自動車業界におけるネットワーク技術の重要性
Sonatus 3月下旬、ドイツのミュンヘンで開催された「Automotive Ethernet Congress」に参加しました。このイベントには、26カ国から1000名以上の参加者、講演者、出展者が集まりました。このイベントは、自動車用イーサネットのエコシステムを牽引するエネルギーを存分に感じさせるものでした。自動車技術の世界に深く関わっていく中で、「ソフトウェアが世界を飲み込んでいる」という考えが頭から離れません。しかし、私はこれを「ネットワークが世界を飲み込んでいる」と改めるべきかもしれません。 自動車において、従来は孤立したコンポーネント内に存在していたソフトウェア機能は、今や他のソフトウェア機能に開放されています。それらの機能には、集中管理されているもの、クラウド上にあるもの、さらには近隣の車両に配置されている可能性のあるものもあります。これはサービスやアプリケーションに多大な影響を及ぼします。その結果、サービス品質、帯域幅、信頼性、セキュリティ、消費電力、コストの面で、ネットワークに多大な負荷がかかることになります。「Automotive Ethernet Congress」では、イーサネット技術の応用を通じて、この「ネットワークに飲み込まれた世界」がどのように実現されるのかを見極める機会が得られました。以下に、3つの重要なポイントをご紹介します。
1. 高性能な車両ネットワークの構築が極めて重要となる
イーサネット技術は、公共・民間を問わず、有線インターネットの標準となっています。しかし、従来の車載ネットワークは、CANやFlexRayなど、いくつかの代替技術で構成されています。これらの技術は、低コストと決定論的な性能を兼ね備えており、車載ネットワークにとって有利な特性を有していますが、インターネットやクラウド技術を車両に導入しようとする際、これらの従来のネットワークには、MTU、帯域幅、効率、冗長性、およびQoSに関する課題があります。
10BASE-T1S PHYは、既存のイーサネットPHYに関連する課題を解決すると同時に、低コストのECUにイーサネットMAC機能を提供することで、ゲートウェイやトンネリング方式を必要とせずに、車両全体にネットワーク層の接続性を実現します。これにより、サービス指向アーキテクチャは、クラウドやコネクテッドカーサービスを含めることができるフラットなアーキテクチャにおいて、すべてのECUを直接網羅できるようになりました。
10BASE-T1Sは、半二重の10BASE-Tを彷彿とさせる単一のツイストペアを規定しています。CSMA/CDを実行できますが、帯域幅の効率が非常に高いTDMAメカニズムも備えています。このモードはPLCA（PHYレベル衝突回避）と呼ばれます。 PLCAの優れた点は、ステーションに割り当てられるアクセス期間が20ビットと非常に短いものの、送信するデータがある場合にはそのデータの実長まで延長されることです。ステーションは自身のアクセス期間を待ってから送信を行います。あるステーションが送信を完了すると、次のステーションの送信機会が20ビット間開かれます。送信するデータがない場合でも、無駄になるのはわずか20ビットだけです。 ランダムなバックオフ期間がないため、ノード数が分かっている場合、ネットワークの最悪ケースの性能は決定論的です。8ノードのネットワークでは、すべてのノードが送信する必要がある場合、効率は99.5%と非常に高く、1つのノードのみが送信している場合、最小サイズから最大サイズのフレームにおいて、効率は78.3%から98.7%の範囲になります。
ネットワーク層が低コストのECUにも導入される中、Sonatus の車載ソフトウェアは、各アプリケーションの帯域幅、QoS、および電力要件に対応できるよう、これらのネットワークを適切に構築します。
2. 自動車メーカーは、EV時代に向けてエネルギー効率の高いネットワークを必要としている
車両ネットワークでは、非対称なトラフィックパターンが広く見られます。カメラとディスプレイは、カメラが大量の映像データを送信する一方で、受信するデータはごくわずか（主に制御データ）であるという点で、非常に非対称です。一方、ディスプレイは大量のデータを受信するものの、送信するデータはごくわずかです。いずれの場合も、必要な帯域幅は大きくなります。
そのため、OEM各社は、ノードとスイッチの間に、帯域幅が片方向のみ完全に利用される高帯域幅のリンクを設置せざるを得なくなっています。PHYは電力を消費するため、エネルギー効率が最優先事項となる電気自動車にとっては問題となり得ます。送信が行われていない状態でPHYを稼働させ続けることは、エネルギーの無駄遣いとなります。
EEEは、この問題を解決するために開発されたIEEE 802規格の技術です。その基本的な考え方は、一定期間のうち、一部の時間のみPHYを動作させるというものです。非対称なデータレートに対してイーサネットをより最適化するため、ASA 2.0と呼ばれる新しいイーサネットPHYが提案されています。この最適化の恩恵を受けるためには、予想される非対称なデータレートに応じてPHYを設定する必要があります。 SDNソリューションは、QoSや信頼性の問題を解決するためにネットワークトラフィックの要件がすでに必要とされており、この情報を電力管理の問題解決に活用できるため、この課題への解決策として適しています。
3. アジャイルなソフトウェアアーキテクチャが必要である
AutoSARは、現代の自動車におけるイーサネットスイッチングの重要性を強調し、イーサネットスイッチの構成のためのデータモデルを開発しています。このモデルは低レベルで記述されており、基本的なスイッチオブジェクトを対象としています。そのため、構成を構築し、それをスイッチに展開するためのアプリケーションを開発する必要があります。ゾーン型アーキテクチャのように複数のスイッチネットワークが存在する場合、アプリケーションは各スイッチの構成を構築し、それに応じて展開を行う役割を担うことになります。
Sonatus 単一スイッチアーキテクチャおよびゾーン型アーキテクチャの両方において、スイッチポリシーによるスイッチ設定を実証しました。AutoSARモデルのサポートも可能ですが、Sonatus は現在、IEEE YANGモデルを使用してスイッチの適切な設定を生成しています。AutoSARとIEEEは、イーサネットスイッチの設定および監視モデルに関して、競合する規格を開発しているようです。業界全体でさまざまなアプローチが混在する状況になることが予想されるため、この市場で成功を収めるには、アジャイルなソフトウェアアーキテクチャが不可欠となるでしょう。
自動化された未来への道
「オートモーティブ・イーサネット・コングレス」では、自動車業界におけるネットワーク技術の重要性が高まっていることが浮き彫りになりました。車両のコネクティビティと自動化が進むにつれ、ネットワークのサービス品質（QoS）、帯域幅、信頼性、セキュリティ、消費電力、およびコストがますます重要になってきています。イーサネット技術の進歩に伴い、業界はより高度にコネクティビティと自動化が進んだ未来へと向かっており、自動車メーカーはソフトウェア定義型車両への移行を加速させるために、新たなアーキテクチャの導入が必要となるでしょう。
Sonatus→ 「Sonatus 」の構成要素である「Ethernet Network Manager」について、さらに詳しくご覧ください。これは「 Foundation Network Services」の一部です。
ジェームズ・マーフィー
Sonatus 技術スタッフ
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