자동차 네트워크를 위한 POF 백본 및 카메라 링크 이더넷

인포테인먼트 네트워크 및 ADAS에 대한 요구가 증가함에 따라, 새로운 백본 토폴로지로의 전환에 대한 필요성이 커지고 있다. 이더넷의 장점과 KDPOF 1Gbps POF ASSP의 혜택, 아바고(Avago)의 광 트랜시버, 그리고 Yazaki Small Form Factor 광 커넥터 결합 등으로 인해 자동차 네트워크의 요건 변화를 충족시킬 수 있는 확장성과 유연성을 가진 솔루션이 제공되고 있다.

ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)의 확산과 함께 자동차 인포테인먼트(인포메이션＋엔터테인먼트) 기기가 기하급수적으로 성장함에 따라 자동차 내 기기의 효율적인 연결 방법에 대한 요구가 증가하고 있다. 다른 기술보다 장점을 많이 갖고 있는 이더넷은 자동차 네트워크를 위한 이상적인 기술이라고 할 수 있다.
자동차 공간 내의 유력 전송 매체인 플라스틱 광섬유(POF : Plastic Optical Fiber)는 현재 기가비트의 능력을 제공함에 따라 미래 이더넷 자동차 네트워크 백본뿐만 아니라, 카메라 애플리케이션 등에 필요한 P2P 링크의 완벽한 솔루션이 되고 있다.

이더넷 자동차 네트워크

자동차는 가정 커뮤니케이션의 범주를 모두 수용하고 있다. 인포테인먼트 시스템은 주변 기기 및 다른 자동차의 연결성을 갖춘 미디어로서, 최근 신차에서는 이미 기본적인 장비가 되었으며 웹 및 자동차 인프라는 자동차 장비의 실질적인 표준으로 자리잡았다.
마찬가지로, 운전자 지원이 자동차 안전을 위한 “영순위”가 됨에 따라 -자동차와 인프라가 운전자의 오류 및 고의적 실수에도 불구하고 이러한 목표를 달성하도록 설계됨으로써 교통사고 사망 근절- ADAS는 다른 수동 및 능동 시스템과 함께 표준 자동차 장비의 일부로 인식되고 있다.
이렇듯 다양한 기능의 인포테인먼트 및 운전자 지원 시스템으로 인해 통신 대역폭에 대한 요구가 급격히 증가할 것이며 자동차 네트워크의 복잡성 또한 늘어날 것이다.
복잡한 자동차 네트워크는 신뢰성 및 유지보수성에 영향을 미치므로, 인포테인먼트 및 운전자 지원 시스템이 증가하는 현상은 자동차 도메인 사이에서 통신을 제공하지 않는 오늘날의 P2P 링크 또는 링 토폴로지를 넘어서는 새로운 네트워킹 솔루션을 요구하게 되었다.


1. 확장성 및 유연성을 제공하는 이더넷
지난 30년 동안 E/E 아키텍처를 주도해 온 통신 프로토콜 CAN(Controller Area Network) 버스는 미래의 자동차에 필요한 아키텍처들을 충족시킬 수 없게 되었다. 그러나 이더넷은 차세대 차량 내 네트워킹 아키텍처를 위한 확장성 및 유연성을 제공한다. 대부분의 자동차 OEM들에게 핵심적인 특징인 확장성은 여러 대의 자동차 라인에서도 단일 플랫폼 방식을 사용할 수 있도록 한다. 이 확장성은 각 차량에 맞게 맞춤식이 가능한 네트워크 기술을 사용하여 지원된다.
유연성 또한 자동차 OEM 업체들이 사용자에게 네트워크를 변경하지 않고 다양한 자동차 맞춤식 설계를 가능하게 하는 중요한 특징이다. 네트워크 구성은 자동차에 탑재되는 특정 보조장치 세트에 적응되므로, 자동차 제조업체들은 각 모델 버전에 대해 별도의 네트워크를 설정할 필요가 없다.

