 -40°C ~ 125°C, 충격 및 최대 4G 가속도가 발생하는 진동 등의 가혹한 자동차 환경에 맞도록 설계되지 않았습니다. 또한 자동차 업계에서 필요로하는 EMI/EMC 조건에도 만족하지 못합니다. 일반 이더넷 표준에서 요구하는 최대 100m 통신도 자동차에는 필요하지 않으며, 4 개의 트위스트 패어 CAT 5 이더넷 케이블은 아마도 무게와 비용면에서 적합하다고 할 수 없습니다.

자동차 이더넷 시스템은 모두 단일 트위스트 패어를 기반으로 합니다. 프로토콜 이름의 T1은 트위스트된 단일 연선을 의미하며, 차폐되지 않을 수 있습니다. 커넥터의 타입은 정의되지 않았기 때문에 설계에 RJ45 커넥터를 사용해도 문제가 되지 않습니다. BroadCom은 T1 시스템이 차량 케이블 무게를 약 30%, 연결에 필요한 비용을 약 80% 이상 줄일 수 있는 것으로 추정하고 있습니다.

전이중 데이터 통신

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데이터 통신 시스템은 전이중 또는 반이중 방식 모두 가능합니다ㅏ. 전이 중 시스템은 양방향 통신인 반면, 반이중 시스템은 한번에 한쪽 방향으로만 통신할 수 있습니다. 예를들어, 전화는 전이중 시스템입니다. 휴대용 무전기는 반이중 장치라고 할 수 있습니다.



 

표준 이더넷 시스템의 경우도 마찬가지로 반이중 또는 전이중 방식을 모두 사용합니다(그림 2), 반이중 시스템은 업스트림과 다운스트림 레인을 사용하여 서로 다른 쌍의 와이어를 통해 데이터를 전송하는 방식을 사용하여 전체 링크를 형성하고 있는 것이 특징입니다. 자동차 이더넷 시스템은 일반적으로 단일 T1 케이블을 통해 데이터를 주고 받는 전이중 방식이므로 필요한 케이블의 양과 무게 및 비용을 줄이는 동시에 대기 시간을 제거함으로써 속도를 높입니다.

하나의 레인을 통해 양방향 통신이 이루어지므로, 시스템 디버깅에서 발생할 수 있는 한 가지 문제점은 양방향 트래픽을 분리하는 것으로, 이 동작은 오실로스코프 단독으로 수행할 수 없습니다. 텔레다인르크로이의 자동차 이더넷 툴킷, 디코더 및 컴플라이언스 테스트 패키지에서는 TF-AUTO-ENET 브레이크 아웃 픽스쳐와 SMA 보드를 사용하여 양방향 트래픽을 자동으로 분리합니다.

Point-to-Point 네트워크 토폴로지

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표준 이더넷 시스템은 주소를 지정하여 네크워크 상의 다른 노드로 패킷을 전송합니다. 주소 방식의 사용은 패킷 구조를 복잡하게하고 데이터 처리량을 줄이고 에러 발생 가능성을 높입니다.

자동차 이더넷 시스템은 두 개의 노드가 하나의 T1 케이블을 통해 직접 연결되는 point-to-point(점대점) 토폴로지를 일반적으로 사용합니다.하나의 노드는 "Master(마스터)"로 지정되며, 다른 하나는 "Slave(슬레이브)"로 동작하여 마스터의 명령에 따라 연결된 케이블을 통해 응답하며, 마스터는 슬레이브에게 명령과 쿼리를 보냅니다.
10Base-T1S 시스템은 여러 노드가 교대로 통신하는 CAN과 유사한 버스형 토폴로지인 Multidrop을 옵션으로 사용할 수 있습니다. 그래도 point-to-point 토폴로지는 반드시 지원해야 합니다. 멀티드롭은 한 번에 하나의 장치만 데이터를 전송할 수 있는 구조기때문에 본질적으로 반이중 방식이라고 할 수 있습니다.

Multi-level Data Encoding

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최근의 차량에서 사용되고 있는 데이터양의 증가와 복잡성을 지원하려면 더 빠른 속도의 데이터 통신이 필요합니다. 이런 요구사항은 특히 운전자 보조시스템과 자율 주행 시스템 분야에서 그렇습니다. 자동차 이더넷 프로토콜은 차량에 오래전부터 사용되어 오던 CAN, LIN, FlexRay, Most와 같은 프로토콜보다 몇 배 더 빠른 데이터 전송속도를 제공합니다. MOST의 경우 150Mb/s이지만 MultiGBase-T1의 경우 최대 10Gb/s의 전송속도를 제공합니다.

10BASE-T1S 인터페이스에서는 차동 맨체스터 인코딩 방식을 사용합니다. 클럭 정보를 데이터에 임베디드하여 전송하고 High와 Low를 유지하는 시간이 같기때문에 DC 베이스 라인의 흔들림이 매우 낮습니다(그림 3). Low에서 high로 변화하는 에지는 "로직 1" 그리고 High에서 low로 변화하는 에지는 "로직 0"을 나타냅니다. 임베디드 클럭 및 데이터는 자동차 분야와 같은 노이즈가 많은 환경에서도 쉽게 복구할 수 있습니다.



자동차 이더넷의 속도 향상은 모두 일종의 멀티 레벨 PAM(Pulse Amplitude Modulation, 펄스 진폭 변조) 방식을 사용하여 데이터를 인코딩합니다. 100Base-T1 및 1000Base-T1은 PAM3 변조방식을 사용합니다(그림 4). 주어진 단위 비트 시간에 PAM3 신호는 +1, 0 또는 -1의 세가지 상태중 하나의 레벨을 갖습니다. 수신된 신호가 그림 4에서 점선으로 표시하고 있는 쓰레숄드 레벨을 넘으면 해당 레벨이 감지됩니다. 3 개의 비트 그룹 (ex. 010 > >-11, 110 >> 1-1, 001>> 01) 이 의미있는 -1,0,+1 값을 표시합니다. PAM3 신호는 클럭 한주기 당 1.5비트를 전송하고 두 개의 레벨을 사용하는 전송 방식(예, NRZ, 맨체스터) 에 비해 데이터 전송량을 높입니다. 그래서 심볼 속도(baud rate)는 낮습니다. 이로 인해 시간당 변하는 트랜지션이 줄어들기 때문에 EMI도 낮아지게되어 자동차 애플리케이션에서의 또하나의 장점이라고 할 수 있습니다.



MultiGBase-T1은 4 가지의 논리 레벨을 가진 PAM4 신호를 사용하므로 처리량이 더 높아지지만 노이즈에 대한 허용값은 낮아집니다.

그림 5에서는 여러 가지 자동차 이더넷 기술의 특징을 요약한 표입니다. 이어지는 기사에서는 자동차 이더넷 변화에서의 차이점을 기술하고 각각이 특정 자동차 애플리케이션에 어떻게 적용되는 지 설명합니다. 하지만, 자동차 이더넷의 가장 큰 장점은 물리계층의 차이가 있더라도 상위레벨에서는 모든 자동차 이더넷이 개발자들에게 잘 알려진 이더넷이라는 것입니다. 자동차 이더넷 코드는 일관된 메시지 구조를 통해 새로운 자동차 이더넷 프로토콜 및 새로운 애플리케이션에 쉽고 저렴하게 적용할 수 있습니다.