Research achievements
자율주행 차량용 데이터전송 20배 이상 향상 통신기술 개발, 자율주행차량 세상 앞당기는데 기대
[(오른쪽에서 왼쪽방향) DGIST 전기전자컴퓨터공학과 최지웅 교수, 최은민 박사과정생, 송호승 석사과정생]
- DGIST 최지웅 교수 및 VSI 강수원 대표 공동연구팀, 공유형 차량이더넷 대비 데이터 전송률 20배, 전송 지연 100배 이상 향상 가능한 썬더버스 기술 개발
- 자율주행차를 위한 센서 및 제어 네트워크에 활용 기대
DGIST 전기전자컴퓨터공학과 최지웅 교수, 차량용 반도체 기업 VSI 강수원 대표 공동연구팀은 기존 차량에 탑재된 CAN-FD(Controller Area Network-Flexible Data rate) 및 버스형 차량용 이더넷 기술보다 데이터 전송률 대비 20배 이상, 전송 지연을 100배 이상 향상시킬 수 있는 썬더버스(Thunderbus) 기술을 개발했다.
썬더버스는 기존 차량 내부 버스 구조에서 10Mbps 수준의 낮은 데이터 전송률의 한계를 극복하기 위해 고도화된 송수신 기법을 적용하여 200Mbps 이상의 고속 데이터 전송률을 제공하며, 기존 CAN/CAN-FD(Flexible Data rate) 및 이더넷 ECU(Electronic Control Unit) 인터페이스와의 호환으로 기존에 활용된 차량용 네트워크를 대체할 수 있는 기술이다.
기존 차량 네트워크의 대부분을 차지하는 CAN 통신은 브레이크, 엔진, 조향 제어 등 저속의 데이터 전송을 지원하기에 충분했으나 스마트자동차 및 자율주행차의 개발로 인해 카메라 센서, 주변 정보의 고속 전달 및 제어, 인포테인먼트 등이 중요해짐에 따라 기존 CAN 통신의 용량으로는 대용량의 정보를 고속으로 원활하게 전달할 수 없었다.
이를 해결하기 위해 CAN-FD, Flexray, LIN, MOST, 차량용 이더넷(Automotive Ethernet), 차량용 써데스(Automotive SerDes) 등의 고속 통신 네트워크 기술들이 개발되었다. 하지만 여러 모듈들을 하나의 통신선으로 연결한 버스 구조에서는 최대 10Mbps의 데이터 전송률만 제공하는 한계가 있고, 고속 데이터 전송 기술들의 경우 100Mbps 이상의 데이터 전송률을 제공하나 모듈간 일대일 연결만을 지원하여 연결 장치 및 케이블이 증가하여 무게 및 비용이 커지는 단점이 있다.
연구팀이 개발한 썬더버스 기술은 버스 구조에서 기존보다 넓은 대역폭, 우수한 변조 기법 및 수신기 기술을 적용함으로써 200Mbps 이상의 데이터 전송률을 제공한다. 또한, 긴급 메시지의 선점 방식을 도입하여 순차적인 데이터 전송 중에도 우선순위가 높은 긴급 메시지가 발생 시 먼저 전송할 수 있도록 하며, 기존 CAN/CAN-FD 및 이더넷 ECU 인터페이스와의 호환성을 제공한다.
본 연구 결과로 버스 구조에서 고속 데이터 전송 지원, 긴급 메시지 저지연 전송, CAN/CAN-FD 및 차량용 이더넷과 호환성 제공을 통한 다양한 네트워크 구성 등을 통해 초고속 저지연 통신 네트워크를 시간·비용 경제적으로 구성할 수 있을 것으로 기대되며, 차량용 반도체 기업 VSI 강수원 대표와의 지속적인 협력을 통해 차량 내 네트워크의 병목 현상 해결, 외부와의 통신 인터페이스 효율 향상, 차량 보안 향상 등 기술 고도화 및 사업화를 추진할 계획이다.
최지웅 교수는 “최근 고용량 데이터의 저지연 전송 요구 급증으로 새로운 기술이 빠르게 상용화 중인 차량 네트워크 분야에서, 제안 기술의 우수성을 인정받은데 의의가 있다” 며, “여러 모듈이 연결된 버스형 네트워크 환경에서 다양한 기술들이 제시되고 있는데, 본 기술은 200Mbps 이상의 초고속 전달 및 중요 정보의 초저지연 전송이 가능하고, 기존 기술들과 호환 가능하여 향후 차세대 버스형 차량 네트워크 시장을 상당 부분 점유할 수 있을 것으로 기대된다. 상용화를 위해 전장 네트워크 전문 기업인 VSI사와 긴밀히 협력하고 있다”라고 밝혔다.