2. 하위 및 상위 통신 레이어를 위한 이더넷
대부분의 전세계 자동차 OEM 업체들이 채택할 예정인 ISO 13400(DoIP : Diagnostic Communi-cation over Internet Protocol)에 규정된 바와 같이, 이더넷은 표준화된 IP 진단 인터페이스에 하위 통신 레이어로 사용될 수 있다.
이 인터페이스는 인터넷을 위해 사용되는 동일 IP 프로토콜에 자동차 주변의 시스템 진단 장치를 단순화시킨다. 하위 레이어 기술인 이더넷이 IP와 원활하게 인터페이싱함에 따라 이더넷은 인터넷-연결 네트워크로 확산되고 있다.
이더넷은 또한 다른 상위 레이어 프로토콜과의 연속적인(Seamless) 연결을 가능케 한다. 예를 들어, 오디어 및 비디오 동기화 또는 적시적 정보의 보안 전송을 용이하게 한다.
자동차 주변의 다양한 화면 및 스피커에 대해 비디오 및 오디오가 동기화될 수 있도록 하기 위해서는 인포테인먼트 네트워크, 오디오 및 비디오 동기화(AVB 프로토콜 스택, IEEE 802.1 Qav, 802.1 AS, 1722)가 필요하다.
이와 같이 정보가 안전 애플리케이션의 요건대로 지연 없이 목적지에 도달할 수 있도록 하려면 Precision Timing Protocol Stacks(IEEE 1588v2 and 1722)에 의해 제공되는 적시적 정보가 매우 중요하다.

3. 계층 아키텍처를 위한 이더넷 백본
주요 자동차 업체들은 자동차 내 다른 기능 도메인을 분리하는 것이 좋다는 의견에 동의한다. 이러한 새로운 패러다임에서 자동차는 함께 작동하며 정보를 공유하는 많은 다른 도메인을 포함하게 된다. 도메인의 예로는 파워트레인, 차체, 변속기, 안전 시스템 등이 있다.
각 도메인에서 사용되는 연결성의 유형은 수행되는 기능 및 도메인의 요건에 기반을 두게 된다. 전형적인 인트라 도메인 네트워크는 FlexRay, MOST, 이더넷(BroadRReach에 기초한 1세대), CAN 또는 LIN에 기반을 둔다.
계층 아키텍처의 새로운 요건을 충족시키려면, 전체 도메인과 신뢰성 있게 통신하기 위해 브로드밴드 네트워크가 필요하다. 이더넷은 오늘날 최선의 선택으로 보이지만, 기가비트 속도에 가장 적합한 물리적 레이어는 여전히 논의 중이다.
POF에 기초한 하나의 물리적 PHY는 1Gbps의 필요 대역폭을 제공하는데, 이는 현재 및 차세대 시스템의 모든 요건을 충족하는 동시에 저비용, 중량이라는 장점도 제공한다.
중앙집중식 아키텍처는 그림 1과 같다. 이 아키텍처에서 단일 CGW(Central Gateway)는 CAN 연결(굵은 실선), LIN 연결(가는 실선), FlexRay 연결(굵은 점선), MOST 연결(가는 점선)을 제공한다.
분산 백본 아키텍처에서 차량 서브시스템은 CAN 또는 이더넷 등 단일 네트워크 기술 또는 복합 기술을 가질 수 있는 도메인으로 그룹화된다.
이 새로운 도메인 기반 아키텍처를 이용하면 전체 DCU(Domain Control Units)를 연결하는 백본과 각 도메인의 타 도메인 간 스위칭이 필요하게 된다. 다양한 백본 아키텍처가 있지만 그 중 가장 유력한 것은 선택적 중복 경로를 갖는 데이지 체인 백본이다(그림 2).
단일 백본이 전체 도메인을 연결함에 따라 그 크기는 각 도메인 사이에서 이동되는 데이터를 수용해야 한다.
향후 전망에 따르면, 자동차 내의 현재 기존 도메인과 함께 전체 ADAS 및 인포테인먼트 시스템의 데이터 요건을 충족시키기 위해서는 1Gbps의 백본이 필요하다.


자동차 환경 고유의 세 가지 과제

자동차 네트워크에 사용되는 네트워크 기술의 물리적 레이어는 큰 비용을 들이지 않고 자동차 환경의 고유 요건을 충족시켜야 한다.
시스템의 최종 비용은 성능 자체뿐만 아니라 자동차 환경 조건 내 성능에 의존하므로 대부분 최종 비용이 증가한다. 자동차 네트워크의 해결과제는 다음과 같다.




1. 진동
네트워크 기술은 연속적인 이동으로 인한 자동차 고유의 진동을 견딜 수 있어야 한다. 진동은 모든 기계적 부품에 영향을 주며, 특히 케이블 및 커넥터에 상당한 제한을 부과하는 동시에 전기 연결부에 손상을 준다.

