このペーパーでは、4 つの車載通信プロトコルと、それらがどのように共存して車両の安全性と自律性を向上させるかについて説明しています。
1 イーサネット | イーサネットを使用すると、車両全体で高速データ転送が可能になります |
2 FPD-Link テクノロジー | フラット・パネル・ディスプレイ (FPD)-Link は、カメラ入力からのデータを、リアルタイムの非圧縮データで効率化します。 |
3 CAN バス | コントローラ・エリア・ネットワーク (CAN) は、さまざまな電子制御ユニット (ECU) からのデータを優先順位付けします。 |
4 PCIe テクノロジー | PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) は、高帯域幅で超低レイテンシの性能要件を満たします。 |
車両の電気部品が最初に導入されたのは、1915 年、フォード・モーターが電気灯と電気ホーンを自社のモデル T に導入したときです。それ以来、自動車の電気系と電子系への依存度は着実に高まっています。バッテリに直接接続されたヘッドライトを制御するスイッチや、単調なスピーカを制御するリレーなど、初期のシステムは局所的で独立している傾向がありました。
アーキテクチャが進化するにつれて、自動車内のさまざまなサブシステムが通信を行うメカニズムも進化してきました。たとえば、自動車が車外の環境光の減少を検出すると、ヘッドライトが自動的に有効になる場合がありますが、それだけではありません。すべてのディスプレイの輝度レベルの調整、すべてのカメラのホワイト・バランスの調整、前方車両との距離の延長、ブレーキ・モジュールをさらに重要視することは、すべてより安全な運転環境を実現するためです。
自律型車両が引き続き求められる中で、安全性、確実性、リアルタイム性を可能な限り高めるために、通信に対する負担が増しています。この課題は、送受信するデータの量が数百キロビット / 秒どころではなく数十ギガビット / 秒であるという事実によって深刻になるばかりです。
このペーパーでは、イーサネット、FPD-Link™ テクノロジー (独自の車載シリアライザ / デシリアライザ (SerDes) プロトコル)、CAN バス、PCIe バスという 4 つの車載通信プロトコルについて調査しており、図 1 に示すように、各テクノロジーの中核的な微妙な違いを強調し、これらのテクノロジーが最新の車載運転支援システム (ADAS) アーキテクチャをサポートする例と機能を提示しています。
イーサネットは、家庭やオフィスで最も一般的に使用されている高速インターフェイスの 1 つであり、車両の主流となる通信プロトコルになっています。一部の車両はイーサネットを使用してさまざまな高速データを転送しています。レーダーや LIDAR モジュールなどの車載アプリケーションは、シングルペア・イーサネット・テクノロジーを使用しています。シングルペア・イーサネットはイーサネット規格を使用していますが、データは単一のツイストペアのワイヤで送信されるため、車内のケーブル重量とコストを削減できます。
イーサネットはパケット化されたシステムであり、ネットワークのさまざまな部分にあるノード間のパケットが情報を転送します。また、CAN バスと同様に、イーサネットは双方向であり、システム上のノード数が増加すると、任意の個別リンクで可能な速度は低下します。シングルペア・イーサネットの場合、個別リンクの速度は 1 つの特定の速度 (10Mbps、100Mbps、1Gbps) に制限され、リンクで動的な速度変更が発生しない可能性があります。ただし、シングルペア・イーサネットは、CAN バスの最大 1,000 倍の速度でリンク経由でデータを転送できます。シングルペア・イーサネットに変更すると、CAN バス経由でのデータ転送速度が最適化されますが、ノードあたりのイーサネットのコストが高くなるので、おそらく CAN バスの代わりになるのではなく、CAN バスを強化することになります。
現在、一部の自動車は、バックアップ・カメラやレーダーなど、大量のデータが必要な要件に対応するために、シングルペア・イーサネットを使用しています。たとえば、テキサス・インスツルメンツ (TI) の DP83TC812S-Q1 および DP83TG720S-Q1 はシングルペア・イーサネット物理層 (PHY) であり、車載電子部品評議会 (AEC) の Q100 グレード 1 と 2 にスクリーニングされており、電気電子技術者協会 (IEEE) 802.3bw と 802.3bp の車載規格に準拠したシステム診断を容易にするループバック・テスト・モードを搭載しています。イーサネット・ネットワーク経由でビデオを転送するには、転送されているビデオ・チャネルが 1 つだけであっても、ビデオをそのソースで圧縮してから、送信先で解凍し、FPD-Link™ テクノロジーとは異なりイーサネット帯域幅の制限を超えないようにする必要があります。これにより、ビデオ・データを圧縮せずに転送できます。バックアップ・カメラのようなアプリケーションでは、画像をイーサネット・ネットワークに十分に圧縮するために、カメラ内に比較的大電力のプロセッサを搭載する必要があります。
