シングルペアEthernet：信頼性の高い産業用接続性

ワイヤレス通信への依存が高まる世界において、有線の世界はむしろ時代遅れに見えます。しかし、産業用IoT（IIoT）では、有線接続が依然として標準です。産業現場で有線接続を維持する理由はいくつかあります。RF干渉、混雑した無線帯域、ライセンス要件、そして単純な応答性などです。

従来、産業アプリケーションは、Profibus、Modbus、CANなどの古いフィールドバス技術の対象でした。これらの技術は通常、ツイストペア配線ベースで、一般的に1Mbps以下のパフォーマンスレベルです。産業界ではコストがすべてです。そのため、センサーとアクチュエーターへの配線は安価で長寿命である必要があります。したがって、シングルツイストペア配線が標準です。

それにもかかわらず、第4次産業革命、別名インダストリー4.0（I4）の拡大を目の当たりにしています。I4は、大規模なM2M（Machine-to-Machine）通信の利用と、自動化強化のためのIoT（モノのインターネット）導入が特徴です。このトレンドの目標は、人間の介入なしに、データを操作、分析、行動できるスマートデバイスの導入です。I4成功の鍵は、信号の中間変換を最小限に抑え（レイテンシを導入する可能性があるため）、接続性とパフォーマンスにあります。さらに、IoT要素は、センサーからクラウドまでデータをシームレスに通信できることに焦点を当てることが多いです。現在の世界では、これはIPプロトコルスタックの使用を意味します。

残念ながら、従来のフィールドバス技術のどれも、通常IPフレームを通過しません。これは、ProfibusやCANフレームからIPへ、およびその逆へ変換するトランスレータボックスが必要であることを意味します。これによりレイテンシが導入され、コストが増加します。そして、これらのフィールドバス技術のほとんどが、Wi-Fiや5Gセルラーなどの現代的な通信と比較して比較的遅いため、I4の増大する通信要件をサポートするには新しいアプローチが必要です。

自動車分野の進歩を活用

自動車の世界では、ADAS（先進運転支援システム）に搭載されるセンサーに必要なデータ量が爆発的に増えています。従来の産業アプリケーションと同様に、自動車アプリケーションも、ECU（電子制御ユニット）とアンチロックブレーキ、排ガス制御などのセンサー/アクチュエーター間の通信に、CANなどのフィールドバス技術を利用してきました。しかし、CANの1Mbpsレート制限、さらにはCAN-FDの拡張データレート（最大5Mbps）でも、最新のADAS搭載車両の複数のカメラフィード、レーダー、LiDARには十分ではありません。自動車アプリケーションに必要なのは、新機能の市場投入までの時間を短縮し、重量を削減する、信頼性の高い高速ネットワーク機能です。さらに、車内でIPをサポートできれば、ソフトウェア開発が容易になり、プロトコルコンバーターの必要性を最小限に抑えられます。

ITの世界からヒントを得ると、Ethernetはワイヤレスプロトコルの台頭にもかかわらず、依然として非常に支配的な技術です。Ethernetは、クラウドインフラストラクチャ内で最大400Gbpsのデータレートで保証されたパフォーマンスを提供するバックボーンです。しかし、従来のEthernetは通常、2対または4対の配線、または光ファイバーを使用します。シングルペアCANバスと比較すると、従来のEthernetケーブルは、より高価で、重く（2対または4対配線の場合）、または堅牢性に劣ります（光ファイバーの場合）。したがって、1Gbps範囲のデータレートを処理できるシングルペアEthernetが理想的です。そこで登場するのが、xBASE-T1シングルペアEthernet（SPE）です。

SPEの標準化

IEEE 802.3ワーキンググループは、Ethernetに関連する標準を担当しています。1983年に最初に標準化されて以来、Ethernetはその多くの形態で、ARCNET、FDDI、Token Ringなどの競合技術を凌駕してきました。元々は同軸ケーブルベースでしたが、Ethernetはシールドおよび非シールドツイストペアケーブルの使用に進化し、1990年代初頭には、おなじみのRJ45（8P8C）コネクタが、IT分野の多くのコンピューティングデバイスで一般的な装備となりました。

オリジナルの10BASE-T実装は、2つのワイヤペアに依存し、1つの差動ペアを送信用、もう1つを受信用として使用しました。10Mbits/secに制限され、この標準はオリジナルの同軸ベースアプローチよりはるかに高速でしたが、同軸ソリューションのバストポロジーではなく、スター型トポロジーを採用しました。このスターワイヤードアプローチにより、スイッチのポートに接続されたデバイス間のデータ移動を処理できる、Ethernetスイッチとして知られる集中型ハブの使用が義務付けられました。同じ2対ケーブルソリューションは、Fast Ethernet（100BASE-T）の導入により継続され、最大100Mbits/secのデータレートをサポートしました。Gigabit Ethernet（1000BASE-T）の導入により、ワイヤペアの数は4つに倍増し、データレートは桁違いに跳ね上がりました。