2. 온도
네트워크의 위치에 따라 각 자동차 도메인에 대해 다른 온도 범위가 지정된다. 대부분의 자동차 도메인을 위한 최대 온도는 105℃이다.

3. 중량
네트워크를 위해 사용되는 미디어의 중량은 연료 소비와 비용 및 관련 이산화탄소 배출에 직접적인 영향을 주는, 매우 중요한 고려 사항이다.

4. 비용 예측성
구리에 기초한 물리적 레이어는 지난 수 십 년 동안 구리 가격이 크게 증가함에 따라 가격 선정이 불가능해졌다. 비용 예측이 불가능하다는 점은 구리 기반 솔루션에 영향을 미치는 부정적인 요소이다.

5. 전자기 적합성(EMC)
전자기 방출 및 민감성은 자동차 네트워크에서 중요한 과제이다. 물리적 레이어에 사용되는 구리 등 전기 기반 통신은 특히 EMI(Electromagnetic Interference)에 민감하다.

6. 길이
자동차 네트워크의 일반적인 길이는 약 5m이지만 일부 네트워크는 15m에 달한다. 자동차 네트워크에 사용되는 모든 통신 기술은 충분한 신호-잡음비 여유를 갖고 이러한 길이를 커버해야 한다.

자동차 네트워크를 위한 POF 백본

POF는 자동차 네트워크에서 이상적인 백본이다. 광 미디어인 POF는 EMI, 중량 및 비용 예측성 등 전기 기반 물리적 레이어의 전형적인 제한을 갖고 있지 않다.
실리카 섬유에 기반을 둔 다른 광 솔루션과 비교했을 때, MOST 및 FlexRay 프로토콜로 인해 자동차 시장에 널리 알려진 POF는 처리가 훨씬 용이하며 설치 및 유지 비용도 적다. VDE 및 ETSI에 의해 규정된 KDPOF 기술 덕분에, POF는 엄격한 자동차 표준에 요구되는 1Gbps 성능을 확보하기 위한 현재의 광전자 장치 한계를 극복할 수 있다. 자동차 환경 고유의 해결 과제를 충족하는 데 있어서 POF는 구리 기반 솔루션, 심지어 실리카 섬유에 비해 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

1. 진동
POF는 전기 콘택트를 사용하지 않는 광학 기술이므로 진동에 의한 전기 노이즈가 발생하지 않는다. POF의 큰 코어 직경(1mm) 또한 진동에 의한 잡음으로부터 보호한다.

2. 온도
POF는 구리 또는 실리카 섬유에 비해 온도에 더 민감한 폴리머 재료이다. 그러나, 자동차 환경에서 가장 일반적인 고온 범위(105℃)를 위한 POF 솔루션은, POF를 전체 자동차 도메인에 사용할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 또한, 광 트랜시버는 현재 온도 상한 범위가 95℃이지만 기가비트 POF 링크를 위한 아바고의 최신 트랜시버는 최대 105℃의 온도를 목표로 한다.

3. 중량
POF는 구리보다 훨씬 가벼워 UTP 클래스 5의 동 케이블 대비 1/6 수준이다. 따라서 자동차에 필요한 전체 통신 배선망을 고려했을 때, 구리보다 중량이 크게 줄어든다.

4. 비용 예측성
폴리머는 상품 시장가의 급변동에 영향을 받지 않는 재료이다. 그러나, 구리는 급격한 가격 변동이 발생하여 지난 10년 동안 가격이 네 배 이상 상승했다. 그림 3에 나타난 바와 같이 구리는 2002년에 파운드당 1달러 이상에 거래됐으며, 2012년에는 파운드당 약 4달러에 판매됐다.

5. EMC
시스템 설계자는 전기 노이즈에 강하여 잡음 여유가 크고, 보다 간단한 시스템 솔루션이 가능한 POF 등의 광 솔루션을 선호한다. 시스템 시험은 개발비 저감 및 출시기간 단축으로 간단해진다.

6. 길이
기가 비트 POF 기술은 전형적인 자동차 15m의 목표를 40m로 확장할 수 있고 인라인 커넥터의 조합이 가능하므로, 보다 짧은 자동차 목표의 까다로운 잡음 여유를 유지하면서 버스 및 트럭에 새로운 적용 가능성을 제공한다.