したがって、大電力プロセッサが必要になると、カメラは物理的に大きくなり、高価になります。このカメラの消費電力は、大量の画像処理を必要としないアプローチよりも高くなります。このソリューションのもう 1 つの欠点は、ビデオの圧縮と解凍によってリンクにレイテンシが追加されることです。複数のカメラや他のビデオ・ソースが同じイーサネット・ネットワークを共有している場合、圧縮量 (および対応するビデオ品質) とサポートされているビデオ・チャネル数との間にトレードオフが発生します。この制限を緩和するには、車内に複数のネットワークを階層構成で設定します。エンジン制御と診断のみを取り扱う 1 つのネットワーク、バックシート・エンターテインメントとオーディオ・システムを処理する 2 つ目のネットワーク、ビジョン拡張カメラなどの運転支援機能を処理する別のネットワークが存在する可能性があります。最終的に、シングルペア・イーサネットはレーダーや LIDAR のようなデータ送信用 CAN バスよりも高い容量を実現しますが、複雑さが増す一方で、ビデオのような最大帯域幅のアプリケーションをなんとか処理しようとしています。
FPD-Link は、高帯域幅データをリアルタイムで圧縮せず送信する目的で開発された、独自の車載 SerDes テクノロジーです。特に FPD-Link は、ビデオ データを車内に転送する目的で開発されたもので、運転支援アプリケーションでのデータ分析と処理を強化しています。たとえば、バック チャネルが外部前方カメラからプロセッサに情報を送信している間に、非圧縮ビデオをディスプレイに送信するために使用できます。このプロセッサは、画像処理とアルゴリズムを使用して、自動ブレーキなどのコマンド信号を自動車やドライバーに送り返すことができます。FPD-Link の物理層は、ツイストペアまたは同軸ケーブルです。この配線は専用なので、バックアップ カメラに FPD-Link を使用する場合、カメラからプロセッサに 1 本のケーブルを接続し、2 本目のケーブルをプロセッサから車内のディスプレイに接続します。このアプリケーションで FPD-Link を使用する大きな利点は、圧縮と解凍が不要なため、カメラとディスプレイの両方で回路がはるかにシンプルになることです。
さらに、リンクは専用であるため、あるビデオ システムの画質は、車両の他の画像とは無関係です。FPD-Link の順方向チャネル帯域幅は 25Gpbs を超えた、低速の同時バック チャネルです。バック チャネルは、400kbps で I2C バスを転送するために使用することも、最高 1Mbps のレートで GPIO ラインを制御することもできます。バック チャネルを使用して、カメラの構成、ズーム レンズの動作、タッチスクリーン情報のコントローラへの送信を行うことができ、フォワード チャネルでのビデオ フローを中断することはありません。自律駆動型車両の場合、もう 1 つの重要な要因はリンクのレイテンシ量です。画像の圧縮と解凍に必要な処理により、このレイテンシは長くなります。バックシート エンターテインメントなどのアプリケーションでは、DVD からのデータ読み取りと画面上のデータ表示との間の遅延は重要ではありません。ただし、車両の進路上にいる歩行者を探しているカメラから送信される画像では、レイテンシが非常に深刻な結果を招く可能性があります。FPD-Link は、高帯域幅と低レイテンシが最も重要な要因となるリンクに最適です。さらに、単一のツイストペアまたは同軸接続でバック チャネルと電力をサポートする機能により配線が簡素化され、システム設計全体の複雑さを低減できます。
図 2 に、2 台の異なるカメラに接続された OMAP™ ビデオ プロセッサと、各ペリフェラルに接続される単一のツイストペア ケーブルを使用したディスプレイを示します。このツイストペア ケーブルは、カメラのビデオ データ、タッチスクリーン、またはカメラのセットアップ データに対応しています。このケーブルは、ディスプレイやカメラに電力を供給することもできます。各リンクは 1 つのペリフェラル専用であるため、2 台のカメラからの信号間の干渉のリスクが排除され、処理と分析のためのデータ整合性が向上するため、ADAS 機能の信頼性と精度が向上します。複数のカメラからデータを送信する機能は、自動駐車などのサラウンド ビュー アプリケーションに特に役立ちます。このようなアプリケーションでは、車両の周囲を 360 度視野に入れておくと、ドライバーは重要な情報を入手し、より安全な運転を体験できます。FPD-Link の基礎については、FPD-Link についてをご覧ください。