10BASE-T1Sはイーサネットをエッジまで拡張し、これまで使用できなかった産業用アプリケーションでもイーサネットを使用できるようにします。
イーサネットの進歩において、データ レートの向上が主な焦点となってきましたが、すべてのネットワーク アプリケーションで高速性が求められるわけではありません。IEEE 802.3cg規格は、いくつかの追加の重要な要素に対処するために作成されました。決定論的なリアルタイム パフォーマンス、ケーブル到達距離、インストールの複雑さ、ネットワーク保守コストも、産業用途では重要です。
10BASE-T1SはIEEE 802.3cg規格で定義されています。イーサネットをエッジ ノード デバイスまで拡張し、より幅広い産業用アプリケーションでイーサネットを使用できるようにして、産業用ネットワーク インストールの複雑さとコストを削減し、従来のマルチドロップ通信を置き換えることで、インダストリー4.0をさらに実現することを目指しています。
10BASE-T1Sのショート プロファイル
10BASE-T1Sは、IEEE 802.3標準で定義されている10 Mb/sシングル ペア イーサネットPHYの短距離マルチドロップ バリアントです。10BASE-T1S PHYは、マルチペア ケーブルやシールド ケーブルに比べて安価で導入が容易な、シールドなしのシングルペア ケーブルを使用します。仕様によれば、10BASE-T1S実装は、少なくとも8つのノードで少なくとも25メートルの距離をサポートします。
多くの場合、ケーブルはネットワーク インストールにおける最も高いコスト要因となります。従来のイーサネット ケーブルでは最大8本のワイヤ (4本のツイストペア) が使用されますが、シングルペア ケーブルには2本のワイヤしかありません。10BASE-T1Sを使用すると、ネットワークの設置に必要なケーブルのコスト、サイズ、重量を大幅に削減できます。
マルチドロップ機能により、1組のケーブルを複数のノードに接続できるようになり、ケーブルの数をさらに削減できます。さらに、マルチドロップにより、必要なPHYとスイッチ ポートの数が大幅に削減されます。
NCN26010は、8ノードで最大50メートル、25メートルのセグメントで最大40ノードを実現することで、IEEE 802.3cg仕様を上回ります。
10BASE-T1Sテクノロジーは、ネットワーク メンテナンスを簡素化し、サポートする必要のある標準の数を減らすことで、さらなるコスト削減の機会を生み出します。実際、10BASE-T1Sはケーブルを最大70%、導入コストを最大80% 削減することで、ネットワーク導入コストを削減できます。さらに、大型のスイッチ、ゲートウェイ、プロトコル トランスレータ、およびそれらに必要な追加の配線や電源が不要になります。
図1: 新しい10BASE-T1Sのインストールでは、キャビネット内のすべての黄色のワイヤをシールドなしのシングルペア ケーブルで置き換えることができます。
T1Sによってもたらされたもう1つの重要な進歩は、PLCA (物理層衝突回避) の発明による決定論です。決定論的システムとは、システムの将来の状態の発生にランダム性が関与しないシステムです。言い換えれば、特定の初期状態に対して、決定論的システムは常に同じ出力を返すか、同じ将来の状態に到達します。産業用イーサネットの文脈では、決定論的通信とは、特定の時間内にイベントが発生すること (またはメッセージが送信されること) を保証するネットワークの機能です。これは「制限された応答」と呼ばれることもあります。応答時間が一定の誤差範囲内に収まることが保証される場合、アプリケーションは決定論的であると見なされます。決定論は、通信または出力が正しいだけでなく、指定された時間内に実行されるという信頼性の尺度を提供します。システムがリアルタイムであるとみなされるためには、イベントに応答したりメッセージを送信したりする最大時間を指定する必要があります。一方、非リアルタイム システムは、期限がなく、一定の速度で実行されるシステムです。決定論はリアルタイム システムを定義する特性であることに注意することが重要です。 1
CSMA/CD (キャリア検知多重アクセス/衝突検出) を使用するネットワークは決定論的ではありません。代わりに、共有メディアにアクセスするために統計に頼っています。CSMA/CDの基本原理は、PHYが別のステーションが送信しているかどうかを検出し (キャリア センス)、回線が空くまでMACが送信を延期できるようにすることです。ただし、キャリアが検出されない場合、複数のMACが同時に送信を開始し、物理的な衝突が発生する可能性があります。これは特に送信の終了時に発生し、複数の遅延MACが同時に、またはより正確には衝突ウィンドウと呼ばれる同じ時間ウィンドウ内でキャリアの終了を検出する可能性があります。衝突ウィンドウは、ケーブルの長さやPHY実装の特性を含むネットワーク伝播遅延によって決まります。衝突が発生すると、PHYはそれをMACに報告し、MACは現在の送信を中止して再スケジュールします。MACがフレームの送信を新たに試みる前に、バックオフと呼ばれるランダムな時間だけ一時停止します。バックオフの上限は、送信試行の失敗回数 (連続) に応じて指数関数的に増加します。これにより、その後の衝突の可能性は徐々に低下しますが、完全になくなるわけではありません。