저속 링크를 위한 POF

POF 기술은 최대 1Gbps의 대역폭을 지원하지만 기존의 100Mbps 시스템과도 함께 사용할 수 있다. POF는 기가비트 백본을 요구하는 미래 자동차 네트워크 애플리케이션의 니즈를 충족시킬 뿐만 아니라 현재의 자동차 내 저속 통신 버스에도 이상적이다.



저속 애플리케이션에서 중요한 POF의 예는 하이브리드 및 전기 파워트레인, 그리고 버스와 트럭이다. 환경 요건에서 EMC를 중요시함에 따라 하이브리드 또는 전기 파워트레인은 POF 등의 전기적 내성이 요구되는 솔루션에 이상적인 환경이다. 이러한 환경에서 대형 배터리를 사용하는 것은 중량에 큰 영향을 미치며, POF의 가벼운 중량은 다른 기술에 비해 장점을 제공한다.
크기가 큰 버스 및 트럭의 경우, 저속 POF 기반 솔루션은 네트워크의 범위를 40m∼100m로 확장하므로 이 분야에서 새로운 애플리케이션의 가능성을 제공한다.

카메라 애플리케이션을 위한 이더넷

오늘날 안전 관련 이미징 애플리케이션이 차량의 표준으로 됨에 따라, 현재 자동차 내부의 카메라가 증가하는 추세이다.
컨설팅 기업인 TSR에 따르면, CMOS 센서를 사용하는 내장 차량 카메라는 2008년 약 20%에서 2013년 70% 이상으로 증가했다. 특히 운전자, 보행자 등 취약한 상태의 도로 이용자를 포함하여 다른 도로 이용자에 대한 차량 안전 요구가 증가함에 따라, 자동차 시장용 차량 전자 비전 시스템 개발 분야가 성장하고 있다. 자동차 카메라 시스템은 운전자에게 차량 전체의 주변(사각지대 포함)에 대한 뷰를 제공하도록 설계되고 있다.
유럽, 일본, 북미 등 중요 자동차 시장에서 취약한 도로 이용 시의 사망 사고를 방지하기 위해 법제화를 추진함에 따라 비전 시스템 사용이 중요시되고 있다.
이러한 트렌드에 따라 전 세계 자동차 업체들은 카메라를 이용하는 ADAS(그림 4 참고)의 적용을 서두르고 있다. 과거 하이엔드 자동차에만 적용되었던 새로운 안전 시스템은 가격 절감이라는 장점으로 인해 낮은 가격대로 빠르게 확대되고 있다.
ADAS 없이 2017년까지 파이브 스타 NCAP(New Car Assessment Program)를 이루는 것은 불가능할 것이다. 따라서, 선두 자동차 제조업체들은 그 때까지 하나 이상의 ADAS 시스템을 표준 장비에 포함시킬 것으로 보인다.
ADAS 시스템이 대폭 성장함에 따라 자동차 네트워크에 전체 카메라, ECU(Electronic Control Units), HMI(Human Machine Interfaces)를 효율적으로 상호 연결하는 기술이 필요해졌다. 예를 들어 차량은 전형적으로 최소 다섯 곳의 사각지대를 가지므로, 그림 6에 나타난 바와 같이 안전한 스캐닝을 제공하기 위해서는 7개의 비전 카메라가 필요하다. 그림 6은 좌측에 운전석이 있는 일반적인 자동차의 사각지대(음영부) 다섯 곳을 나타낸 것이다. 사각지대의 크기는 자동차 설계 및 미러의 뷰 각도에 따라 다르다.
자동차 업체들은, 그림 7과 같이 자동차 주변의 복합 이미지를 제공하기 위해 네 개 이상의 카메라를 적용한 ‘360 뷰 시스템’을 이미 출시했거나 그에 대한 계획을 세우고 있다.

