基礎から学ぶ車載 Ethernet 技術（3）物理層規格

解説対象規格

Ethernet は40年以上に渡り規格が追加・修正された歴史がある。10Mbps の 10BASE5 から始まり、400Gbpsまで拡張されている。車載ネットワークを対象とする 10Mbps から1000Mbps SPE 規格に絞り解説する（青枠内）。

改めて整理すると今回の解説対象は「表3 解説対象規格一覧」青枠内の3種類だ。

物理層副層

Ethernet の物理層は複数の「副層」で構成されている。初期の Ethernet は、符号変換を行う「PLS：Physical Layer Signaling」副層と、同軸線に対応した電気信号に変換する「PMA：Physical Medium Attachment」副層の2つの副層で物理層を構成していた（ 「図1 10Mbps と 100Mbps 以上の物理層構成」（a） 」。符号変換は「埋込クロック同期」を実現するために、クロックを確実に取り出せる方式が採用された。当時は 10BASE5 のみで様々なバリエーションに対応する必要がなく、このようなシンプルな構成になった。

100Mbps 登場以降は状況が変わった。「図1 10Mbps と 100Mbps 以上の物理層構成（b）」をご覧いただきたい。伝送速度に応じた様々な MII の登場により、各種 MII の違いを吸収する「RS：Reconciliation Sublayer」副層が必要になった。伝送速度も 100Mbps から 400Gbps へと拡張された。「埋込クロック同期」の要件も厳しくなり様々な符号化技術が登場する。符号化を行う副層は「PCS：Physical Coding Sublayer」と名前を変えるが、10BASE5 の「PLS：Physical Layer Signaling」と同等だ。次に、将来に備えてフレーム単位でエラー訂正が可能な「FEC：Forward Error Collection」副層が規定された。この副層はオプション扱いで、汎用 Ethernet では実装されていない。車載ネットワーク（1000BASE-T1）では FEC 機能が実装されている。

10BASE5 では物理層に対応した電気信号への変換を「 PMA：Physical Medium Attachment」副層で実行していたが、100Mbps 以降は2つの副層に分割された。100Mbps 以降の符号変換はバイト等の複数ビット列を変換し、エラー訂正機能 FEC も複数ビット列からエラー訂正コードを作る。この複数ビット列（パラレル）データをシリアルデータに変換する「PMA：Physical Medium Attachment」副層に加え、「PMD：Physical Medium Dependent」が追加された。PMD はシリアル変換されたデータ列を通信媒体に対応した電気信号や光信号に変換する副層になる。

撚対線で接続された機器間で、通信速度や半2重／全2重通信などの様々な通信パラメータを自動設定する機能が追加された。これを オートネゴシエーション（Auto-Negotiation）と呼ぶ。「AN：Auto-Negotiation」は、この機能に対応した副層だ。AN もオプションになっている。

Ethernet 原形の 10BASE5 のシンプルな階層構造から将来も見据えた階層構造へと機能が追加されたが、基本構造としては FEC と AN が追加されただけだ。100Mbps 以降の物理層副層と上位層（第2層）の概要は「表4 物理層副層一覧」と「物理層副層の定義（IEEE802.3u）」を参照いただきたい。

ケーブルやコネクタ類も「 Ethernet 物理層」として説明することが一般的だが、ケーブルやコネクタ規格は IEEE802.3 の対象外だ。ISO/IEC 等の規格化団体や業界団体でケーブルやコネクタの規格化が行われている。

車載ネットワーク物理層（10BASE-T1S/100BASE-T1/1000BASE-T1）では、物理層副層を変更していない。基本構造を変えず車載ネットワークに適合するため EMI 対応が強化されている。具体的には、信号周波数を下げるため符号変換方式を変更している。