강수원 대표는 “DGIST의 뛰어난 연구 능력과 당사의 기술력이 합쳐져서 최고 수준의 기술을 개발한 것으로, 산학 협력의 결실이 상용화되어 실제 적용될 수 있도록 지속적인 협력을 통해 완성도를 높여 세계시장에서 차량용 반도체를 선도하는 기업이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구성과는 차량 기술 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘IEEE Vehicular Technology Magazine’에 3월 1일 자 게재되었으며, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(혁신성장 연계 지능형반도체 선도기술개발, SW컴퓨팅산업원천기술개발), DGIST 일반사업(P-CoE)의 지원을 통해 이뤄졌다.
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연구결과개요
High-Speed, Low-Latency In-Vehicle Network Based on the Bus Topology for Autonomous Vehicles: Automotive Networking and Applications
Eunmin Choi, Hoseung Song, Suwon Kang, and Ji-Woong Choi+
+: corresponding author
(IEEE Vehicular Technology Magazine, online published on Dec. 23rd, 2021)
운전자의 안전과 편의를 제공하기 위해 차량 내 많은 노드가 내장되며, 각 노드 간 통신을 위한 데이터 통신량도 증가하고 있다. 이를 위해 차량 내부 네트워크에서 데이터 전송률을 높이기 위한 기술이 필요하다. 현재 차량 내 네트워크는 단일 회선에 여러 노드가 연결된 버스 구조가 주로 사용되고 있으나, 데이터 전송률이 최대 10Mbps 수준이다. 또한, 고속 데이터 전송을 위한 차량용 이더넷과 써데스는 일대일 연결만을 지원하여 연결 장치 및 케이블 증가로 인한 무게 및 비용 측면에서 단점이 있다. 본 연구에서는 버스 구조에서 고속으로 데이터를 전송함으로써 케이블 연결을 최소화하면서 데이터 전송률의 한계를 극복하여 기존 대비 20배 이상 속도를 향상시킨 차량 내부 네트워크 기술을 제안한다. 여러 노드가 하나의 버스에 연결되어 신호의 왜곡이 심해지기 때문에 고속 데이터 전송의 한계가 있으나, 제안 기법에서는 이를 보상하여 고속으로 데이터를 전송하기 위한 송수신 기술을 적용하였으며 넓은 대역폭을 사용함으로써 저지연으로 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 제안 기법은 기존 CAN/CAN-FD 및 이더넷 ECU 인터페이스와 호환성을 제공하여 기존 ECU를 그대로 사용할 수 있어 빠르고 효율적으로 적용할 수 있다. 본 연구를 통해 버스 구조에서 고속 데이터 전송을 지원하며 CAN/CAN-FD 및 이더넷과 호환성을 제공하여 센서 노드와 제어 노드를 하나의 버스 구조로 구성할 수 있어 다양한 네트워크 구성을 가능하게 한다.
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연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 차량 내부 네트워크에서는 단일 회선에 여러 노드가 연결된 버스 구조에서는 케이블 및 장치 비용이 일대일 연결 대비 적은 이점이 있으나 최대 10Mbps의 데이터 전송률을 제공하는 한계가 있다. 또한, 일대일 연결에서는 100Mbps 이상의 데이터 전송률을 제공하나, 케이블 및 장치 비용이 증가하는 단점이 있다. 제안 기술은 버스 구조에서 200Mbps 이상의 데이터 전송률을 제공하여 기존 차량 내부 네트워크의 단점을 보완한 기술이다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
자율주행차의 기술발전으로 차량 내 많은 센서, 제어 장치들이 필요하며 데이터 통신량도 증가하고 있어, 제안 기술은 기존 기술보다 데이터 전송률이 높으며 비용 측면에서도 장점이 있어 차량 내부 네트워크에 적용함으로써 전체 차량 내부 네트워크 성능을 향상에 기여할 수 있으며, 버스 구조의 고속 데이터 전송을 위한 자동화 산업, 항공 우주 등에 활용될 수 있다.