상호 연결 대안

자동차 카메라에는 단일화된 표준 인터페이스가 없으며, 일반적으로 전용 직렬 링크(Dedicated Serial Links)가 카메라 인터페이스로 널리 이용되고 있다.
카메라와 이미지 프로세싱 유닛(IPU) 또는 디스플레이 사이의 인터페이스는 동일한 시스템의 다른 카메라가 상호 연결될 수 있는 방식을 결정한다. 예를 들어, LVD는 단지 카메라와 IPU 또는 디스플레이 간의 P2P 연결을 허용하는 인터페이스이다.
시스템이 IPU와 상호 연결되는 여러 카메라로 구성된 경우, 이용할 수 있는 유일한 토폴로지는 각 카메라와 중앙 유닛 간의 직접 연결 방식이다. 자동차가 여러 ADAS를 포함하고 있으며 각 ADAS가 상호 연결된 복수의 카메라로 구성된 경우, 직접 연결 토폴로지에서 와이어, 커넥터 및 인터페이스는 그 수와 길이가 매우 커진다. 예를 들어 이더넷이 LVDS 전용 링크 대신 카메라 인터페이스로 사용된다면 네트워크는 간단해질 수 있다.
이더넷은 LVDS와 같은 P2P 인터페이스이지만, 시스템의 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트를 재설정하지 않고 확장 및 축소할 수 있는, 간단한 네트워크 토폴로지를 가진 패킷 스위치형 네트워크이다. 그림 8은 LVDS에 비해 이더넷의 레이아웃이 간단하다는 것을 비교한 것이다.
데이터 도착 시간을 예측할 수 있다는 것은 출발지 사이의 전용 직접 연결 데이터, 그리고 데이터 동기의 장점으로 꼽을 수 있다. 직접 연결에서는 패킷 스위칭이 발생하지 않으므로 예측 불가능한 지연 현상이 없다.
이더넷은 AVB(Audio Video Bridging)와 같은 상위 레이어 프로토콜이 사용될 때 이와 같이 예측할 수 있다. 이 경우 컴퓨터는 복잡해진다.
결론적으로 말한다면, 직접적이고 간단한 연결과 이더넷 기반 연결 사이에는 트레이드오프가 존재한다. 간단한 1 카메라 시스템의 경우 직접 연결하는 것이 최선의 선택이다.
그러나, 복잡한 ADAS가 사용된 경우에는 이더넷 인터페이스 및 토폴로지가 최적의 기술이라고 할 수 있다.

1. 각 대안을 위한 PHY로서의 POF
ADAS에서 카메라, IPU 또는 디스플레이를 연결하는 물리적 레이어에 대한 하나의 대안은 Yazaki의 Small Form Factor 커넥터 시스템(그림 10)에 구현된 아바고의 광전자 트랜시버(그림 9)와 함께 KDPOF의 1Gbps POF를 사용하는 것이다.
KDPOF ASSPs(Applications Specific Standard Products)는 DVP 등의 직접 데이터 링크 또는 RGMII 나 SGMII 등의 네이티브 이더넷 포트를 통해 인터페이싱이 가능하다. 이와 같은 LVDS-형 또는 이더넷 기반 ADAS는 KDPOF 제품 주변에서 쉽게 구성될 수 있다.

2. 구리 기반 시스템 대비 POF의 장점



그림 11은 ADAS 애플리케이션상의 KDPOF Gbps POF 기술의 실용적인 예를 나타낸 것이다. 그림 11의 프로토타입은 POF를 통해 IPU로 연결되며 입체 모드로 작동하는 두 개의 카메라가 구현한 결과이다.
디스플레이는 형상 인식 및 심도 계산-충돌 경고, 보행자 감지 또는 스마트 순항 제어 등의 운전 지원 기능에 대한 인풋으로서의 역할을 담당할 수 있다-을 포함한 이미지를 보여준다. 근사화된 바이너리 스트림은 960Mbps이며 각 카메라는 1280×800픽셀 및 30fps로 이미지를 캡처한다.



카메라 스타트업 설정은 두 가지 방식으로 이루어진다. 첫 번째 방식은 듀플렉스 POF에 기초하는데, 한 섬유는 업스트림 링크 그리고 다른 섬유는 다운스트림 링크 역할을 담당한다.
두 번째 방식은 이미지 데이터를 IPU로 전송하기 위해 심플렉스 POF를 사용하는 것이다. 간단하고 저비용인 병렬 LIN-형 구리 쌍의 스타트업 설정은 카메라로 전송되는 채널로서 역할을 담당한다. 이 병렬 채널은 카메라를 원격으로 구동하므로 추가 케이블 쌍을 절약할 수 있다. 그림 12는 이 2가지 방식을 나타낸 것이다.

Thomas Lichtenegger  Avago Technologies
Óscar Ciordia  KDPOF
Naoshi Serizawa  Yazaki