[현대오토에버SW스쿨2기] 차량용 이더넷 통신(3)

태리·2024년 2월 12일

RAPA 이더넷 자동차 네트워킹 현대 오토에버 모빌리티 임베디드 SW 스쿨 2기

현대오토에버 모빌리티 임베디드 SW스쿨 2기

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이번 글에서는 '자동차 네트워킹의 핵심 기술과 원리' 대해 정리해볼까 한다. 😁

Noise: 통신의 영원한 적(..?)

노이즈는 모든 전자 통신 시스템에서 피할 수 없는 요소라고 함.
특히 자동차 네트워크에서는 다음과 같은 노이즈 유형들이 존재함.

Thermal Noise (==White noise(백색 잡음))
- 모든 주파수에 걸쳐 균일하게 분포된 노이즈.
- 완벽한 제거는 불가능하며, Gaussian Noise라고도 불림.
- 악성노이즈는 아니고, 이 노이즈들을 제거하는 가장 좋은 방법은 이 노이즈들을 적분하는 것.
Induced Noise
- 전자기기, 특히 모터의 작동으로 인해 발생
- 쉴드 처리를 통해 어느 정도 관리가 가능
Crosstalk
- 전자공학 및 통신에서 자주 발생하는 현상으로, 하나의 회로나 채널의 신호가 다른 회로나 채널로 불필요하게 간섭하는 것.
- 주로 전선이나 케이블이 서로 가까이 위치해 있을 때 발생
- 얘도 shield 처리하면되지만.. 비쌈.. 그래서 UTP(Unshielded Twist Pair) 케이블을 사용하여 경감시킬 수 있음.
  - UTP(Unshielded twist pair) → CAN, CAN-FD, FR, Ethernet 에 들어감.
  - 1Gbps → STP (제네시스에는 들어간다고함) 가격이 거의 5~6배 비쌈

Data Rate Limits

데이터 전송률의 한계는 다양한 요인에 의해 결정됨

대역폭 (Bandwidth):
- 대역폭은 통신 채널이 처리할 수 있는 최대 신호 주파수 범위를 나타냄
- 대역폭이 넓을수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있음
신호 대 잡음비(?) (Signal-to-Noise Ratio, SNR):
- SNR은 전송 중인 신호의 강도 대비 배경 잡음의 강도를 나타냄
- 높은 SNR은 더 높은 데이터 전송률을 가능하게 함
오류율 (Error Rate):
- 데이터 전송 중 발생하는 오류의 비율도 데이터 전송률에 영향을 미침
- 오류율이 낮을수록 신뢰성 있는 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있음
전송 매체 (Transmission Medium):
- 전송 매체(예: 구리 케이블, 광섬유, 무선)에 따라 전송률이 달라짐
- 각 매체는 고유의 전송 한계와 특성을 가지고 있음
네트워크 기술 및 프로토콜:
- 사용되는 네트워크 기술과 프로토콜(예: Ethernet, Wi-Fi)도 데이터 전송률에 영향을 줌

Latency & Jitter

Latency (지연시간): 데이터가 한 지점에서 다른 지점까지 이동하는 데 걸리는 시간

전파 지연 (Propagation Delay): 신호가 물리적 매체(예: 케이블, 광섬유)를 통해 이동하는 데 걸리는 시간
전송 지연 (Transmission Delay): 데이터가 네트워크 장비(예: 라우터, 스위치)를 통과하는 데 걸리는 시간
처리 지연 (Processing Delay): 장비가 데이터를 처리(예: 패킷 검사, 경로 결정)하는 데 걸리는 시간
큐잉 지연 (Queueing Delay): 데이터가 네트워크 장비에서 처리를 기다리는 시간

Jitter: 데이터 패킷의 도착 시간 간격에 발생하는 변동성. 즉, 패킷들이 예상되는 일정한 간격으로 도착하지 않고 불규칙하게 도착하는 현상

Digital to Digital Conversion: 디지털 데이터 변환 방식

데이터의 효율적인 전송을 위해 디지털 신호를 다양한 방식으로 변환하는 것은 중요힘.
이 과정에서 사용되는 세 가지 주요 변환 방식은 Line Coding, Block Coding, Scrambling 이 있음.

1. Line Coding

Line Coding은 디지털 데이터를 전송선에서 인식 가능한 형태의 신호로 변환하는 기술. 이는 통신 채널의 물리적 특성을 고려하여 구현되며, 여러 가지 방식이 있음.

