이 글에서는 ADAS에서의 끊김 없는 비디오 카메라 시스템 통합에 대해 살펴본다. TDMA(Time Division Multiple Access), 유연한 스타 토폴로지(star topology), 원격 컨트롤 기능을 사용한 다중채널 네트워크 기법에 기반한 MOST 기술은 시스템 솔루션 관점에서 최적의 기능을 제공한다. 

ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)는 자동차 내의 다양한 전기/전자 시스템에 대한 인터페이스로서 자동차의 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 자동차는 인체와 마찬가지로 다수의 기능들을 구현하고 네트워크로 연결해야 한다. 이러한 기능은 카메라, 레이더, 초음파 같은 센서 장치, 프로세싱 장치, 엑추에이터를 포함한다.

 

복잡한 활용 사례들을 고려하여 자동차 내 각기 다른 영역들이 서로 정보를 교환할 수 있도록 하기 위해서는 적절한 네트워크 인프라를 선택하는 것이 무엇보다 중요하다. 그래야만 효율적인 시스템을 구축할 수 있기 때문이다. 기능적인 관점에서 운전자 지원 시스템은 전통적인 인포테인먼트 시스템의 영역을 확대하는 것이라고 할 수 있다.

 

그림 1에서 볼 수 있듯 운전자 지원은 E/E 에코시스템의 필수적인 요소가 되고 있다. ADAS와 인포테인먼트 모두 앞으로 더 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 다음은 현재 부상하고 있는 운전자 지원 애플리케이션이다.

▲ 그림 1. E/E 아키텍처의 진화

• 주차 지원

• 충돌 경고

• 표지판 모니터링

• 차선 이탈 경고

• 첨단 차선 유도

• 보행자 경고

• 나이트 비전

• 적응식 주행 컨트롤

• 충돌 예방 경고

운전자 지원 시스템은 네트워크 측면에서 특정한 요건들을 충족해야 한다. 이들 요건으로는 다음을 들 수 있다.

• 컨트롤, 비디오, 패킷, IP 데이터 전송

• 최대의 서비스 품질

• 견고한 실시간 확정성(determinism) 및 낮은 지연시간

• 유연한 토폴로지(스타, 데이지 체인, 링)

• 높은 대역폭

• 원격 컨트롤 기능

• 안전성

• 강건성과 기술 성숙도

뿐만 아니라 가격 경제성 또한 주요 요건에 속한다. 

다음에서는 TDMA를 기반으로 한 다중채널 네트워크 기법이 어떤 점에서 뛰어난지 설명한다.

다중채널 기법

일반적으로 운전자 지원 시스템은 다양한 센서 데이터를 다루어야 한다. 이러한 복잡성에 대처하기 위해 다른 추상화 층과 타이밍 제약으로 이루어진 계층적 기법이 사용된다. 하위 층에서는 대량의 원시(raw) 데이터를 처리하며 높은 대역폭과 일관되고 빠른 전송을 필요로 한다. 중간층에서는 객체와 속성을 전송하며, 최상층에서는 해석(interpretation) 데이터가 이동한다. 그림 2에서는 이것이 MOST 기술에 어떻게 적용되는지 보여준다.

▲ 그림 2. MOST® 기술의 데이터 전송 메커니즘

다중채널 네트워크는 하나의 네트워크를 통해 컨트롤 데이터, 스트리밍 데이터, 패킷 데이터에 대한 모든 서비스를 병렬적으로 사용할 수 있다. 또한 필요할 경우 이들 서비스들을 고도로 확정적인(deterministic) 방식으로 간편하게 동기화할 수 있다.

 

3세대 MOST 표준에서는 150 Mb/s에 이르는 MOST 네트워크를 도입하고 있다1). 이 기술은 IP 데이터 통신을 가능하게 함으로써 IEEE 802.3 표준에 따른 자동차 대응 이더넷 채널을 제공하며, 0부터 거의 150 Mb/s에 이르기까지 대역폭을 자유롭게 구성할 수 있다. MOST 기술은 다양한 IP 프로토콜 기반 애플리케이션에 열려 있으므로, 무선 모바일 기기들을 끊김 없이 통합할 수 있을 뿐만 아니라 자동차-대-자동차(car-to-car) 통신과 자동차-대-인프라(car-to-infrastructure) 통신을 가능하게 한다.

