基礎から学ぶ車載 Ethernet 技術（2）SPE（ Single twisted Pair Ethernet ）

SPE（ Single twisted Pair Ethernet ）

従来の汎用 Ethernet は、RJ45 コネクタと 2対または 4対の UTP ケーブルで機器間を 1対1 接続するトポロジを採用している。車載ネットワークでは、ワイヤーハーネスの軽量化と省スペース化のため 1対の UTP ケーブルが採用された。従来の Ethernet と比較し、信号線本数は 1/4 、1本当たりの重量は約 1/2 になり、1回線当たりの重量は 1/8 に軽量化された。

「シングルペア電気通信ケーブルインフラストラクチャ規格」は、IEEE802.3 と TIA-TR42 の2つの規格グループが共同で開発に当たり、SPE ケーブル類を一括して規格化している。IEEE802.3 は物理層の電気信号や光信号への信号変換までが分担領域で、ケーブルやコネクタは TIA/EIA や業界団体が分担するため、両者の共同作業になった。

SPE トポロジは 1対1（Point to Point）接続が基本だ（ 「図1 SPE トポロジ」 ）。10BASE-T1S では例外的に 1対多（Point to Multipoint）接続を使用することができる。10BASE-T1S の 1対多トポロジは、既存の CAN/LIN を置き替えるため ECU の配下に複数のデバイスをバス接続する構成になっている。 SPE は信号線で給電を行う PoDL （ Power over Data Line）をサポートしているが、10BASE-T1S の 1対多通信ではサポートしていない。この点は注意が必要だが、利便性を考えれば 1対多通信にも PoDL の機能が欲しいところだ。現在も、IEEE ではバス接続（Multi Drop）での給電、台数や距離の拡張議論が続いている。

「図2 基本リンクセグメント」のリンクセグメントは、車載リンクセグメントとして規格化された 10BASE-T1S（802.3cg）/100BASE-T1（802.3bw）/1000BASE-T1（802.3bp）/2.5G-5G-10G（802.3ch）に適用される規約だ。一般的な乗用車を想定した規格で、少なくとも 15m 、最大 4 個の In-line（中継）コネクタと機器に接続される Mating コネクタ2個で構成される。

1000BASE-T1 には 2種類のリンクセグメントが規定されている。1つは「図2 基本リンクセグメント」 の少なくとも 15m のリンクセグメントで、もう一つが「図3 1000BASE-T1 Bタイプ リンクセグメント」の少なくとも 40m のリンクセグメントだ。このリンクセグメントは「Bタイプ」と呼び、航空機・鉄道・バス・トラックなどの伝送距離が長い用途向けだ。中継コネクタの最大数と機器接続用コネクタは「図2 基本リンクセグメント」と同じだ。

10BASE-T1L は車載用途ではなく、狙いはコンビナートなどの産業用途だ（ 「図4 10BASE-T1L リンクセグメント」 ）。例えば、石油コンビナート等のセンサ情報収集や制御用途を想定している。リンクセグメントの長さは少なくとも 1000m で、中継コネクタは最大 10個だ。石油コンビナート等の防爆エリアでの使用を想定しているため、IEC60079 の防爆基準に適合する給電方式等が規定されている。

「図5 10BASE-T1S マルチドロップリンクセグメント」のリンクセグメントは、車載リンクセグメントとして規格化された 10BASE-T1S（802.3cg）マルチドロップ（1対多通信）に適用される規約だ。バスケーブル総長は 25m でバス線からノードまでのスタブ長は 10cm 、最大 8台のノードをバス接続できる。バス構成のため半2重通信になり、送信権はPLCA（Physical-Layer Collision Avoidance：物理層衝突回避）と呼ぶラウンドロビン調停方式が採用されている。PLCA が実装されない場合は、従来の CAMA/CD 方式で衝突検出を行うこともできる。10BASE-T1S のマルチドロップの狙いは LIN の置き換えではないかと推測している。この場合、複雑でコストアップの可能性がある PLCA ではなく、安価な従来の CSMA/CD が使われる可能性もある。

給電方式も PoDL（Power over Data Line） として 1対 UTP ケーブルに対応した方式が新たに規格化された。PSE（給電装置）から1対撚対線で受電装置 PD（受電装置）に 1対1 で給電する（ 「図6 ポイント to ポイント給電」 ）消費電力に応じてクラス1～4 がある（ 「表1 クラス別 ポイント to ポイント電力要件」 ）。汎用 Ethernet の給電方式 PoE（Power over Ethernet）は、50v 電圧を2対または4対の撚線対に印加する方式だが、PoDL は1対の撚線対に 12v/24v/48v の何れかの電圧を印加する方式になった。PoDL 給電の具体例は「図7 ポイント to ポイント給電例」だ。

従来の PoE の概要は「表2 PoE タイプ」 「表3 PoE クラス」 「表4 PoE 給電ピン」を参照いただきたい。従来の PoE と車載 PoDL の構造上の違いは、「図8 PoE と PoDL 構造」を参照いただきたい。PoE は 2 対の撚対線が基本で、PoDL は 1 対の撚対線が対象になっている。