データレートの変更に加え、Power over Ethernet（PoE - IEEE 802.3at-2009）として知られる技術が、データと同じEthernetケーブルで電力を供給するいくつかの代替手段を導入しました。48VDCで最大25.5Wの供給をサポートし、PoEにより監視カメラやワイヤレスアクセスポイントなどのリモートデバイスに電力を供給できるようになりました。後のバージョンはPower over Data Lines（PoDL - IEEE 802.3bu-2016）として知られ、12、24、または48VDCで最大50Wの供給を可能にします。PoDLはxBASE-T1 SPE市場向けに特別に開発され、シングルワイヤペアでデータと電力の両方を供給できます。

xBASE-T1標準は、10BASE-T1L（IEEE 802.3cg）、100BASE-T1（IEEE 802.3bw）、1000BASE-T1（IEEE 802.3bp）にさらに細分化できます。以下の表は、これらのバリエーションの主な特徴をまとめたものです。

10BASE-T1Lの「L」は「Long Reach（長距離）」を意味し、その1kmの長さに由来します（多くの実装では、ケーブル品質とコネクタタイプによって実際には1kmを超えることができます）。SPE仕様の多くの利点の1つは、既存のシングルツイストペアフィールドバスケーブル配線を使用できることです。これは産業アプリケーションにとって大きな節約になります。そして、PoDLの追加により、リモートデバイスは同じケーブルセグメントで通信と電力供給の両方をサポートできます。追加のメリットとして、10Mbit/secのデータレートは、置き換えを目的としたフィールドバス実装よりも大幅に高速です。

T1Lバリエーションがポイントツーポイントアプリケーションを対象としているのに対し、「短距離」バリエーション（10BASE-T1S）もあり、これはマルチドロップ実装として配線され、20mAカレントループやCANなどの一般的なフィールドバスバージョンを置き換えます。T1Sフレーバーの到達距離は25mに大幅に短縮されます。しかし、マルチドロップの使用により、メディアアクセスPHYの単一ポートインターフェースで単一ケーブル配線が可能になります。

マルチドロップアクセスをサポートし、ケーブル上の潜在的な競合を回避するために、2つのアプローチがあります。1つ目は、1980年代のオリジナルEthernet実装にさかのぼるCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）を使用する方法です。このアプローチでは、各ステーションが最初にバス上のトラフィックをリッスンしてから送信します。複数のステーションが同時に送信を試みた場合、衝突が検出され、各ステーションは送信を停止し、短いランダムな時間待機してから、再びアイドルバスをリッスンし、送信を試みるプロセスを繰り返します。これはシンプルなアプローチですが、通信に確率的要素を追加し、レイテンシを導入します。

アプリケーションが特にレイテンシに敏感な場合、CSMA/CDに代替のPhysical Layer Collision Avoidance（PLCA）メカニズムを追加できます。ここでは1つのステーションがマスターに指定され、ビーコンを送信して、ビーコンで指定されたステーションのみが送信できるようにします（トークンリング実装に似ています）。これにより、ステーション数が最大31ステーションまで増加しても、各ステーションに指定スロットを提供し、衝突の可能性を回避することで、決定性が促進されます。マルチドロップアプリケーションでのPoDLはまだ定義されていないことに注意してください。

EthernetはEthernet

SPEの重要な利点の1つは、最終的にはEthernetであることです。したがって、プロトコルスタックの観点からは、SPEは他のすべてのEthernetセグメントと同じです。これは、SPE実装上でIPv4/IPv6プロトコルを簡単に使用できることを意味します。これはソフトウェア開発の大幅な時間短縮になります。ソフトウェアチームは、標準のIPベースAPIを通信に使用できます。フィールドバスバリエントのいずれかからIPへ、そして戻りへのプロトコル変換の要件がなくなり、レイテンシを削減し、プロトコルコンバーターデバイスのコストを排除します。

一般的な4対Ethernetスイッチと同様に、SPEスイッチでの自動速度検出も可能です。したがって、1つのスイッチで10BASE-T1、100BASE-T1、1000BASE-T1セグメントを処理し、従来の2対または4対Ethernetインターフェースをサポートして、パネルPCなどの従来のITハードウェアへのデバッグやインターフェースが可能です。スイッチは必要に応じてPoDLもサポートし、リモートデバイスに電力を供給できます。

SPEと従来のEthernetセグメントが誤って混同されるのを防ぐため、SPEはIEC 63171-6コネクタを使用します。このコネクタはオープン標準で、IP20およびIP65/67バージョンで利用可能です。メーカーは、標準挿入、プッシュ/プル、ネジタイプの嵌合面でコネクタを提供しています。さらに、既存のフィールドバス実装で見られるM8およびM12コネクタのオプションもあります。

展望

SPEはインダストリー4.0で重要な役割を果たす態勢が整っています。SPE Industrial Partner Networkはすでに30社以上のメーカーで構成され、ケーブル、アセンブリ、PHYシリコン、Ethernetスイッチ、評価デバイスを提供しています。より高いパフォーマンスを提供し、既存のケーブル設備を活用し、電力供給が可能で、従来のIT型Ethernet実装とソフトウェア面で互換性があることから、SPEは、既存システムの老朽化に伴い、有線センサーとアクチュエーターを置き換えるための、比較的低コストなアップグレードパスを提供します。SPEは産業オートメーションと自動車の未来なのか？ 確かにその可能性を秘めています。

本記事は、The Aerospace Corporation（カリフォルニア州エルセグンド）のシニアプロジェクトリーダー/組み込みシステムアーキテクト、Mike Anderson氏によって執筆されました。詳細については、michael.e.anderson@aero.org までご連絡いただくか、 をご覧ください。