 

기능 블록 개념을 갖는 MOST 기술 프레임워크는 명확한 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스를 포함한다. 이를 통해 운전자 지원 애플리케이션과 카메라 같은 센서 장치의 인터페이스를 표준화할 수 있다.

유연한 스타 토폴로지를 사용한 카메라 시스템 통합

그림 3은 4개의 고선명 비디오 카메라로 이루어진 MOST 150 네트워크 기반 다중카메라 시스템을 보여준다. 각 카메라의 비디오 스트림으로 최대 150 Mb/s를 할당할 수 있다.

▲ 그림 3. MOST® 기술 네트워크 기반 다중카메라 시스템

각 카메라 링크에 대해 MOST150의 최대 스트리밍 대역폭을 각각 사용한다. 이 비디오 카메라 시스템을 8개 카메라로 확장하면 최대 1.2 Gb/s의 총 스트리밍 대역폭을 사용할 수 있다. 이 서라운드 뷰 카메라들을 동축 케이블을 사용해서 스타 토폴로지 형태로 중앙 노드에 연결한다.

 

이 360° 탑뷰 시스템(그림 4, 5)은 MOST 인터페이스를 갖춘 소형 풋프린트의 1 메가픽셀 HDR(high-dynamic-range) 카메라를 사용한다. 이 카메라는 이미지 센서 칩과 MOST 기술 인터페이스 칩으로 이루어진 경제성 뛰어난 디자인이다. 원격 컨트롤 기능을 사용하므로, 카메라 작동을 위해 메모리칩이나 추가적인 마이크로컨트롤러가 따로 필요하지 않다. 

▲ 그림 4. MOST150 동축 케이블링을 기반으로 한 탑뷰 데모 시스템

▲ 그림 5. 탑뷰 스크린

MOST 기술 다중채널 네트워크 기법은 TDMA에 따른 근본적인 동기성 덕택에 ADAS에 매우 적합하다. 이는 실시간 확정성과 10밀리초 이내의 극히 낮은 비디오 지연시간을 보장하기 때문이다.

 

MOST150 기술은 독일의 시험 기관인 TÜV와 공동으로 실시한 시험들을 통해서도 이미 검증되었다2). 안전성-층(safety-layer) 개념에 기반한 MOST150은 IEC 61508 및 ISO 26262 표준에 따른 페일-세이프(고장 시 대체) 애플리케이션을 가능하게 한다3).

다수의 MOST150 분기로 대역폭 확장

중앙 노드의 네트워크 인터페이스 컨트롤러는 다중의 포트를 제공하며 각 네트워크 분기(branch)로 최대 150 Mb/s의 스트리밍 대역폭을 할당할 수 있다. 그리고 이들 분기를 스타, 링, 데이지 체인 등 어떤 토폴로지로든 구축할 수 있으며 시스템 나머지 부분의 스트리밍 데이터 흐름에 영향을 주지 않고 실행 중에 연결하거나 분리할 수 있다.

낮은 지연시간 스트리밍

카메라에서 표시 장치로 비디오 스트림을 전송하려면 상당한 양의 비디오 데이터를 오랜 시간 동안 전송해야 한다. 이때 연속적으로 흐르는 데이터 스트림은 중단되거나 지연되지 않아야 한다.

 

MOST 기술은 보장된 대역폭과 극히 낮은 지연시간으로 데이터 스트림을 전송할 수 있다. 추가적인 통신 프로세서나 어드레싱 오버헤드도 필요하지 않으며, 데이터를 패킷으로 분할해 루트를 통과할 때마다 매번 검사해야 하는 대역폭 낭비적인 프로세스도 필요하지 않다. 

동축 케이블

이 솔루션은 동축 케이블을 사용하여 자동차 ADAS에 확장성이 뛰어난 전기적 물리층을 제공한다. 이는 동일한 케이블을 통해 양방향 통신과 전원 공급이 가능하기 때문이다. 동축 케이블은 고주파 신호를 전송할 수 있는 산업표준 케이블이다. 근본적으로 차폐가 이루어져 있으며 저렴한 가격대의 표준 케이블과 커넥터를 제공한다. 또한 구조적으로 자동화 커넥터 어셈블리가 가능하므로 STP(shielded Twisted Pair, 비차폐 연선) 구리선에 비해 어셈블리 비용을 낮출 수 있다. 또한 동축 케이블은 EMC 내구성이 우수하며 이미 여러 Gbit/s에서 동작할 수 있으므로 향후 변화에 대비한 물리층으로 사용하기에 적합하다.