Q. 실용화까지 필요한 시간은?
정부 과제의 지원을 받아 FPGA 보드를 통한 데모를 진행하였고, 현재 칩 제작 진행 중으로 차량 내부 환경에서 동작하기 위한 안정성 검증과 기술 고도화를 진행할 예정이다.
Q. 실용화까지 필요한 과제는?
차량에 적용되는 기술들은 모두 탑승자의 안전과 직결되기 때문에 제안 기술이 차량 내의 극한 간섭 환경에서도 높은 신뢰성으로 동작해야 하므로 신뢰성 측면에서 검증이 필요하다. 또한, 차량 보안도 안전과 관련된 문제이므로, 초고속 저지연으로 데이터를 전송할 수 있는 만큼 보안 측면에서도 고도화된 기술을 적용할 필요가 있다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
본 연구는 스마트 카, 자율주행차의 발전으로 많은 기기가 차량에 내장되면서 차량 내에서 필요로 한 통신량이 급증하고 있으나 기존 네트워크의 데이터 전송량과 케이블 무게 및 비용의 한계를 극복하고자 연구를 진행하였다. 기존에 달성하기 어려웠던 원인을 파악하고자 채널 감쇄 특성을 분석하였고 이를 기반으로 채널 감쇄 환경에서 고속으로 데이터를 전송하기 위한 송수신기 기술을 제안하였다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
본 연구는 기존 버스 구조에서 고속으로 데이터 전송이 어려웠던 점을 고도화된 송수신기 기술을 통해 한계를 극복하였으며, 기존 차량 내부 네트워크의 CAN/CAN-FD 및 이더넷 ECU와 호환성을 제공함으로써 시간·비용 경제적으로 적용할 수 있어서 차량용 통신 네트워크 시장에 획기적인 변화를 유도할 수 있을 것이다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
현재까지는 자율주행차 개발에 있어 개별 기술의 성능 향상을 위한 연구가 대부분이다. 하지만 자율주행차는 인지, 판단, 제어가 유기적으로 동작하므로 센서, 통신 네트워크, 제어 기술의 종합적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 차량 내부 네트워크의 성능 향상을 위한 기술을 제안하였으나, 향후 차량 내부 데이터를 외부와 연결하기 위한 차량 외부 통신(V2X, vehicle to everything) 기술, 자율주행 인지 및 판단을 위한 인공지능 기술 등 각 기술을 종합적으로 고려하여 시스템을 디자인함으로써 자율주행차 기술발전에 기여하고자 한다.
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그림설명
[그림 1] 버스 구조, 채널 감쇄 특성, 썬더버스 송수신기 구조
(a) 썬더버스의 송신기, 수신기 구조: 고속 데이터 전송을 위해 적응형 등화기, 고차 변조기법 적용
(b) 차량 내 버스 구조: 선형 버스 구조와 패시브 스타 구조가 있음
(c) (b)의 버스 구조에서 송신기, 수신기 간의 채널 감쇄 특성: 선형 버스 구조의 경우 채널 감쇄가 적어 넓은 대역폭 사용에 용이, 패시브 스타 구조에서는 채널 감쇄가 심해 상대적으로 좁은 대역폭을 사용
[그림 2] CAN/CAN-FD 및 이더넷 ECU와 호환성 제공으로 동일 네트워크 구성 가능 예시
- 기존 CAN/CAN-FD, 이더넷 ECU와 호환이 가능하여 송수신기만 썬더버스로 변경하여 적용 가능
- 위 그림과 같이 컨트롤러는 다르더라도 모두 동일한 썬더버스 송수신기를 사용하여 동일한 버스 구조에 연결하여 데이터 송수신 가능하여 유연한 네트워크 구성 가능
[그림 3] 긴급 메시지 저지연 데이터 전송 기법
긴급 메시지를 전송하기 위해 선점 기법을 활용하여 순차적인 데이터 전송 중에도 우선순위가 높은 데이터를 먼저 전송할 수 있도록 함
[그림 4] 썬더버스를 활용한 센서 노드, 제어 노드 구성 예시
자율주행 차량용 데이터전송 20배 이상 향상 통신기술 개발, 자율주행차량 세상 앞당기는데 기대 이미지5
초고속 데이터 전송이 가능한 썬더버스를 활용함으로써 위 그림과 같이 센서 노드와 제어 노드를 동일 버스 구조에 연결하여 통신이 가능