KR20220103321A

KR20220103321A - 에이치에스알 프로토콜을 사용하는 차량 내부 네크워크 및 이의 설계 방법

Info

Publication number: KR20220103321A
Application number: KR1020210005772A
Authority: KR
Inventors: 이종명; 박상윤; 박진표; 김동환; 이나영
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-07-22
Also published as: KR20230041984A; KR102511640B1

Abstract

HSR 프로토콜을 사용하는 차량 내부 네트워크 및 이의 설계 방법이 개시된다. 상기 차량 내부 네트워크는 동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 적어도 하나의 필드 및 각 필드의 노드들로부터 제공되는 이더넷 프레임을 HSR 프레임으로 변환하는 레드박스들을 포함한다. 여기서, 상기 레드박스들은 HSR 기반 이더넷 프로토콜로 연결되는 하나의 링을 구성하고, 제 1 레드박스는 상기 HSR 프레임을 양방향으로 전송하며, 상기 전송된 HSR 프레임을 수신한 제 2 레드박스는 상기 수신된 HSR 프레임을 이더넷 프레임으로 변환하고, 상기 제 1 레드박스에서 일방향으로 전송된 HSR 프레임이 상기 제 2 레드박스에 도달하지 않더라도, 상기 제 2 레드박스는 상기 제 1 레드박스에서 타방향으로 전송된 HSR 프레임의 수신이 가능하다.

Description

에이치에스알 프로토콜을 사용하는 차량 내부 네크워크 및 이의 설계 방법{INTERNAL NETWORK OF VEHICLE WITH HSR PROTOCOL AND DESIGN METHOD THEREOF}

본 발명은 HSR 프로토콜을 사용하는 차량 내부 네트워크 및 이의 설계 방법에 관한 것이다.

현재, 차량에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 다양한 프로토콜들을 사용하는 ECU들이 존재하고, 이러한 ECU들이 복잡하게 설계되어 있다. 인명 손실을 막기 위해서는 네트워크 고장시 빠른 시간내 복구가 완료되어야 하지만, 현재는 실시간으로 고장 복구를 할 수가 없다.

KR

10-2020-0143780

A

본 발명은 HSR 프로토콜을 사용하는 차량 내부 네트워크 및 이의 설계 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 내부 네트워크는 동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 적어도 하나의 필드; 및 각 필드의 노드들로부터 제공되는 이더넷 프레임을 HSR 프레임으로 변환하는 레드박스들을 포함한다. 여기서, 상기 레드박스들은 HSR 기반 이더넷 프로토콜로 연결되는 하나의 링을 구성하고, 제 1 레드박스는 상기 HSR 프레임을 양방향으로 전송하며, 상기 전송된 HSR 프레임을 수신한 제 2 레드박스는 상기 수신된 HSR 프레임을 이더넷 프레임으로 변환하고, 상기 제 1 레드박스에서 일방향으로 전송된 HSR 프레임이 상기 제 2 레드박스에 도달하지 않더라도, 상기 제 2 레드박스는 상기 제 1 레드박스에서 타방향으로 전송된 HSR 프레임의 수신이 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 내부 네트워크는 동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 적어도 하나의 필드; 및 각 필드의 노드들과 연결되는 쿼드박스들을 포함한다. 여기서, 각 필드별로 노드들이 서브링을 구성하고, 상기 쿼드박스들이 백본링을 구성하며, 상기 백본링 및 상기 서브링이 각기 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하고, 제 1 쿼드박스는 해당 필드로부터 전송된 HSR 프레임을 상기 백본링의 양방향으로 전송하며, 상기 제 1 쿼드박스에서 일방향으로 전송된 HSR 프레임이 제 2 쿼드박스에 도달하지 않더라도, 상기 제 2 쿼드박스는 상기 제 1 쿼드박스에서 타방향으로 전송된 HSR 프레임의 수신이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차량 내부 네트워크 설계 방법은 동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 필드에서 상기 노드들을 연결하는 하나의 링을 설계하는 단계; 상기 링이 레이턴시 제한을 만족하는 지를 판단하는 단계; 및 상기 레이턴시 제한을 만족하지 못하면, 상기 링을 나누어 복수의 링들을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 모든 링들은 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용한다.

