信頼性と堅牢性

最新の自動車では電子機器とネットワークの融合が進み、信頼性が高く堅牢な通信フレームワークの必要性が高まっています。車両の相互接続が進むにつれて、これらのシステムの信頼性がさらに重要になります。このセクションでは、車両における信頼性の高い通信の重要性と、自動車ネットワークの堅牢性を確保するための戦略について説明します。

車両における信頼性の高い通信の重要性

安全に関する考慮事項: アダプティブクルーズコントロール、車線維持システム、アンチロックブレーキシステム (ABS) など、数多くの車載機能は、さまざまな部品間の一貫性のある正確な通信に依存しています。通信障害が発生すると、システムの故障や乗客の安全が脅かされる可能性があります。

パフォーマンスの向上: 通信の信頼性が向上することで、エンジン制御ユニット (ECU)、サスペンション、トランスミッション部品などの重要なシステム間のシームレスな相互作用が容易になり、車両のパフォーマンスが最適化されます。これにより、より応答性が高く、よりスムーズな運転体験が実現します。

ユーザーエクスペリエンス: 快適で充実したユーザーエクスペリエンスを提供するために、最新の車両には、ナビゲーションサービス、コネクテッドサービス、高度なインフォテインメントシステムを提供する信頼性の高い通信が必要です。

メンテナンスと診断: 信頼性の高い通信により診断機能が強化され、予測メンテナンスが可能になり、車両のダウンタイムが短縮され、耐用年数が延長されます。

強固なコミュニケーションを確保するための戦略

冗長システム: 重要な通信ルートに冗長性を導入すると、通信チャネルに障害が発生した場合でも、代替チャネルがシームレスに制御を引き継ぐことができるため、シームレスな継続性が保証されます。安全性が重要視されるシステムでは、障害が許されない場合にこの冗長性が重要な役割を果たします。自動車の車線維持操作のための高忠実度の通信を提供するための良い例としては、デュアルチャネルFlexRayネットワークを介してステアリングホイールモジュールをADASシステムに接続することが挙げられます。

誤り検出および訂正プロトコル: データ転送間違いを識別して訂正するには、高度な誤り検出および修正アルゴリズムの使用が役立ちます。データの整合性を保証するには、誤り検出チおよび訂正 (ECC) などのプロトコルが重要な役割を果たします。

サービス品質 (QoS) メカニズム: サービス品質 (QoS) メカニズムを組み込むことで、ネットワーク内の重要なデータを優先し、遅延を減らし、重要でないデータストリームとの潜在的な競合を軽減することができます。たとえば、調停プロセスにより、CAN通信では、識別子番号の小さいノードが最初にメッセージを通信することが保証されます。

厳格なテストと検証: システムが現実世界の課題に対応できることを確認するために、最低および最高動作温度、シミュレートされた障害、および一般にフォールト インジェクション テストと呼ばれるEMI要件などの極端な環境条件を含む、さまざまなシナリオにわたって包括的なテストが実行されます。

物理層の考慮事項: 適切なケーブル、シールド、コネクタを慎重に選択することで、物理的な干渉や信号劣化を効果的に回避し、通信システムの耐障害性を高めることができます。

車載ネットワークでは、信頼性と堅牢性が、数多くの標準によって制御される重要な要件です。今日のますます複雑化する自動車業界では、重要な機能が相互接続されたシステムに依存しており、シームレスな通信インフラストラクチャが不可欠になっています。この目的を達成するには、誤り訂正、サービス品質、冗長性、慎重なテストなどの戦術が重要な役割を果たします。効率的で安全かつ魅力的な運転体験を実現するために、エンジニアと設計者は車載ネットワークファブリックにおけるこれらの要素を考慮する必要があります。自動車市場は、イノベーションの文化を維持し、信頼性と堅牢性の最高基準を維持するために、これらの要素の重要性を理解し、細心の注意を払って実践する必要があります。

リアルタイム通信

リアルタイム通信は、車載ネットワーク構築において重要な役割を果たすだけでなく、安全性と機能性の向上の両方にとって重要です。車両の多様なサブシステム間でのリアルタイムのデータ交換は、現在、車載ネットワークの進歩と統合を形作るための極めて重要な要素となっています。このセクションでは、リアルタイム通信の必要性について詳しく説明し、最新自動車の分野で採用されている特定のリアルタイムオペレーティング システムとプロトコルを調査します。

リアルタイムデータ転送の必要性の理解

安全性が重要なシステム: ステアリング、ブレーキ、衝突回避などの機能の通信に遅延が生じると、悲惨な結果を招く可能性があります。偶発的なリスクを軽減するには、正確な機能と迅速な応答を保証するためにリアルタイムのデータ転送が不可欠です。

