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글/ 아른트 슈에벨(Arndt Schuebel), 애플리케이션 I4.0 유선 커넥티비티 부문 테크니컬 마케팅, 온세미

새로운 네트워크 프로토콜은 성능에서 다른 부분들이 있지만, 일반적으로 더 많은 데이터 처리량을 제공하기 위해 개발된다. 예를 들어, 공장, 건물의 센서와 액추에이터는 데이터가 거의 필요하지 않지만 ‘엣지’에서 작동하려면 다른 사항들이 요구된다.

현재 이러한 디바이스에 사용할 수 있고 이미 사용되고 있는 여러 프로토콜이 있는데, 이는 사용자에게 복잡성과 비용을 발생시킨다. 이를 해결하기 위해 IEEE는 SPE(single pair of Ethernet) 케이블을 사용하여 데이터를 최대 10Mb/s 속도로 전송하는 방법을 연구하는 태스크포스를 구성했다. 이를 성공할 경우 공장(인더스트리 4.0), 자동차 및 기타 애플리케이션에서 이점을 얻을 수 있다.

그림1. 인더스트리 4.0은 네트워킹에 대한 다양한 과제를 야기한다

IEEE 프로젝트의 결과로 2019년 ‘엣지’ 애플리케이션에 SPE의 장점을 제공하는 IEEE 802.3cg 표준이 발표됐다. 본 기고에서는 10BASE-T1S가 이 표준에서 어떻게 추가로 발전했는지 살펴보고, 이를 지원하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 기술을 고려한다. 

결정론의 필요성

SPE는 한동안 포인트 투 포인트 구성으로 존재했지만, 높은 데이터 속도에도 불구하고 많은 애플리케이션에서 신속하고 반복 가능한 작동이 요구되는 데 필요한 결정론이 부족했다. 

이더넷은 공유 네트워크 매체(케이블)에 액세스 권한을 얻는 노드를 결정하기 위해 CSMA/CD(carrier-sense multiple access with collision detection)를 기반으로 한다. 충돌이 감지되면, 전송 노드는 다시 시도하기 전에 임의의 시간 동안 전송을 중지한다. 이러한 프로세스는 충돌로 인한 데이터 손상을 방지하지만, 무작위 지연 시간으로 인해 시간 보장이 불가능하다. 

테이블을 둘러앉아 회의를 한다고 생각해보자. 두 사람이 동시에 말을 하다가 멈추면, 임의의 숫자를 세고 다시 시도한다. 그러면 일부 사람들은 다시 말하기 위해 오랜 시간을 기다려야 하는 것을 알 수 있는데, 이것이 바로 비결정적 시스템의 노드가 직면한 과제이다. 

산업 및 오토모티브 애플리케이션의 경우, 무작위 지연이 발생하는 제동 또는 조향 시스템은 매우 위험할 수 있기 때문에 결정론은 내장되어야 했다. 10BASE-T1S(최대 25미터 길이의 케이블을 통해 최대 10Mb/s의 속도로 멀티 드롭 데이터 통신이 가능하도록 설계된 네트워크 프로토콜)가 개발되는 동안 이러한 내용이 핵심 목표였다.  

PCLA(Physical Layer Collision Avoidance)로 알려진 새로운 매체 액세스 프로토콜은 반이중(half-duplex) 멀티드롭 네트워크에서 최대 레이턴시를 보장한다. PLCA 전송 주기는 비콘 신호를 보내는 코디네이터(노트 0)에 의해 시작되어 다른 모든 네트워크 노드가 동기화될 수 있도록 한다. 다음 단계는 첫 번째 노드(노드 1)에 전송할 기회(offer)를 제공하는 것이다. 만약 데이터가 없다면 노드2에 전송 기회가 제공되고, 이는 모든 노드가 하나 이상의 전송 기회를 받을 때까지 반복된다. 일단 이 사이클이 완료되면 다른 비콘 신호의 전송으로 다시 시작한 다음 전송 기회를 제공한다. 

단일 노드가 데이터 버스를 독점할 수 없도록 ‘버스트(burst) 모드’ 설정을 통해 전송 기회당 프레임 수를 설정할 수 있다. 기본값은 전송 기회당 1프레임이지만, 애플리케이션 필요에 따라 최대 128 프레임까지 설정할 수 있다. 데이터 충돌이 발생할 수 없으며, 이러한 설정은 전체 처리량에 영향을 미치지 않는다.

그림2. PLCA 접근 방식은 10BASE-T1S의 결정성을 보장한다

일반적인 이더넷 케이블은 4쌍의 트위스트 와이어로 구성돼 있어 일반적으로 저비용 설치에 비해 너무 비싸다고 여겨진다. 케이블의 두께와 무게로 인해 설치가 어려울 수 있다. 10BASE-T1S이 개발된 당시, 싱글 트위스트 페어를 기반으로 하여 비용을 크게 낮추고 설치가 용이했다.

산업 환경은 주로 온도 측면에서 열악할 뿐만 아니라 중장비와 스위치기어로 인해 전기적 잡음이 발생하기 때문에 네트워킹에 어려움이 있다.