ランダム バックオフによりアクセス時間に大きなばらつきが生じ、送信試行が10回失敗した後にパケットが送信されない (ドロップされる) 可能性もあります。その結果、CSMA/CDはリアルタイム パフォーマンスが非常に低下します。CSMA/CDネットワークは、平均負荷が利用可能なネットワーク帯域幅の30% を超えない場合、非リアルタイム環境でも確実に動作することが知られています。CSMA/CDのもう1つの副作用は、いわゆる「キャプチャ」効果です。これは、1つのノードが非常に長い時間にわたって繰り返しネットワークにアクセスする可能性があるものです。潜在的には、MACに送信するフレームがある限り可能です。したがって、リアルタイムのパフォーマンスを考慮すると、アクセスの公平性もCSMA/CDにとって大きな懸念事項となります。最後に、PHYの衝突検出メカニズムは非常に複雑になる可能性があり、産業環境でよく見られる高ノイズの存在下ではパフォーマンスが非常に低下する可能性があります。したがって、CSMA/CDネットワークは、決定論的で信頼性の高いリアルタイム パフォーマンスを必要とする多くの産業用アプリケーションには適していません。
一方、PLCA方式では、構成可能なネットワークのノード数とMTU (最大フレーム サイズ) の関数として、最悪のケースのメディア アクセス遅延を計算できます。10BASE-T1S PHY (NCN26010に組み込まれているものなど) では通常、PLCAが採用されています。PLCAは、自動車、産業、ビル自動化などの確定的なパフォーマンスを必要とするリアルタイム アプリケーションの重要な要素です。PLCAは、 衝突なし 半二重、マルチドロップ ネットワークでの操作。PLCAが導入されている場合、送信サイクルは、ネットワーク ノードが同期に使用するコーディネーター ノード (ノード0) によって送信されるビーコン (2.4 µsの物理層信号) から始まります。ビーコンが送信された後、ノード0は送信機会を得ます。ノード0に送信するデータがない場合、非常に短い時間 (デフォルトでは、32ビットを送信するのに必要な時間、つまり3.2 µs) 後にノード1に送信機会を譲ります。それ以外の場合、ノード0に送信するデータがある場合、ノード0は、ネットワークの設定可能な最大許容フレーム サイズ (MTU) (デフォルトでは1500バイト) までのパケットを送信できます。このプロセスは、各ノードに1回の送信機会が提供されるまで継続されます。次に、マスター ノードによって新しいサイクルが開始され、別のビーコンが送信されます。ノードがバスをブロックするのを防ぐために、ジャバー機能は、最大許容フレーム サイズを超えた場合にノードの送信を中断し、次のノードが送信できるようにします。これにより、いくつかのマルチドロップ テクノロジに影響する「おしゃべりな馬鹿」問題が解決されます。その結果、データ スループットに影響はなく、バス上で衝突も発生しません。PLCAアーキテクチャにより、10BASE T1Sは、確定的なリアルタイム パフォーマンスを必要とするノイズの多い産業用アプリケーションで使用できるようになります。2
リアルタイムかつ確定的な要件を持つ多くの産業用ネットワークにとって、もう1つの重要な要件は、厳しいEMC環境でも確実に動作する能力です。他の多くのイーサネット規格は産業用EMC環境をサポートするように設計されていませんでしたが、10BASE-T1Sはそのような要件を考慮して設計されました。その結果、 シールドなし シングルペアケーブルを使用した10BASE T1Sは、既存のテクノロジーと比較して優れたEMCパフォーマンスを示します。10BASE-T1Sを使用すると、シールドされていないシングルペア ケーブルを使用して、クラス3 IEC61000-4-6 EMI要件 (10 Vrms コモンモード ノイズ注入) を満たすシステムを設計できます。PLCAは電磁耐性においても重要な役割を果たします。バスに衝突がないことを認識することで、PHYの受信機は高度な技術を使用して、高レベルのノイズが存在する場合でも信号を回復できます。
PLCAのもう1つの興味深い特徴は、ノードがメディアにアクセスする方法は変更されるものの、MACは変更されないことです。10BASE-T1S PHY実装は、レガシーMIIポートを使用して標準CSMA/CD MACに接続できます。これが可能なのは、衝突回避メカニズムが物理層に完全に実装されている (そのためPLCAという名前が付けられている) 一方で、MACがキャリア検知および衝突検出シグナリングに通常どおり反応するためです。言い換えれば、PHYはCRSおよびCOL MII信号を通じて、標準MACに一種の「拡張現実」を提供します。
10BASE-T1Sイーサネット コントローラ
NCN26010 10BASE-T1Sイーサネット コントローラは、企業がインダストリー4.0のビジョンを実現できるようにするコスト効率の高い産業用ネットワークのインストールと維持に不可欠な構成要素です。
- イーサネットをエッジまで拡張
- 多くの産業用アプリケーションで必要とされる決定論的リアルタイムシステムの設計が可能
- シールドなしのシングルペアケーブルで動作
- ネットワーク導入の複雑さとコストを削減