強化された運転体験: 自動駐車やアダプティブクルーズコントロールなどの機能には、アクチュエータ、コントローラ、センサ間のリアルタイム通信が必要です。即時のデータ転送により、スムーズで快適な運転体験が実現します。

エネルギー効率: 効率と航続距離を向上させるために、ハイブリッド車と電気自動車のパワートレイン、バッテリー管理システム、その他の要素間のリアルタイム通信により、最適なエネルギー消費が促進されます。

リアルタイムオペレーティングシステムとプロトコル

リアルタイム オペレーティング システム (RTOS)

• 機能性: 時間枠が厳しい重要なデータを処理するために、処理やモニタリングが指定された時間内に表示されるようにRTOSが開発されています。
• 例: 車載の分野では、QNX、VxWorks、AUTOSARがRTOとして広く利用されています。
• アプリケーション: RTOは、エンジン制御、エアバッグ展開、先進運転支援システム (ADAS) の管理など、セーフティクリティカル機能を監視するECU内のマイクロコントローラにインストールされます。

リアルタイム通信プロトコル

• CAN (コントローラ エリア ネットワーク): CANは、重要なシステムに使用される優先度ベースのメッセージ調停などのシステムとのリアルタイム通信を保証します。
• FlexRay: FlexRayはCANに比べて広い帯域幅を提供し、決定論的かつフォールトトレラントな通信アプローチを提供するため、安全性が重要視されるアプリケーションに最適です。
• タイムトリガープロトコル: タイムトリガーイーサネット (TTE) プロトコルは、厳格なタイミング要件を厳守しながら、さまざまなノード間の同期されたリアルタイム通信を容易にするために特別に設計されています。

車載ネットワークにおいて、リアルタイム通信の要件は、最新自動車の効率、安全性、ユーザーエクスペリエンスを規定する魅力的な側面です。この必要性を理解することで、厳格な時間制限内で一貫性と予測可能なパフォーマンスを保証する特殊なリアルタイムオペレーティングシステムとプロトコルを作成する道が開かれます。車載ネットワークのリアルタイムの場合は、エネルギー効率の向上から安全性が重視される操作まで、高度な車両アーキテクチャの重要な要素となっています。車載システムの複雑さと要求の増大により、回復力のある正確なリアルタイム通信メカニズムの必要性が高まり、車載分野におけるイノベーションとテクノロジーが新たな領域へと推進されます。

帯域幅とスループット

最新の自動車におけるデジタル技術の普及により、車載ネットワークの帯域幅とスループットを綿密にモニタすることが極めて重要になっています。インフォテインメントから安全性が重視されるシステムまで、相互接続機器の複雑性が増大するにつれて、強力なデータ処理能力が必要になります。このセクションでは、帯域幅とスループットの重要性について詳しく説明し、さまざまな車載システムに必要なデータレートと、異なるデータ前提条件を持つネットワーク機能の重要な同期に焦点を当てます。

車載システムのデータレート

最新の自動車は、データレートの要求が大きく異なる多様なシステムを活用しています。成功し応答性の高いネットワークアーキテクチャを設計するには、これらの要件に関する知識が重要です。

インフォテインメントおよびマルチメディアシステム: リアルタイムのビデオおよびオーディオストリーミングに対応するには、これらのシステムでは高いデータレートが必要です。たとえば、一般的なHDビデオストリームには1Gbpsを超える帯域幅が必要です。

先進運転支援システム (ADAS): ADASには、カメラ、レーダー、センサからのリアルタイムのデータ処理が関与しています。正確かつタイムリーな応答性を確保するには、これらのシステムでは100Mbps ～ 1Gbpsの中～高データレートが必要です。

制御システム: ブレーキやエンジン管理などの基本的な制御システムには、通常1Mbps未満の低いデータレートが必要です。ただし、リアルタイム性を保つためには、信頼性が高く確定的な通信が必要です。

診断とテレメトリ: 特に車両の状態をリアルタイムでモニタリングする場合、これらのシステムは通常、より低いデータレートで動作しますが、継続的かつ確実にデータを転送する必要があります。

ネットワーク機能とデータ要件のマッチング

適切なプロトコルとメディアの選択: ネットワークプロトコルと物理メディアの選択は、さまざまなシステムのデータニーズに合わせて行う必要があります。たとえば、CANはデータレートが低い制御システムに最適ですが、イーサネットは高帯域幅のアプリケーションに使用されます。

サービス品質 (QoS) 管理: 重要なデータと帯域幅の割り当てを必要に応じて優先するには、QoSメカニズムが役立ちます。これにより、安全性が重要視されるシステムには必要な帯域幅が与えられ、重要度の低いサービスには残りのリソースが割り当てられることが保証されます。

ネットワークトポロジー設計: 極めて重要なタスクは、ボトルネックを減らし、すべてのサブシステムに十分な帯域幅を保証するネットワークトポロジーを作成することです。効率性と冗長性のバランスをとるために、車載ネットワークではスター構成とバス構成の両方を使用するハイブリッドトポロジーが一般的です。

