車載ネットワークシステムの革新的な開発

自動車の電動化が急速に進む中、バッテリー駆動の電気自動車への移行に加え、従来型の車両も多くの電子システムを採用し始めています。これらのシステムは、機能性、安全性、効率性を向上させるため、数多くのセンサー、プロセッサ、アクチュエータを活用しており、それに伴い車両の複雑さが急速に増しています。自動車技術が進展するにつれて、車載ネットワーク（IVN）システムの需要も増加しており、機能性および安全性を保証するために、より高い帯域幅と低遅延の通信が求められています。本記事では、車載ネットワークシステムの開発およびonsemiによって導入された関連ソリューションについてご紹介します。

車載ネットワークプロトコルは、自動車の性能および帯域幅の要件を満たします

自動車の電子アプリケーションが長年にわたり進化する中で、車内ネットワーク向けにいくつかの主要（または専用）のプロトコルが開発されてきました。それぞれのプロトコルには固有の特性があるものの、日々変化するアーキテクチャや車内ネットワーク内で送信される膨大なデータ量のため、現代の自動車が求める需要を満たすのは困難です。そのため、自動車メーカーは必要な性能や帯域幅を提供できる新しいソリューションを求めています。   さまざまなネットワークプロトコルの中でも、一時期イーサネットは明確な選択肢でした。コンピュータ分野での広範な採用、高い帯域幅、そして比較的手頃なコストが理由です。しかし、イーサネットを自動車に適用する際には、時間に敏感な（または決定的な）運用ができないという重大な欠点があります。この問題は、イーサネットの動作に内在するキャリアセンスマルチプルアクセスと衝突検出（CSMA/CD）プロトコルによるものです。   自動車業界がイーサネットの利点を活用できるようにするため、新しいプロトコルが開発されました。この自動車特有のプロトコルバリアントは10BASE-T1Sと呼ばれ、CSMA/CDを物理層衝突回避（PLCA）に置き換え、駆動系ワイヤレス技術や先進運転支援システム（ADAS）用途に必須の決定的な動作を実現します。   高帯域幅と低遅延という特性により、自動車用イーサネットは車内インフォテインメントシステムやADASシステムにますます採用されつつあります。イーサネットは、車両間通信（V2V）や車両-インフラ通信（V2I）など接続機能を可能にする重要な役割を果たしており、これらは安全管理の向上に不可欠です。   車両がデータ駆動型技術にますます依存するにつれ、自動運転、高解像度/4Kビデオストリーミング、拡張現実アプリケーションなどの高度な機能をサポートするために、より高い帯域幅の需要が増え続けるでしょう。自動車用イーサネットネットワークは、より高速なデータ伝送速度を提供する必要があります。また、将来の自動車用イーサネットネットワークは自動運転における迅速な意思決定や対応を実現するために超低遅延を備えるべきです。

包括的な車両アーキテクチャとイメージングソリューションを構築する

自動車メーカーにとって、車両内部の様々なサブシステムの構成や相互接続は、重要な要素です。通常、サブシステムは車両内での物理的な配置ではなく、その機能（例: ドライブトレイン、シャーシ、快適性）に基づいて整理されています。これにより、配線の複雑さが増し、車両のコストや重量が上昇する可能性があります。   最近では、車両内の位置に基づいてサブシステムを「ゾーン化」する方法が好まれています。ゾーンアーキテクチャは、拡張性と柔軟性を組み合わせており、サブシステムの削除、追加、またはアップグレードといった変更を比較的容易に実施できます。また、冗長性やフォールトトレラントな要素の導入を可能にし、重要システムの要求される機能安全レベルを達成する上で重要です。   ゾーン化されたアーキテクチャの設計は、配線の需要を減少させる一方で、車両内ネットワークのバックボーンを介して送信されるデータ量を大幅に増加させます。これに対応するには、高い帯域幅、性能、そして低遅延が必要です。例えばADASの自動緊急ブレーキ（AEB）といった機能を実現するために、センサーや制御エレクトロニクスが車両全体に分散されており、安全が重要なシステムの信頼性ある操作には、タイムセンシティブネットワーキング（TSN）が不可欠で、遅延の不一致を排除します。   間違いなく、決定論的な10BASE-T1S Ethernetは将来の車両、特にゾーンアーキテクチャのバックボーンネットワークにおいて重要な役割を果たすでしょう。MOSTやFlexRayといったプロトコルが新しい設計で使用される可能性は低いですが、LINやCANは特に各「ゾーン」内で引き続き重要な役割を果たすと予想されます。   さらに、現代の車両のADASやインフォテインメントシステムにおいて高解像度カメラ、センサー、ディスプレイを接続するために、MIPIアライアンスのCamera Serial Interface 2（CSI-2）やDisplay Serial Interface 2（DSI-2）など、他のプロトコルの継続的な開発が行われています。また、MIPIアライアンスとAutomotive SerDes Alliance（ASA）は、標準化されたSerDesソリューションを進めており、MIPIプロトコルのセキュリティ向上や、カメラに対する非対称Ethernet（高帯域幅送信と低帯域幅受信に対応するもの）の実現にも取り組んでいます。しかし、最も重要なアーキテクチャの変化は、車両の主要通信バックボーンにおいてCANがデフォルトプロトコルの役割を担わなくなることであり、代わりにEthernetがその役割を担うようになります。