본 발명에 따른 차량 내부 네트워크는 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 가지는 링 토폴로지를 사용하므로, 네트워크 고장시 빠른 복구가 가능하고 신뢰도가 향상될 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 차량의 내부 네트워크를 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일링 HSR 토폴로지를 도시한 도면이다.
도 4는 HSR 네트워크에서의 동작을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중링 토폴로지를 도시한 도면이다.
도 6은 HSR 네트워크에서 쿼드박스(QuadBox)의 동작을 도시한 도면이다.
도 7은 도메인 당 노드의 개수가 증가할 때 프레임별 end-to-end 레이턴시를 도시한 도면이다.
도 8은 도메인 당 노드의 개수가 50개일 때 프레임별 end-to-end 레이턴시를 도시한 도면이다.
도 9는 프레임 크기에 따른 도메인 당 노드의 최대 개수를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 다른 다중링 토폴로지를 도시한 도면들이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명은 차량 내부 네트워크에 관한 것으로서, HSR 기반 이더넷 프로토콜로 구성된 링 토폴로지를 사용하여 네트워크 고장시 실시간으로 고장을 복구할 수 있다. 결과적으로, 치명적인 인명 손실을 방지할 수 있다. 또한, ECU 노드의 수가 증가할 지라도 효율성을 유지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 필드(도메인) 내의 서브링은 레이턴시 제한을 만족하도록 설계될 수 있으며, 상기 서브링이 레이턴시 제한을 만족하지 못하면 상기 서브링이 복수의 서브링들로 나뉘어지도록 설계될 수 있다.

기존에는 차량 내에 다양한 프로토콜(CAN, FlexRay, MOST, LIN 등)이 혼재되어 사용되어 네트워크가 복잡하였다. 결과적으로, 차량 제조 비용이 증가하고 많은 배선들로 인하여 차량의 무게가 증가하여 연료 효율이 저하되었다.

향후, 자율 주행차가 요구하는 대용량/초고속 통신에 대응하기 위해 많은 ECU 노드 수가 지속적으로 증가될 가능성이 높다. 이 경우, 다양한 프로토콜을 사용하는 기존 네트워크로는 효율성이 점점 나빠질 수 밖에 없다.

따라서, 본 발명은 네트워크 효율성을 향상시킬 수 있는 차량 내부 네트워크를 제안한다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일링 HSR 토폴로지를 도시한 도면이고, 도 4는 HSR 네트워크에서의 동작을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예의 차량 내부 네트워크는 단일링으로 구성된 링 토폴로지를 가질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 각 레드박스(redbox, 300, 302, 304 또는 306)는 게이트웨이(310)를 통하여 필드(도메인) 내의 노드들(예를 들어 ECU, 312)에 연결될 수 있으며, 상기 링은 레드박스들(redbox, 300, 302, 304 및 306)을 HSR 기반 이더넷 프로토콜로 연결함에 의해 형성될 수 있다.

HSR 기반 이더넷 프로토콜 사용하면, 도 4에 보여지는 바와 같이 소스 노드의 상위 계층에서 생성된 이더넷 프레임을 2개의 프레임(A 프레임 및 B 프레임)으로 이중화한 후, 네트워크의 양방향으로 동시에 전송할 수 있다. 따라서, 네트워크 고장으로 인하여 하나의 경로에서 프레임을 전달받지 못하더라도, 다른 방향에서 전송된 프레임이 목적지로 도달할 수 있으며, 그 결과 네트워크가 문제없이 동작할 수 있다. 여기서, A 프레임과 B 프레임은 동일한 프레임일 수 있다.

도 3에서 살펴보면, 예를 들어 제 1 레드박스(300)로부터 출력된 A 프레임은 제 2 레드박스(302), 제 3 레드박스(304) 및 제 4 레드박스(306)로 순차적으로 전송될 수 있고, 제 1 레드박스(300)로부터 출력된 B 프레임은 제 4 레드박스(306), 제 3 레드박스(304) 및 제 2 레드박스(302)로 순차적으로 전송될 수 있다. 이 때, 상기 A 프레임과 상기 B 프레임은 제 1 레드박스(300)로부터 양방향으로 동시에 출력될 수 있다.

한편, 단일링에 연결된 레드박스(300, 302, 304 및 306)은 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하지만, 노드들(312)은 HSR 기반 이더넷 프로토콜로 연결되지 않고 기존의 통신 프로토콜을 사용할 수 있다.

구체적으로는, 동일한 프로토콜을 사용하는 차량의 노드들이 묶여 하나의 필드를 형성할 수 있다. 도 3에서는 4개의 필드들(power train, chassis, body 및 infotainment/drive assistance)이 보여진다.

