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자율주행차용 첨단센서를 위한 네트워크 이슈

자율주행차용 첨단센서를 위한 네트워크 이슈

자율주행차의 첨단센서와 네트워크 발전전망

최근 들어 자율주행 자동차와 이에 적용되는 첨단 센서 시스템의 비중은 급격히 늘어나고 있으며, 시스템반도체 기술 융합을 기반으로 한 첨단센서의 진화는 빠른 속도로 가속화 되고 있다. 그 주된 배경의 첫 번째로는 인공지능 기술과 GPU 등의 반도체 기술 발전에 따른 지능형 융합센서 기술의 고도화를 들을 수 있으며, 두 번째로 범국가적 법적 안전규제 강화에 대응하기 위한 첨단 센서를 기반으로 한 기능안전시스템 기술 개발을 들 수 있고, 마지막 세 번째로는 소비자들의 편의성 향상에 대한 요구를 만족하기 위한 IT융복합 기술개발을 들을 수 있다.

현재의 자동차용 시스템반도체 기반의 첨단센서들은 자동차의 각 시스템에 신경망처럼 분산 배치되어 네트워크를 통해 차량의 주변과 내부 상태를 실시간으로 모니터링하는 핵심적인 기능을 하고 있다. 또한 지능형 센서시스템과 네트워크로 연결되어 자동차의 안전주행 및 자율주행 시스템 등을 동작할 수 있도록 하는 기반을 제공하고 있다.

자율주행 영역에서 첨단센서는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 고안전시스템 등 모두 차량 내 통신 네트워크와 연결이 요구된다. 그러나 CAN, CAN-FD, LIN, SENT, MOST, FlexRay와 같은 기존 차량네트워크는 커넥티드 자율주행차의 모든 장치와 센서 애플리케이션을 지원하는 데 필요한 대역폭이 제공되지 못하고 있다. 늘어나는 첨단센서와 ECU는 더 높은 처리량에 대한 요구와 함께 보다 유연한 아키텍처를 지원하기 위해 고대역폭 연결과 확장성이 요구된다.

자율주행자동차에서 센서 디바이스 부분의 비중은 매년 증가하는 추세에 있다. 센서의 중요한 역할은 운전자 또는 전자제어시스템에 검지된 정보를 원하는 시간 내에 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 현재 자동차에는 다양한 전자시스템이 네트워크를 통해서 결합되어 있다. 거의 모든 전자시스템을 차량 내에서 한 개 혹은 두 개의 전선으로 구성된 공통 네트워크 버스에 연결하여 사용되고 있다.

국내외 자율주행차량을 위한 첨단센서의 주요 네트워크 기술 이슈

자동차용 센서에서 가장 큰 비중으로 적용되고 있는 프로토콜은 CAN(Controller Area Network)이며, 대부분 응용분야에서 고속 CAN을 사용한다. 최고 데이터 속도는 1 Mbps이지만 일반적으로 네트워크 부하에 대한 허용 안정성 확보를 위해 500 kbps 이하에서 운용된다.

첨단센서를 위한 CAN은 차량 내의 열악한 환경에서 성공적으로 동작되어 신뢰도가 검증된 통신망으로서 마스터/슬레이브, 다중 마스터, 피어 투 피어(peer to peer) 등을 지원하는 매우 유연성 있는 네트워크이며, 또한 열악한 환경이나 고온, 충격이나 진동, 노이즈가 많은 환경에서도 높은 신뢰성을 제공한다.

첨단센서의 정보가 여러 전자장치에서 필요로 할 경우 CAN에서는 데이터 전송 프로토콜이 물리적인 도착지의 주소를 필요로 하지 않기 때문에 broadcast나 multicast와 같은 다중 수신과 분산처리의 동기화가 가능하다. 여러 개의 컨트롤러에서 필요로 하는 측정값들이 CAN 네트워크 망을 통해 전송될 수 있으므로 각각의 컨트롤러에서 필요한 정보 들을 공유할 수 있는 구조를 지원한다.

CAN은 멀티 마스터 통신이므로 어느 노드에서도 통신을 개시할 수는 있지만 실제로 하나의 버스 상에서 동시에 수행할 수 있는 통신은 하나뿐이다. 각 노드는 버스 상태가 송신 중인지 아닌지를 주기적으로 확인하고 복수의 노드가 송신을 개시하여 충돌할 경우 CAN에서는 조정(arbitration)을 하여 ID가 우선순위가 높은 것부터 우선 송신함으로써 충돌을 피하고 있다.

자동차용 차세대 센서와 디바이스의 데이터 트래픽 증가에 따른 병목현상을 해결하기 위한 방안으로 지금까지는 비용증가를 감수하더라도 한 개의 네트워크를 다수의 버스로 분할하는 방법을 주로 사용해왔으나 이에 대한 해결 대안으로 CAN-FD가 제안되었다.

첨단센서를 위한 CAN-FD(CAN with Flexible Data rate)의 주요 특징은 CAN에 비해 데이터 길이를 기존 8 바이트에서 64 바이트로 확장될 수 있으며 데이터 전송속도 또한 1 Mbps에서 최대 8 Mbps까지 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 기존의 CAN에서 가지고 있는 버스 중재, 메시지 응답, 이벤트 드리븐 제어 등의 기본 컨셉 뿐만 아니라 빠른 비트 속도, 긴 데이터 길이를 동시에 수용할 수 있는 네트워크 프로토콜이다.