카메라 디자인

 

그림 6은 카메라 모듈의 블록 다이어그램을 보여준다. 이미지 센서는 MOST 기술 인터페이스로 바로 연결된다. I2C™ 및 GPIO(범용 입력/출력)를 통해서 원격 컨트롤 기능을 사용해 컨트롤할 수 있다. MOST 기술 인터페이스로 비디오 데이터가 주어지면 최대 서비스 품질로 MOST 기술 네트워크를 통해 스트리밍할 수 있다.

▲ 그림 6. 카메라 블록 다이어그램

원격 컨트롤 기능

이 카메라 모듈은 MOST 기술 규격으로 새롭게 추가할 예정인 원격 컨트롤 기능을 사용한다. 이 새로운 기능을 사용하면 디스플레이나 카메라 같은 주변장치 노드 상에서 마이크로컨트롤러와 메모리를 필요로 하는 소프트웨어 스택을 절감할 수 있다.

 

예를 들어 원격 컨트롤 기능은 I2C 버스 마스터를 구현하는 컨트롤 포트를 지원한다. I2C 버스 마스터는 이미지 센서와 여타 온보드 슬레이브 장치들에 대한 읽기 및 쓰기를 관리한다. I2C 읽기 및 쓰기는 MOST 컨트롤 채널로 원격 처리할 수 있다. 또한 GPIO는 MOST 기술 컨트롤 채널로 원격 처리된다. 예를 들어 카메라에서 GPIO를 리셋 핀으로 사용할 수 있다.

 

GPIO 이벤트는 MOST 네트워크를 통해서 자동으로 보고된다. 탑뷰 ECU(electrical control unit)의 기존 프로세싱 성능은 모든 카메라에 컨트롤 소프트웨어를 실행하는 데 사용된다.

 

탑뷰 ECU로 컨트롤 소프트웨어를 중앙집중화하면 개발 작업을 대폭 간소화할 수 있다. 하나의 소프트웨어 예제만 개발 및 구현하면 되기 때문이다. 이러한 아키텍처는 원격 장치의 시스템 파티셔닝, 보드 공간, 전력 소모까지도 최적화할 수 있다.

강건성과 기술 성숙도

현재 MOST 기술은 도로 상의 150종 이상의 차량 모델에 채택되어 강건성을 입증하고 있다. 최신 MOST150 네트워크를 채택한 자동차는 2012년 이후 상용되고 있다. MOST 기술은 비용 효율적인 시스템 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 ADAS로 다음과 같은 이점을 제공한다.

 

• TDMA를 통한 확정성과 극히 낮은 지연시간

• ‌MOST의 스트리밍 특성에 의해서 패킷화와 버퍼링 없이 비디오 데이터를 연속적으로 스트리밍

• 최고의 서비스 품질

• 다양한 데이터 타입 : 컨트롤, 패킷, 스트리밍, IP 데이터

• 유연한 토폴로지 : 스타, 데이지 체인, 링

• 자동차용으로 검증된 동축 케이블 물리층

☆

이 글에서는 MOST 네트워크가 어떤 점에서 자동차 탑뷰 시스템 같은 비디오 카메라 시스템에 적합한지 설명했다. 이 다중채널 네트워크 기법은 컨트롤 메시지, 비디오 데이터 스트림, 그리고 객체 리스트 등의 패킷 데이터를 동일한 링크를 통해 동시에 전송할 수 있다. 또한 이 기술의 유연한 프레임워크는 스타 토폴로지나 링 토폴로지, 또는 이 둘을 조합을 지원한다. 더욱이 TDMA를 기반으로 한 스트리밍 특성은 극히 낮은 지연시간과 최고의 서비스 품질로 실시간 스트리밍을 가능하게 한다. 

각 카메라 스트림 별로 최대 150 Mb/s를 할당할 수 있으므로 8개의 카메라 스타 아키텍처의 경우 탑뷰 ECU의 중앙 마이크로프로세서로 최대 1.2 Gb/s의 비디오 데이터를 제공할 수 있다.

또한 자동차용으로 검증된 동축 케이블과 커넥터를 사용할 수 있으며 동일한 케이블을 통해서 전력을 공급할 수 있다. 현재 상용 중인 150 종 이상의 차량 모델에 채택된 MOST 기술은 비디오 카메라 시스템을 위한 강건하고 발전된 기술을 제공한다.

베른트 소스타와 _ 마이크로칩테크놀로지