- 大型スイッチ、ゲートウェイ、プロトコルトランスレータ、およびそれらに必要な追加の配線や電源が不要になります。
- 複数のテクノロジーを維持する必要がないため、ソフトウェアのメンテナンスコストが削減されます。
- 維持する必要があるネットワーク標準の数を減らすことで、ネットワーク メンテナンスの複雑さを軽減します。これは、従来のポイントツーポイントおよびマルチポイント規格（RS-485、CAN、FlexRay、RS-232、HARTなど）を10BASE-T1Sイーサネットに置き換えることで実現できます。
- 既存のケーブルでより大きなデータスループットを実現し、ネットワーク導入において最もコストがかかることが多い新しいケーブルを敷設する必要がなくなります。
- 産業用と自動車用のEMC要件を考慮して設計
- エンジニアリングされたPower over Data Lines (PoDL) に準拠したPHY
以下に、10BASE-T1Sの使用方法の例をいくつか示します。
- エレベーター: かご内および各階の制御ユニット(ディスプレイと呼び出しボタン)の配線を削減
- 産業用キャビネット: 設置の複雑さとコストを削減
- ネットワーク化されたセンサー: 単一の25メートルSPEセグメントで最大40ノードのセンサー エッジ ノード デバイスまで到達可能なイーサネット。これはIEEE 802.3cg標準の要件の5倍です。
- 街路照明：街路照明にEV充電ステーションを追加
- システム内通信: 10BASE-T1Sイーサネットは、I2C、SPI、およびその他の独自のオンボード バスとバックプレーン (サーバー マザーボードやスイッチなど) のほとんどを置き換えることができます。ソフトウェアとメンテナンスの労力を大幅に削減します。データレートやレイテンシに影響を与えずにレイアウトと電力配分を簡素化
- ビルオートメーション: ビルのアクセス制御システムを簡素化
- 電車/路面電車/バス: ドア モジュール、監視システム、緊急通報システムの配線を削減します。統合イーサネットアーキテクチャにより、メンテナンスとシステムの複雑さの管理が容易になります。
- 自動車: 配線の重量、複雑さ、コストを削減します。さらに、IVNのエッジまでのサービス指向アーキテクチャを可能にします。
一般的な10BASE-T1SイーサネットPHYコントローラは、シールドされていないシングルペア ケーブルを介してデータを送受信するために必要な物理層機能を提供し、標準MIIインターフェイスを介してMACとの通信をサポートします。しかし、オンセミコンのNCN26010イーサネット コントローラは、PHYとMACを単一のMACPHYデバイスに統合し、MACが統合されていないミッド/ローエンドMCUを使用するセンサーやその他の産業用デバイスにイーサネットを提供します。その結果、システムの複雑さが大幅に軽減され、初期インストール後に常に変化するシステム構成でノードを再利用できる柔軟性が得られます。
図2: MACPHYデバイスは、MACを含まない産業用コントローラ、センサー、その他のデバイスに接続できます。
MACPHYイーサネット トランシーバ
onsemiのNCN26010は、市場初の10BASE-T1SイーサネットMACPHYです。これは、外部MACデバイスを必要とせずにセンサー、アクチュエータ、およびその他の産業用デバイスを接続できる統合型イーサネットMACPHYトランシーバーです。
NCN26010には2つの大きな差別化要因があります。1つ目は、優れたビット エラー レート (BER) パフォーマンスを備えた強化されたノイズ耐性モードで、IEEE 802.3cg標準の要件の2倍である8ノードで最大50メートルの到達範囲を実現します。NCN26010は10VでIEC6100-4-6伝導耐性試験に適合しています。実効値これにより、ノイズの多い工場環境でも堅牢な信号検出が可能になります。2つ目は、ライン ピンの静電容量が低いため、1つのセグメントにより多くのノードを接続できることです。1本の25メートルのシングルペア ケーブルで最大40個のノードが可能になります。これは、IEEE 802.3cg標準で設定された要件の5倍に相当します。
図3: NCN26010はライン容量が低く、25メートルのシールドなしシングルペア ケーブル1本で最大40個のノードを提供します。
NCN26010は、イーサネットの階層化アプローチに従うことでソフトウェアのメンテナンス コストも削減します。その結果、イーサネットPHYを変更する場合、上位のソフトウェア層を変更する必要はありません。
エッジへの産業用イーサネット
NCN26010は、これまでは不可能または実用的ではなかった場所でも使用できるイーサネット ソリューションを提供することで、企業がインダストリー4.0のメリットを実現できるよう支援します。10BASE-T1Sは、アーキテクチャを簡素化し、ネットワークのインストールおよびメンテナンスのコストを削減しながら、イーサネット接続を産業用ネットワークのエッジまで拡張する可能性を提供します。
参考文献
1 決定論的リアルタイム制御: モーション制御アプリケーションにおいて、それは実際には何を意味するのでしょうか?
2 イーサネット10BASE-T1Sと10BASE-T1Lが車両と産業の接続性を再発明 – Microwave Product Digest