Non-Return to Zero (NRZ): 가장 기본적인 형태로, '1'과 '0'을 고정된 두 전압 레벨로 표현함. NRZ-L과 NRZ-I로 세분화됨.
Return to Zero (RZ): '1'을 표현한 후 신호를 중간 상태로 돌려 '0'을 뚜렷하게 구분. 클럭 복구가 용이하지만, 데이터 전송 효율이 상대적으로 낮음.
Manchester Coding: 데이터와 클럭 정보를 함께 인코딩하여, 각 비트의 중간에서 전압 변화를 발생시킴. 이는 클럭 신호의 복구와 데이터의 동기화에 유리함.
Differential Manchester Coding: Manchester Coding의 변형으로, '1'과 '0'의 구분이 전압 변화의 방향에 의해 이루어짐.

2. Block Coding

Block Coding은 데이터를 고정된 크기의 블록으로 나누고, 각 블록에 추가 정보(오류 검출 및 수정 코드)를 더해 전송하는 방식. 이 방식은 데이터의 신뢰성을 높이는 데 기여함.

4B/5B Encoding: 4비트의 데이터를 5비트 코드로 매핑하여 연속된 '0'의 수를 줄이고, 동기화를 개선함.
- 0이 너무 연속되면 동기화가 힘들기때문에!
8B/10B Encoding: 8비트 데이터를 10비트 코드로 변환하여, 데이터 스트림에 더 많은 오류 검출 및 수정 기능을 추가함.

3. Scrambling: 연속된 비트 패턴의 방지

Scrambling은 연속된 같은 비트의 출현을 방지하기 위해 데이터 스트림에 의도적인 난수 패턴을 적용함. 이 방식은 전송 효율을 높이고, 신호의 무결성을 향상시킴.

B8ZS (Bipolar 8-Zero Substitution): 연속된 '0' 8개가 나타날 때, 특정 패턴으로 대체하여 전송. 이는 오류 감지와 클럭 복구를 개선함.
HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros): 연속된 '0' 4개를 특정 패턴으로 대체하는 방식으로, B8ZS와 유사한 목적으로 사용됨.

B6T (8 Binary 6 Ternary) 인코딩

B6T 인코딩은 데이터 전송의 효율성을 극대화하기 위해 고안된 획기적인 방식. 8비트 이진 데이터(2진수)를 6개의 3진수 신호로 변환하여 전송함

B6T 인코딩의 주요 목적은 데이터 전송량을 늘리면서도 신호의 복잡도를 최소화하는 것. 이를 통해 전송 매체의 대역폭을 보다 효과적으로 활용할 수 있음.
작동 방식: 8비트 이진 데이터는 256가지 조합을 가지는데, B6T 인코딩은 이 256가지 조합을 6개의 삼진 신호로 매핑함. 삼진 신호는 -1, 0, +1의 세 가지 상태를 가지며, 이를 통해 데이터를 표현

효율성: 적은 수의 신호로 더 많은 정보량을 전달할 수 있기 때문에 데이터 전송 효율성을 크게 향상시킴.
간섭 감소: 삼진 신호를 사용함으로써 신호 간 간섭을 줄일 수 있으며, 이는 전체적인 데이터 전송의 신뢰성을 높임.
B6T 인코딩은 특히 고속 데이터 통신에 많이 쓰인다고 함. 데이터 센터나 고성능 컴퓨팅 환경에서 특히 유용!

4D-PAM5

4D-PAM5 (4-Dimensional Pulse Amplitude Modulation 5)는 데이터 전송률을 극대화하기 위해 4개의 차원을 사용하는 고급 펄스 진폭 변조 기술..(이름부터가 무슨 외계어같음 ㅋㅋ..)
이 기술은 각각의 차원에서 5가지 진폭 수준(0부터 4까지)을 사용하여 데이터를 인코딩함.

고속 전송: 4D-PAM5는 고속 이더넷과 같은 환경에서 데이터 전송 속도를 대폭 높일 수 있음.
효율적인 대역폭 사용: 다차원적 접근 방식을 통해 기존의 단일 차원 대비 대역폭을 보다 효율적으로 사용함.
4D-PAMS는 총 5개의 레벨을 사용하는데, +2, +1, -1, -2는 데이터를 표현하기 위한 신호로 쓰이고 0은 에러를 수정하기 위해서 사용한다고 함.