将来の拡張性に関する考慮事項: 車載ネットワークを構築する際には、将来のニーズを考慮し、新しい機能やテクノロジーが統合されるにつれて追加の帯域幅を提供できるようにすることが不可欠です。これには、より高速な物理層の準備や追加チャネルの統合が含まれる場合があります。

今日の車両の多様で厳しいデータニーズに対応するには、帯域幅とスループットが車載ネットワークにおける重要な考慮事項となります。制御サブシステムの正確かつリアルタイムの要求からインフォテインメントシステムの高速要件まで、ネットワーク機能とデータ要件の整合を優先することが最も重要です。この整合を達成するには、プロトコルの慎重な選択、意図的なトポロジー設計、サービス品質 (QoS) の効果的な管理、将来の拡張性の検討が重要であり、これらが極めて重要な戦略となります。多面的な課題は、ネットワーク機能とデータ要件を調和させることであり、これは現代の車載システムの機能、パフォーマンス、進化に影響を与える重要な側面です。車両がより複雑で相互接続されたシステムへと進化し続ける中、帯域幅とスループットのインテリジェントな設計と管理は、車載エンジニアリングの最優先事項であり続けるでしょう。

拡張性と柔軟性

自動車市場の成長に伴い、自動車には相互に作用する複雑な技術が搭載されるようになっています。車載ネットワークでは、車載システムの難しさや動的な性質により、柔軟性と拡張性に重点を置く必要があります。このセクションでは、さまざまなシステムニーズに適応するための重要な要素と、将来に対応した車載ネットワークの戦略について説明します。

変化するシステム要件への適応

車載ネットワークの持続可能性を長期にわたって維持するには、変化するシステムニーズに適応する能力が最も重要です。この適応では次の点を考慮します。

モジュール性と相互運用性: システム全体の混乱を最小限に抑えるために、車載ネットワークの設計ではモジュール化が必要であり、さまざまな部品をシームレスに追加、交換、またはアップグレードできます。相互運用性により、メーカーに関係なく、さまざまな部品のシームレスな機能が保証されます。

動的リソース割り当て: システムの要件の変化に応じて、リソースを動的に割り当てたり割り当て解除したりする必要がある場合があります。たとえば、ADASにさらに大きな処理能力が必要な状況では、ネットワークには必須のリソースを優先する手順が必要です。

異なるプロトコルの処理: 先進技術を搭載した車両では、複数の通信プロトコルを管理する機能が必要になります。車両サブシステムのさまざまな要件に対応するには、スケーラブルなネットワークがLIN、CAN、イーサネットなどのさまざまなデータ伝送規格に対応する必要があります。

効率性と冗長性のバランス: 柔軟なネットワークによって冗長性と効率性のバランスを実現する必要があります。コストと複雑さを軽減するためにネットワークを合理化することは重要ですが、ECU間のデュアル通信チャネルの組み込みなど、堅牢性を強化するためのバックアップパスも組み込む必要があります。

将来を見据えた車載ネットワーク

ネットワークが現在の需要と予測される将来の需要の両方を満たすことを可能にする設計と展開の戦略は、フューチャープルーフと呼ばれます。将来を見据えた主な要素は次のとおりです。

帯域幅拡張の準備: 拡張現実ダッシュボードや自動運転などの新しいテクノロジーが継続的に導入されるにつれて、帯域幅のニーズは必然的に増加します。高いデータレートと効率的なOTAアップデート管理をサポートする光ファイバーケーブルなどの機能をネットワーク設計に組み込むことで、システム全体のオーバーホールを必要とせずに帯域幅を拡張できます。

新興技術への対応: V2X (Vehicle-to-Everything) 通信などの継続的に進化するテクノロジーに注目しながら、車載ネットワークを構築する必要があります。現在のシステムのパフォーマンスを向上させるには、機械学習アルゴリズムや高度な通信プロトコルの採用に対応するインタフェースを作成する必要があります。

規格化: 業界標準に従うことで、高度な自動運転機能などの新興技術が広く採用されるようになったときに、ネットワークがそれらの技術を統合する準備が整っていることが保証されます。標準化により、さまざまな部品間の互換性が促進され、アップグレードや追加の管理プロセスが簡素化されます。

長期ベンダーサポート: 頻繁な交換を必要とせずにネットワークを高度な技術トレンドに合わせた状態に保つには、製品のサポートとアップデートを提供するベンダーと協力することが長期的には役立ちます。たとえば、ネットワークが新しい自動運転機能を管理できるように、ベンダーは自動運転の進歩に合わせてファームウェアのアップデートをリリースします。これらのアップデートには、物体の衝突、回避、検出、アダプティブクルーズコントロールの改良されたアルゴリズムが含まれています。