즉, 이러한 필드들이 이더넷을 사용하여 백본으로 상호 연결될 수 있다. 이러한 내부 네트워크는 백본 네트워크를 제외하고 나머지 네트워크를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히, HSR 기반 이더넷 네트워크는 차량의 다른 통신 네트워크에 비해 속도가 현저히 빠르므로, 기존 네트워크의 속도를 유지한 채 HSR 프로토콜을 통한 내부 네트워크의 신뢰성을 확보할 수 있다.

이러한 내부 네트워크에서 하나의 필드에서 다른 필드로 프레임을 전송할 경우, 해당 레드박스는 게이트웨이(310)로부터 수신한 이더넷 프레임을 HSR 프레임으로 변환하여 백본링의 양방향으로 전송하며, 목적지의 레드박스는 수신한 HSR 프레임을 이더넷 프레임으로 변환한 후 게이트웨이(310)로 전달되며, 이러한 이더넷 프레임은 각 필드에서 사용하고 있는 통신 표준에 맞는 프레임으로 변환된 후 상기 필드 내의 각 노드(312)로 전송될 수 있다.

정리하면, 본 실시예의 차량 네트워크는 통신 프로토콜을 기준으로 그룹화된 필드들을 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하는 백본링으로 연결시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 특히, 기존 네트워크의 필드들을 그대로 사용하므로, 큰 비용 없이도 차량의 신뢰성 확보를 위한 토폴로지를 형성할 수 있다.

다만, 이러한 구조에서는 각 필드가 HSR 기반 이더넷 네트워크를 사용하지 않으므로, 각 필드의 네트워크 말단까지는 신뢰성이 미치지 못할 수 있다. 따라서, 신뢰성을 더 높이기 위하여, 이중링 토폴로지 및 다중링 토폴리지가 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중링 토폴로지를 도시한 도면이고, 도 6은 HSR 네트워크에서 쿼드박스(QuadBox)의 동작을 도시한 도면이며, 도 7은 도메인 당 노드의 개수가 증가할 때 프레임별 end-to-end 레이턴시를 도시한 도면이다. 도 8은 도메인 당 노드의 개수가 50개일 때 프레임별 end-to-end 레이턴시를 도시한 도면이고, 도 9는 프레임 크기에 따른 도메인 당 노드의 최대 개수를 도시한 도면이며, 도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 다른 다중링 토폴로지를 도시한 도면들이다.

도 5를 참조하면, HSR 기반 이더넷 프로토콜로 쿼드박스들(QuadBox)을 연결하는 백본링(600)과 각 필드에서 HSR 기반 이더넷 프로토콜로 노드들을 연결하는 적어도 하나의 서브링(602)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 쿼드박스는 도 6에 도시된 바와 같이 2개 이상의 링들을 연결하는 장치로서, 2개의 링들 사이에 프레임을 전송할 수 있으면 특정 장치로 제한되지 않는다.

즉, 백본링만 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하는 단일링 토폴로지와 달리, 이중링 토폴로지에서는 백본링뿐만 아니라 각 필드 또한 HSR 기반 이더넷 프로토콜에 기반한 링 토폴로지로 구성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각 필드(power train, chassis, body 또는 infotainment/drive assistance)의 노드들이 개별 서브링을 구성한다.

즉, 백본링뿐만 아니라 필드의 노드들 또한 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하므로, 상기 내부 네트워크의 신뢰성이 더 높아질 수 있다.

다만, 차량에서는 안전한 운전을 위하여 표 1에 도시된 바와 같이 필드마다 만족해야 하는 레이턴시 제한(latency constraint)이 존재한다.

필드(도메인)	End-to-End Latency Requirements
Powertrain	< 10 us
Chassis	< 10 us
Body	< 10 ms
Drive Assistance	< 250 us or 1 ms (depending on system)
Human-Machine Interface	< 10 ms

도 7에 도시된 바와 같이 필드 내의 노드의 수가 일정 개수 이상이 되면 레이턴시 제한을 만족할 수가 없고, 도 8에 도시된 바와 같이 노드 수가 일정하더라도 프레임 크기가 증가하면 레이턴시도 점점 증가하게 된다. 실제로 테스트해보면, 프레임 사이즈를 최대로 설정한 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 서브링당 20개 이상의 노드를 사용할 수 없음을 확인하였다.

