10BASE-T1S는 어떻게 통신할까? DME와 PLCA 동작 원리 이해하기

자동차 산업은 SDV(Software Defined Vehicle)와 자율주행 기술의 발전으로 인해 차량 내부에서 처리해야 하는 데이터가 급격히 증가하고 있다. 과거에는 CAN, LIN, FlexRay와 같은 차량 전용 네트워크가 대부분의 ECU 간 통신을 담당했지만, 최근에는 Automotive Ethernet이 차세대 차량 네트워크의 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

 

특히 차량 내 수많은 센서와 ECU를 보다 효율적으로 연결하기 위해 등장한 기술이 바로 10BASE-T1S이다.

 

10BASE-T1S는 IEEE 802.3cg 표준에 정의된 Single Pair Ethernet 기술로, 하나의 통신선에 여러 노드를 연결할 수 있는 멀티드롭(Multi-Drop) 구조를 지원한다. 기존 CAN 버스와 유사한 배선 구조를 유지하면서도 Ethernet 기반 통신의 장점을 제공하기 때문에 차세대 차량 네트워크 기술로 주목받고 있다.

 

이번 글에서는 10BASE-T1S가 실제로 어떻게 데이터를 전송하는지, 그리고 핵심 기술인 DME(Differential Manchester Encoding)와 PLCA(Physical Layer Collision Avoidance)의 동작 원리를 알아본다.

 

10BASE-T1S의 기본 구조

기존 Automotive Ethernet인 100BASE-T1 또는 1000BASE-T1은 Point-to-Point 방식으로 연결된다.

즉, ECU와 ECU 사이가 1:1로 연결되는 구조이다.

반면 10BASE-T1S는 하나의 통신 버스에 여러 ECU를 연결할 수 있다.

                ECU #1
                   │
                ECU #2
                   │
=================================
      10BASE-T1S Single Pair
=================================
                   │
                ECU #3
                   │
                ECU #4

 

이러한 구조는 배선 수를 줄이고 차량 무게를 감소시키며 네트워크 구성을 단순화하는 장점을 제공한다.

 

DME(Differential Manchester Encoding)란?

 

10BASE-T1S는 데이터를 전송하기 위해 DME(Differential Manchester Encoding) 방식을 사용한다. DME는 전압의 절대값을 이용하는 것이 아니라 클록 구간 내에서 신호의 전환(Transition)이 발생하는지를 기준으로 데이터를 표현한다.

 

DME 인코딩 규칙

클록 구간 내 전환 발생

        ↓

        1

 

클록 구간 내 전환 없음

        ↓

        0

 

예를 들어 다음과 같은 데이터가 있다고 가정해 보자.

 

데이터

1    0   1   1    0
|----|----|----|----|----|

 

각 클록 구간에서 전환 여부를 확인하여 데이터를 해석하게 된다.

 

왜 DME를 사용하는가?

자동차 환경은 매우 강한 전기적 노이즈가 발생하는 환경이다.

대표적으로 다음과 같은 요소들이 존재한다.

• 모터 구동
• 릴레이 동작
• 인버터 스위칭
• 배터리 전압 변동
• EMC 노이즈

DME는 신호 변화 자체를 이용하기 때문에 노이즈에 강한 특성을 가진다.

또한 모든 비트 구간에 클록 정보가 포함되어 있어 수신 측에서 클록 복구가 용이하다.

이러한 특성 덕분에 차량 환경에서도 안정적인 데이터 전송이 가능하다.

 

멀티드롭 환경에서 발생하는 문제

10BASE-T1S는 하나의 버스를 여러 ECU가 공유한다.

그렇다면 다음과 같은 상황이 발생할 수 있다.

ECU #1 → 전송 시도
ECU #2 → 전송 시도
ECU #3 → 전송 시도

 

여러 노드가 동시에 데이터를 송신하면 충돌(Collision)이 발생할 수 있다.

 

일반 Ethernet에서는 CSMA/CD 방식으로 충돌을 감지한 후 재전송을 수행하지만, 자동차 제어 시스템에서는 이러한 방식이 적합하지 않다. 브레이크, 조향, 센서 데이터와 같은 제어 신호는 일정한 시간 내에 반드시 전달되어야 하기 때문이다.

 

이를 해결하기 위해 10BASE-T1S는 PLCA라는 기술을 사용한다.

 

PLCA란 무엇인가?

 

PLCA(Physical Layer Collision Avoidance)는 물리 계층에서 충돌을 방지하기 위한 메커니즘이다.