柔軟性と拡張性というテーマは、車載ネットワーク構築にとって重要です。絶え間ない技術進歩に直面して、車載ネットワークは、常に進化する環境に適応できる柔軟性を備えている必要があります。将来を見据えた視点を維持しながら、多様なシステム要件に対応できる必要があります。相互運用性、新興技術への対応、動的なリソース割り当て、モジュール性、将来を見据えた帯域幅のプロビジョニング、標準化、持続可能性を重視することで、自動車エンジニアは、現在の需要に対応できるだけでなく、将来のイノベーションにも対応できるネットワークを構築できます。これらの原則に従うことは、堅牢で柔軟なネットワークの開発を促進するだけでなく、テクノロジー、社会、環境の絶え間なく変化する要求に適応し続ける車載エコシステムを維持する上で重要な役割を果たします。

セキュリティと安全性

最新の自動車システムでは、車両は内部的にも外部的にも相互接続されるようになっています。この相互接続性により、将来の機能とともに、強力な安全性とセキュリティ対策を必要とするリスクと脆弱性も生じました。このセクションでは、車載ネットワークにおける安全性とセキュリティの重要な側面を詳しく見ていきましょう。

車載ネットワークにおける安全な通信の重要性

機密保持: 運転者の行動、位置、個人の好みなど、車両から送信される機密情報を不正アクセスから保護することが不可欠です。データの漏洩や盗難は、安全な通信チャネルや暗号化技術などの機密保持対策によって防止されます。

整合性: データの整合性は、車両が適切に機能するための鍵です。データの改ざんや破損によって誤った機能や誤解が生じ、最終的には潜在的な安全上の危険につながる可能性があります。

認証: 通信の送信元と送信先を認証することで、悪意のある存在が車両内の正当な要素や外部サービスになりすますのを防ぐことができます。無線によるソフトウェア更新中に、車両の制御ユニットが受信した更新パッケージのデジタル署名を検証するという実例があります。署名が有効であることが証明された場合は更新が実行され、そうでない場合は悪意のあるソフトウェアのインストールを防ぐために更新は拒否されます。

在庫状況: セキュリティと安全性の両方において、システムがサービス拒否攻撃に耐え、悪条件下でも動作を継続できることを保証することが重要です。たとえば、攻撃者が1つのシステムを標的にしてサービス拒否攻撃を誘発した場合に備えて、車両が運転可能であり、ドライバーが制御を維持できるように、バックアップ システムが制御を維持します。

コンプライアンス: 特定のセキュリティ対策は通常、規制や業界標準によって義務付けられています。これらの要件を遵守することは、法的義務となるだけでなく、安全な通信のベストプラクティスを促進することにもなります。

車両制御システムが侵害された場合、これらのセキュリティ面を回避したことによる影響は、プライバシー侵害から生命を脅かす状況まで多岐にわたる可能性があります。

車載ネットワークの安全メカニズム

特に故障や悪意のある攻撃に遭遇した場合でも、車両の正しい動作を維持するために、安全手順が設計されています。ネットワークとソフトウェアの主要な安全プロセスは次のとおりです。

フォールトトレランス: 冗長システムとエラーチェックプロトコルが導入されていれば、ネットワークの一部に障害が発生しても、システム全体の障害につながることはありません。

リアルタイムモニタリングと対応: 障害や侵入の兆候に対するネットワークアクティビティをモニタする安全を重視するシステムによって、リスクを軽減する即時のアクションが提供されます。

絶縁と隔離: 安全性が重要となるシステムを重要でないシステムから絶縁することで、あるシステムでの障害や攻撃が他のシステムに広がるのを防ぎます。この目的のために、ファイアウォールや仮想化などの戦術が使用されます。

セキュアブートおよびハードウェアセキュリティモジュール (HSM): これらのメカニズムにより、承認されたソフトウェアのみが電子制御ユニット (ECU) 上で実行されることが保証され、安全な保存および処理環境が提供されます。

暗号化と安全な通信プロトコル: 安全な通信プロトコルと一緒にデータの暗号化を使用すると、傍受したデータを解読したり操作したりすることは容易ではありません。

車載ネットワークでは、セキュリティと安全性という2つの柱が最新自動車の設計にとって重要になります。セキュリティはデータの保護だけに重点が置かれるのではなく、車両と乗客の安全を確保する上で直接的な役割を果たします。多数の戦略を統合した階層化プロセスを実装することで、潜在的な脅威に対する強力な防御が実現します。コネクテッドカーや自動運転車の登場により自動車市場は大きく変わり、安全で安心な運行を保証するための課題とソリューションも変化を遂げるでしょう。設計者とエンジニアは、確立された実践と革新的な方法論を融合させながら、注意深く適応力のあるアプローチを維持し、これらの重要な要件に対処する必要があります。