따라서, 상기 내부 네트워크는 서브링별로 해당 레이턴시 제한을 고려하여 서브링의 개수를 결정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 예를 들어 infotainment/drive assistance 필드에서 하나의 서브링으로 노드들을 구성시 레이턴시 제한을 만족하지 못하면, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 infotainment/drive assistance 필드를 위해 복수의 서브링들로 필드를 구성할 수 있다. 결과적으로, 각 서브링의 레이턴시가 감소하므로, 각 서브링은 레이턴시 제한을 만족하게 된다.

즉, 필드에서 하나의 서브링으로 노드들을 구성시 레이턴시 제한을 만족하지 못하면, 레이턴시 제한을 만족시키는 서브링들로 나누어서 필드를 구성할 수 있다. 이 때, 서브링을 나누는 방법은 필드 내의 호환성과 중요도를 고려하여 수행될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 필드마다 전체 노드의 수, 프레임 크기 및 레이턴시 제한을 고려하여, 적절한 수의 서브링들을 생성할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 필드마다 하나의 서브링을 구성하고, 상기 서브링의 레이턴시 제한을 만족하는지 검출하며, 레이턴시 제한을 만족하지 않으면 상기 서브링을 2개의 서브링으로 나눌 수 있다. 이러한 과정이 모든 서브링이 레이턴시 제한을 만족될때까지 수행될 수 있다.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

300, 302, 304, 306 : 레드박스 310 : 게이트웨이
312 : 노드(ECU)

Claims

동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 적어도 하나의 필드; 및
각 필드의 노드들로부터 제공되는 이더넷 프레임을 HSR 프레임으로 변환하는 레드박스들을 포함하되,
상기 레드박스들은 HSR 기반 이더넷 프로토콜로 연결되는 하나의 링을 구성하고, 제 1 레드박스는 상기 HSR 프레임을 양방향으로 전송하며, 상기 전송된 HSR 프레임을 수신한 제 2 레드박스는 상기 수신된 HSR 프레임을 이더넷 프레임으로 변환하고,
상기 제 1 레드박스에서 일방향으로 전송된 HSR 프레임이 상기 제 2 레드박스에 도달하지 않더라도, 상기 제 2 레드박스는 상기 제 1 레드박스에서 타방향으로 전송된 HSR 프레임의 수신이 가능한 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
제1항에 있어서, 상기 필드는 power train 필드, chassis 필드, body 필드 및 infotainment/drive assistance 필드를 포함하되,
상기 각 필드들은 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
제1항에 있어서, 각 필드의 노드들은 해당 게이트웨이를 통하여 해당 레드박스에 연결되되,
상기 게이트웨이는 상기 변환된 이더넷 프레임을 해당 필드의 통신 프로토콜에 맞는 프레임으로 변환한 후 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 적어도 하나의 필드; 및
각 필드의 노드들과 연결되는 쿼드박스들을 포함하되,
각 필드별로 노드들이 서브링을 구성하고, 상기 쿼드박스들이 백본링을 구성하며,
상기 백본링 및 상기 서브링이 각기 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하고, 제 1 쿼드박스는 해당 필드로부터 전송된 HSR 프레임을 상기 백본링의 양방향으로 전송하며, 상기 제 1 쿼드박스에서 일방향으로 전송된 HSR 프레임이 제 2 쿼드박스에 도달하지 않더라도, 상기 제 2 쿼드박스는 상기 제 1 쿼드박스에서 타방향으로 전송된 HSR 프레임의 수신이 가능한 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
제4항에 있어서, 적어도 하나의 필드에 복수의 서브링들이 존재하되,
상기 서브링들은 모두 레이턴시 제한(latency constraint)을 만족하며, 상기 필드들 중 적어도 하나는 다른 레이턴시 제한을 가지는 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
제5항에 있어서, 상기 필드에 하나의 서브링이 설계된 후 상기 서브링이 레이턴시 제한을 만족하지 못하는 경우 상기 서브링이 복수의 서브링으로 나누어지는 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
제6항에 있어서, 상기 서브링을 나누는 것은 상기 필드 내의 호환성과 중요도를 고려함에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크.
동일한 프로토콜을 사용하는 노드들의 집합인 필드에서 상기 노드들을 연결하는 하나의 링을 설계하는 단계;
상기 링이 레이턴시 제한을 만족하는 지를 판단하는 단계; 및
상기 레이턴시 제한을 만족하지 못하면, 상기 링을 나누어 복수의 링들을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 모든 링들은 HSR 기반 이더넷 프로토콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 차량 내부 네트워크 설계 방법.