이름 그대로 충돌이 발생한 후 처리하는 것이 아니라, 충돌 자체가 발생하지 않도록 설계되었다.

 

PLCA 네트워크에 연결된 모든 노드는 고유한 PHY ID를 가진다.

예를 들어 다음과 같이 구성될 수 있다.

PHY ID 0

PHY ID 1

PHY ID 2

PHY ID 3

 

PLCA는 이 PHY ID를 기준으로 순차적으로 전송 기회를 제공한다.

 

PLCA의 동작 과정

 

1. Beacon 전송

PHY ID 0을 가진 노드는 Coordinator 역할을 수행한다.

Coordinator는 주기적으로 Beacon을 전송하여 새로운 PLCA 주기의 시작을 알린다.

 

2. 전송 기회 부여

Beacon 이후 각 PHY ID에게 순차적으로 전송 기회(Transmit Opportunity)가 부여된다.

Beacon
 ↓
ID0 → ID1 → ID2 → ID3

 

자신의 차례가 된 노드만 데이터를 전송할 수 있다.

 

3. 데이터 전송 또는 Skip

전송할 데이터가 있다면 해당 슬롯에서 데이터를 송신한다.

[B] [0] [1] [2] [3]

Node 1 → DATA 전송

 

전송할 데이터가 없다면 슬롯을 비워두고 다음 노드로 넘어간다.

[B] [0] [ ] [2] [ ]

Node 1 Skip
Node 3 Skip

 

4. 다음 주기 반복

모든 노드의 기회가 종료되면 Coordinator가 다시 Beacon을 전송하고 새로운 주기가 시작된다.

Beacon
 ↓
ID0
 ↓
ID1
 ↓
ID2
 ↓
ID3
 ↓
Beacon

 

이 과정이 반복되면서 충돌 없는 통신이 이루어진다.

 

PLCA가 중요한 이유

 

많은 사람들이 PLCA를 단순히 충돌 방지 기술로 이해한다.

하지만 실제로 더 중요한 목적은 결정론적 통신(Deterministic Communication)을 제공하는 것이다.

 

즉,

• 언제 데이터를 보낼 수 있는지
• 최대 지연 시간이 얼마인지
• 통신 응답 시간이 얼마나 걸리는지

를 예측할 수 있다.

 

자동차 제어 시스템에서는 이러한 예측 가능성이 매우 중요하다.

 

10Mbps면 충분한가?

 

10BASE-T1S를 처음 접하면 "10Mbps는 너무 느린 것 아닌가?"라는 의문이 생길 수 있다.

하지만 10BASE-T1S의 목표는 고속 데이터 전송이 아니다.

 

주요 적용 분야는 다음과 같다.

• 도어 ECU
• 시트 ECU
• 조명 제어 ECU
• HVAC 제어기
• 바디 컨트롤 모듈(BCM)
• 스마트 센서 네트워크

이러한 장치들은 상대적으로 작은 데이터를 주기적으로 송수신하기 때문에 10Mbps면 충분하다.

반대로 카메라, 레이더, 라이다와 같은 대용량 데이터 장치는 100BASE-T1 또는 1000BASE-T1을 사용한다.

 

100BASE-T1과 100BASE-T1의 차이

항목	10BASE-T1S 1	100BASE-T1
속도	10Mbps	100Mbps
연결 방식	Multi-Drop	Point-to-Point
주요 용도	ECU 네트워크	고속 센서 데이터
배선 구조	Bus 형태	1:1 연결
대표 적용	BCM, Door ECU	Camera, Radar

 

10BASE-T1S는 고속 Ethernet을 대체하는 기술이 아니라,

Ethernet 네트워크를 차량 전체로 확장하기 위한 기술이라고 볼 수 있다.

 

정리

 

10BASE-T1S는 단순히 속도가 10Mbps인 저속 이더넷 기술이 아니다.

 

차량 내 수많은 ECU와 센서를 Ethernet 기반으로 통합하기 위한 핵심 기술이며, DME를 통한 안정적인 신호 전송과 PLCA를 통한 결정론적 통신을 제공함으로써 차세대 SDV(Software Defined Vehicle) 아키텍처의 중요한 구성 요소로 주목받고 있다.

 

특히 기존 CAN과 LIN 네트워크가 담당하던 Body Domain 영역을 Ethernet 기반으로 전환할 수 있게 해주는 기술로 평가받고 있으며, 향후 Automotive Ethernet 확산과 함께 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 예상된다.