CAN-FD는 상위 계측에서는 진단, 네트워크 관리, 전송 프로토콜, 상호작용 계층 및 전송 모델로 초점이 맞춰진다. 전송계층에 대한 적용은 훨씬 더 많은 프레임을 해석하는 반면, 적용 계층은 일반적으로 프레임 대신 신호로 작업한다. 적용 수준에서 개발자들이 시작단계에서 독립적으로 적용되는 특정 프로토콜에는 신호에 의존하도록 설계했다면 시뮬레이션 모델, 테스트 스크립트 및 사용자 인터페이스를 변경 없이 사용될 수 있다.

CAN-FD는 높은 대역폭을 통해 높은 버스 부하를 가진 네트워크를 분할할 필요 없이 사용할 수 있으며, 다중 네트워크를 단일 네트워크로 통합하여 사용할 수 있다. 이를 통해 불필요한 게이트웨이의 감소로 인한 비용절감과 원치 않는 게이트웨이 응답시간지연을 제거할 수 있는 장점이 있다.

CAN-FD는 향후 자율주행 자동차용 차세대 첨단센서를 위해 기존 CAN 첨단센서 ECU에 특별한 변경 없이 고대역폭이 필요한 첨단센서 ECU를 추가하거나 대체할 수 있는 장점이 있다.

<대역폭에 따른 기존 자동차용 네트워크 프로토콜>

자동차업계는 자율주행을 위한 첨단센서에서 CAN과 CAN-FD보다 대역폭이 매우 넓은 차세대 차량용 네트워킹 방식으로 차량용 Ethernet을 고려하고 있다. 차량용 Ethernet은 실시간 스트리밍 애플리케이션용으로 IEEE AVB(Audio Video Bridging) 기술과 결정적 동작을 위해 TSN(Time Sensitive Networking) 기술을 이용한다.

고속 Ethernet 및 기가비트 Ethernet 모두 125 Mbaud의 높은 심볼 레이트(symbol rate)로 인해 주요 무선주파수대역에서 전자기 방출에 상당한 영향을 미치기 때문에 자동차 환경에서는 저렴한 비차폐 권선을 사용할 수 없었으나, BroadR-Reach 기술로 심볼 레이트를 거의 66.6 MBaud까지 낮출 수 있게 됨에 따라 비차폐 권선을 사용할 수 있게 되었다.

차량용 Ethernet은 물리계층 변조를 위해 펄스 진폭변조(Pulse-Amplitude Modulation, PAM)을 사용한다. PAM은 전송되는 정보가 신호 펄스 자체의 진폭으로 부호화되는 아날로그 펄스 변조방식이다. 가능한 진폭의 수는 각 진폭에 의해 전달되는 데이터 비트 수에 직접 영향이 있으므로 전송되는 데이터의 유효성을 보장하기 위해 순방향 오류정정(Forward Error Correction, FEC)을 사용할 수도 있으나 중복 데이터 비트를 추가하면 링크 오버헤드가 증가하고 유효 대역폭이 줄어든다. PAM 시그널링은 순방향 오류수정 없이도 10-10이하의 비트 오류율(bit error rate)을 확보할 수 있다.

차량용 첨단센서에서 Ethernet은 데이터 고속화에 따른 간섭으로 인한 데이터 오류 가능성 증대와 노이즈가 심한 자동차 환경에서의 EMC 문제 증가 등에 대한 신뢰성을 보장이 요구되고 있다.

자율주행용 첨단센서를 위한 Ethernet은 필수적인 실시간 성능 및 서비스품질 요구를 충족시킬 수 있는 추가적인 솔루션 개발이 필요하며, Time-Triggered Ethernet은 분산형 클록-동기화 알고리즘에 기반하여 결정론적 행동에 맞춰 정확한 스케줄 네트워크 통신이 가능한 장점이 있다.

향후 자율주행차 내에서는 첨단센서들이 기가비트 속도로 데이터를 전송하고, 장기적으로는 100G 이상의 초고속 차량용 Ethernet 지원과 이를 구현할 수 있는 핵심 시스템반도체가 필요할 것으로 예상되고 있다.

<차량 Ethernet 구성 및 반도체칩(출처: NXP)>

시사점

차량용 첨단센서 들이 급속히 늘어남에 따라 상호간에 더욱 빠르고 많은 정보를 교환할 필요성이 대두 되고 있으나, 기존 네트워크 기술로는 만족스러운 통신이 이루어지지 못하게 되어 상호간 통신 속도를 높여주는 새로운 고속/고대역폭 차량 네트워크 기술과 이를 적용한 시스템반도체 기술이 등장하고 있다.

자율주행 자동차는 첨단센서가 지능화됨에 따라 차세대 차량용 네트워크의 필요성이 증대되고 있으며, 차량 네트워크 지원이 가능한 차세대 지능형 시스템반도체의 중요성이 가속화되고 있다.

향후 자동차용 첨단센서와 이에 탑재되는 시스템반도체는 자율주행차 시대에서 없어서는 않될 핵심부품으로서 큰 비중을 차지할 것으로 전망된다. 때문에 우리나라 자동차 첨단센서 산업은 반도체산업과의 동반성장 및 활성화가 절실히 필요한 시점이다.