System Design for Next-generation High-speed In-vehicle Networks

Abstract

자율주행차와 전기차가 발전하면서 더 많은 장치가 차량에 내장됨에 따라 차량 내부 네트워크의 데이터 트래픽도 빠르게 증가하고 있다. 본 논문에서는 차량 내부 네트워크에서 주로 사용되는 토폴로지인 버스 토폴로지와 점대점 토폴로지에서 통신 성능을 향상시키는 연구를 제안한다. 우선, 버스 토폴로지는 와이어 하니스를 적게 사용하여 차량의 무게와 연료 효율성 측면에서 비용 효율적으로 설계할 수 있지만 증가하는 데이터 트래픽을 처리하기에는 불충분하다. 또한 채널을 공유하는 특성상 짧은 대기시간으로 긴급 메시지를 보내는 것에 한계가 있다. 이를 위해 버스 토폴로지에서 초고속 데이터 전송속도를 제공하면서 긴급 메시지의 대기 시간을 줄이기 위한 기법을 제안한다. 이를 통해 버스 토폴로지에서 수십 Mbps 센서 노드를 구성할 수 있을 뿐만 아니라 제어 노드의 긴급 메시지를 저지연으로 전송할 수 있다. 점대점 토폴로지에는 고해상도 카메라와 디스플레이 등 Gbps 급의 데이터 전송을 위한 차량용 이더넷과 직병렬 전환기가 도입되었다. Gbps 급의 데이터 전송 속도에서 안정적으로 통신을 하기 위해 채널 손실로 인한 신호 감쇄에 대한 보상이 필요하다. 채널 손실은 각 필터를 통해 보상할 수 있으며, 송신기와 수신기의 손실 보상 비율이 시스템 성능에 영향을 미친다. 또한 채널 감쇄, 채널 잡음, 디지털-아날로그 변환기 및 아날로그-디지털 변환기의 양자화 잡음의 정도도 시스템 성능에 영향을 미치며, 이는 송신기와 수신기 간의 보상 정도에 상충 관계가 발생하므로 적절한 보상 비율을 결정하는 것이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 다양한 채널 손실, 채널 잡음, 양자화 잡음 환경에서 각 송수신기 필터의 성능 이득을 조사하고 시뮬레이션을 통해 적절한 보상비를 도출한다.

Data traffic on in-vehicle networks (IVNs) rises as more devices are embedded in vehicles. We propose a study to improve the system performance in bus and point-to-point (P2P) IVN topologies. First, bus architectures can be weight- and fuel-efficient by reducing wire harnesses, but they cannot handle growing data traffic. Furthermore, the nature of shared media limits the ability to transmit critical messages with a short wait time. We proposed methods to improve the data rate and reduce the latency of critical messages in the bus topology. These support tens of Mbps sensor nodes in a bus architecture and low-latency transmission of critical messages from the control node. In P2P topology, automotive Ethernet and serializer/deserializer (SerDes) enabling data transmission of tens of Gbps, such as high-resolution cameras and displays, have been introduced. For reliable communication with a high data rate, there are filters in the transmitter and receiver that compensate for the channel loss. The system performance depends on the compensation ratio between transmitter and receiver because there are trade-offs according to channel loss, channel noise, and quantization noise. In this paper, the performance gain of each transmitter and receiver filter is examined and derived the appropriate compensation ratio in an environment with variable channel loss, channel noise, and quantization noise.