車載ネットワークの種類に関する基礎知識

車載ネットワーキングは主に、LIN、CAN（FD）、FlexRay、そして車載イーサネット技術に関する基本的な知識を伴います。以下では、関連する技術的な概念について紹介します。 

LIN:

LINは12Vアーキテクチャを採用しており、一般的なSCI（UART）バイトワードインターフェースを利用した単線シリアル通信プロトコルに基づいています。最大速度は20kb/s（EMC/クロック同期）に達することが可能です。マスターがメディアアクセスを制御し、仲裁や衝突管理を排除することで遅延時間を確保します。また、スレーブノードのためのクロック同期メカニズムを備えており、クォーツやセラミック共振子を必要とせず、他のスレーブノードのハードウェアやソフトウェアを変更することなくノードの追加が可能です。通常、12ノード未満をサポートし（64識別子と比較的低速の伝送速度）、多くの場面で利用されています。   LINの物理層のVsupは7Vから18Vの範囲内にあります。傾斜と対称性に関する厳しい要求のため、最小デューティサイクルは39.6%、最大は58.1%です（バス負荷における時間定数は1μsから5μs: 1k/1nF、660/6.8nF、500/10nF）。同期されていないオシレーターの公差値は14%未満です。   LINの通信概念は、マスタータスク（メッセージヘッダー）によって開始され、識別子の認識後にスレーブタスクがアクティブ化されてメッセージ応答（1～8データバイト＋1チェックサムバイト）を開始します。データの正確性を確保するため、パリティとチェックサムの両方をサポートしています。

CAN（キャン）：

CAN（Controller Area Network、コントローラーエリアネットワーク）は、車載ネットワークのもうひとつの主流プロトコルです。CAN通信では、すべてのデバイスが対等であり、どのデバイスもいつでも通信を行うことができます。もし競合（複数のデバイスが同時に通信を行う場合）が発生した場合には、メッセージが正確に認識されるように調停が行われます。   CANは非同期通信（イベントトリガー型）をサポートしています。バスが静かな状態のとき、任意のノードがバスへのアクセスを行うことが可能です。また、破壊のない調停方式を使用しており、データ損失なしで100％の帯域幅を活用することができます。低優先度のメッセージは高いレイテンシーが発生し、高優先度のメッセージは低いレイテンシーで伝送されます。CANでは、11ビット（または拡張された29ビット）のデータパケット識別子に基づいて、可変のメッセージ優先度をサポートしており、自動エラー検出、信号処理、および再送を可能にします。また、CANはツイストペアケーブルを使用して通信を行い、40台のデバイスとの通信が最大1Mb/sの速度で可能になります。   CANバスの物理層は、ラインの両端に終端が必要です。ISO 11898規格ではケーブルのインピーダンスを120 ± 12 Ωと定めており、シールドまたは非シールドのツイストペアケーブルの使用を求めています。CANバス調停中に、2つのメッセージが同時にCANバス経由で送信される場合、バスは信号の「論理AND」を使用します。その結果、バイナリー番号が最も低い識別子を持つメッセージが最も高い優先度を獲得します。各デバイスはチャネルを監視し、バスのビットが自身の識別子のビットと一致しないことを検知すると送信を停止します。CANは柔軟なデータレートをサポートしており、帯域幅を増加させるためにCAN Flexible Data Rate（CAN FD）がCANの拡張として導入されています。