이더넷의 초기 버전은 전자파 적합성(EMC)을 위해 설계되지 않았지만, 10BASE-T1S는 산업용으로 특별히 개발됐기 때문에 열악한 산업 환경에서도 안정적인 작동이 핵심 설계 목표였다. 

해당 목표는 달성됐고, 10BASE-T1S는 대부분의 프로토콜보다 더 나은 EMC 성능을 제공한다. 또한 비차폐(unshielded) 싱글 페어 케이블을 통해 전송할 때 Class 3 IEC61000-4-6 EMI 요건을 충족할 수 있다. 이는 높은 수준의 전기적 잡음 중에서 신호를 식별하여 충돌 방지 기능을 하는 PLCA의 부수적인 이점이다.

산업용 엣지 애플리케이션에서의 10BASE-T1S

10BASE-T1S는 산업 분야의 장비 설계자와 운영자에게 다음과 같은 여러가지 이점을 제공한다.

· 온도 및 압력 센서

· 로봇과 HVAC 액추에이터

· 팬(Fan)

· 전압 모니터

· 전력 컨버터

낮은 데이터 속도로 제어 캐비닛에 연결된 다른 모듈과 함께 적용된다.

RS-485, UART, 필드버스(FieldBus)와 같은 기존 기술은 싱글 케이블 멀티 드롭 시스템으로 대체할 수 있다. 성능에 영향을 미치거나 비용이 많이 드는 다운타임 없이 디바이스를 제거하거나 교체할 수 있어서 유지/보수 측면에서도 이점이 있다. 모든 것이 단일 프로토콜로 단일 케이블에서 실행되므로 게이트웨이, 스위치, 프로토콜 변환기와 같은 장비가 더 이상 필요하지 않으며 비용, 공간, 전력 사용량을 절약할 수 있다.

다기능 MACPHY 트랜시버

대부분의 경우 10BASE-T1S 이더넷 PHY 컨트롤러는 차폐되지 않은 싱글 페어 케이블을 통해 데이터를 송수신하는 데 필요한 물리적 계층 기능만을 제공한다. MAC(media access controller)와 통신하기 위한 MII(media independent interface)도 포함하는 것이 일반적이다. 

온세미가 새롭게 개발한 IEEE 802.3cg 호환 이더넷 트랜시버(NCN26010)는 MAC, PLCA RS(reconciliation sublayer), 10BASE−T1S PHY를 단일 패키지로 결합하여 다른 솔루션의 2계층 접근 방식을 제거하여 차별화된 접근 방식을 취한다. 

그림3. 10BASE-T1S 트랜시버를 통합한 온세미의 NCN26010 

따라서 NCN26010는 싱글 UTP(unshielded twisted pair)를 통해 데이터를 송수신하고 오픈 얼라이언스 MACPHY SPI(Open Alliance MACPHY SPI) 프로토콜을 통해 호스트 MCU와 통신하는 데 필요한 물리 계층 기능을 제공하기 위해 필요한 모든 것이 포함돼 있다. PHY와 MAC가 통합되어 있기 때문에 NCN26010 기반 10BASE-T1S 이더넷은 통합 MAC이 없는 중저가 MCU가 탑재된 센서 및 기타 산업용 디바이스와 사용될 수 있다. 시스템 설계자의 경우 복잡성이 줄어들고 시스템 설치 후 노드를 재구성할 수 있다.

전기적인 잡음이 많은 공장 환경에서 사용하도록 설계된 NCN26010은 IEC6100-4-6 전도성 내성 테스트를 충족하는 우수한 BER(bit error rate) 성능과 함께 잡음 내성(noise immunity) 모드를 갖추고 있다. 결과적으로 NCN26010은 최대 50m 케이블 길이에서 최대 8개의 노드를 지원할 수 있다(IEEE 802.3cg 표준을 충족하려면 25m가 필요함). 또한 디바이스 라인 핀의 커패시턴스를 줄여 최대 40개의 노드를 단일 25m 싱글 페어 케이블에 연결할 수 있다. 이는 IEEE 802.3cg의 요구 사항을 5배 초과하는 수치이다. 

이더넷의 계층적 접근 방식을 채택하여 NCN26010 내에서 PHY로 변경해도 상위 계층에 영향을 미치지 않는다. 따라서 소프트웨어 유지 관리가 더욱 간단해지고 비용이 절감된다. 

콤팩트한 솔루션에 대한 필요성을 인식한 이 트랜시버는 4mm x 4mm QFN32 또는 5mm x 5mm TQFP32 패키지로 제공된다. 이는 산업 및 공장 애플리케이션은 물론 건물 자동화, 가로등, 철도 운송 및 여러 자동차 애플리케이션에서 사용하기에 매우 적합하다. 

최신 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 이더넷

원래 사무실의 컴퓨터와 주변 장치를 연결하기 위한 무선 네트워크 프로토콜로 고안된 이더넷은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 네트워킹 표준이 됐다. 그리고 원래 가능하다고 생각했던 것보다 더 많은 애플리케이션에서 사용된다. 

10BASE-T1S가 출시되면서 이더넷은 이제 새로운 멀티 드롭, 결정론적 작동으로 인해 자동차, 산업 및 엣지 컴퓨팅을 포함한 더 많은 애플리케이션에 추가된다.