FlexRay：

FlexRayプロトコルは、電車の運行スケジュールに似ており、時間スロットを使用してFlexRayの通信を緻密にスケジュールします。最大10Mb/sという高速データ通信を誇り、時間およびイベントトリガーの動作、冗長性、障害耐性、そして決定論性（「時間スロット」を活用）をサポートしています。FlexRayは、ドライブ・バイ・ワイヤ、ステア・バイ・ワイヤ、ブレーキ・バイ・ワイヤなどのアプリケーションが要求する、エラー耐性、高速、時間的決定論性の性能要件を満たしています。   FlexRay物理層では、静的セグメントは一定周期で到着する決定論的データのために予約され、動的セグメントは決定論性を必要としない、より一般的なイベントベースのデータ（CANを参照）のために使用されます。シンボルウィンドウは通常、ネットワークの維持やネットワークを開始するためのシグナリングに用いられ、一方ネットワークアイドル時間は、ノード間の時計の同期を維持するための既知の「静かな」時間を確保するために利用されます。

イーサネット：

Ethernetには、100Base-T1や1000Base-T1のような基準が含まれており、これらは単一撚りペアケーブルを使用し、フルデュプレックス通信をサポートし、最大100/1000 Mbpsの速度を実現します。ケーブル長は少なくとも15メートルに達する可能性があります。差動信号はコンデンサを介して撚りペアケーブルにカップリングされます。物理層はビットをシンボルに変換し（3ビットが2つのシンボルに変換される）、シンボル値は+1、0、-1のいずれかになり、これらは3つの異なる差動電圧レベルに対応します。Ethernetはピアツーピア通信をサポートしており、より複雑なネットワークにはスイッチが必要です。データ送信を意図するノードがなくても、同期を維持するために通信は継続されます。   100Base-T1の場合、物理層リンクパートナーの1つはマスター（トレーニングを開始する役割）であり、もう1つはスレーブ（データストリームからのクロック回復を用いて、このクロックをマスターに同期させる役割）です。物理層がPAM3（3ビットを2つのシンボルに変換）を採用しているため、そのボーレートは66 MBd/sであり、リンクパートナー双方が同時にシンボルを送信することが可能です。その結果、5つの異なる差動電圧レベルが観測される場合があります。送信されるデータはサイドストリームと結合され、より良いEMC性能を実現するためにスクランブラ（疑似ランダムストリーム）を含んでいます。   10Base-T1Sは、少なくとも15メートルの長さまで対応し、単一の撚りペアケーブル経由で10 Mbpsの速度でデータを送信するプロトコルです。このプロトコルはピアツーピアのハーフデュプレックス通信をサポートします。オプション機能にはフルデュプレックスのピアツーピア動作や、ハーフデュプレックスのマルチポイント（CAN、FlexRay、LINなど）の動作が含まれます。また、1つのマスターと最大8つ以上のスレーブによるマルチドロップ動作もサポート可能です。マスターはビーコンを介して通信を開始し、その後各スレーブがデータを送る機会を得ます。このプロトコルは物理層衝突回避（PLCA）として知られています。

オンセミは包括的な製品ポートフォリオを通じて車載ネットワーキングに深く関与しています。

onsemiは30年以上にわたりIVN（車載通信ネットワーク）分野に深く関与し、幅広い製品ラインアップと信頼性の高い顧客サポートおよびアプリケーションサポートを提供してきました。onsemiの製品ポートフォリオは、LIN、CAN、FlexRayなどの主要なIVN技術すべてを網羅しており、自社の知的財産（IP）を継続的に強化することで、自動車業界のニーズと要求により良く対応しています。   自動車業界で10BASE-T1S Ethernetの重要性が増している現在、onsemiは開発リソースの大半をこの分野に集中させています。最新のソリューションをリリースした後、onsemiはゾーンアーキテクチャや自立走行技術をさらに進化させるために、より高性能な第2世代の製品の開発を進めています。   onsemiは自動車業界を30年以上にわたりサポートしており、AEC認定製品の完全なポートフォリオを提供することで、顧客が高信頼性のソリューションを設計し、エンドユーザーに価値を提供し、最良の性能を実現できるよう支援しています。onsemiはADAS（先進運転支援システム）分野において重要な地位を占めており、電源管理、照明ソリューション、モータードライバー、システム設計の専門知識、リファレンスデザイン、強力で柔軟な開発キット、豊富な経験を持つアプリケーションサポートを含む包括的な製品ポートフォリオを提供しています。その主要コンポーネントはISO-26262/ASIL規格に準拠しています。

結論 

車両がますます電子システムを装備するようになる中、自動車ネットワークの重要性は急速に高まっています。本記事で紹介する自動車ネットワーク技術は、さまざまな自動車電子システムを接続するために広く使用され、より高い機能性と安全性基準を提供します。オンセミ(onsemi)は自動車電子分野で30年以上にわたる専門知識を有しており、包括的な自動車電子ソリューションを提供することが可能です。さらにご質問やより高度なご要望がございましたら、オンセミまたはArrow Electronicsまでお気軽にお問い合わせください。