JP2009111873A - 通信経路管理方法および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 １以上のノード機器が各々に接続された複数の中継器を伝送路を介して相互に接続して構成された通信システムにおいて、各ノード機器間の通信の経路管理を簡略化および迅速化する。
【解決手段】 数の多いノード機器間の経路管理を直接的に行うのではなく、各ノード機器間の通信を各中継器で把握した上で、数の少ない各中継器間の経路管理の大枠を初めに決めておき、状況に応じて、各経路への各ノード機器のチャネルの割り当てを行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は１以上のノード機器が各々に接続された複数の中継器を伝送路を介して相互に接続して構成された通信システムの通信経路管理に関する。本発明は特に、車載ネットワークでの利用に適する。

車載ネットワークのプロトコルとして、ＬＩＮ（Local Interconnect
Network）、Ｊ１８５０、ＣＡＮ（Controller Area Network）−Ｂ、ＣＡＮ−Ｃ、ＦｌｅｘＲａｙ、Ｄ２Ｂ、ＭＯＳＴ（Media
Oriented Systems Transport）、ＩＤＢ（Intelligent Transportation System Data Bus）１３９４などがこれまで提案され、ＬＩＮ、Ｊ１８５０およびＣＡＮ−Ｂはボディ系、ＣＡＮ−ＣおよびＦｌｅｘＲａｙは走行系、Ｄ２Ｂ、ＭＯＳＴ、ＩＤＢ１３９４は情報系（マルチメディア系）の各用途に用いられている（非特許文献１第１５頁、第４６頁、第６６頁および第８４頁、非特許文献２第７４頁および第１３２頁参照）。また、無線通信規格のＢｌｕｅｔｏｏｔｈも用いられている。

なお、ボディ系のＪ１８５０はＣＡＮ、ＬＩＮの前世代のプロトコルであり、新規開発の場合には殆どＣＡＮ、ＬＩＮに置き換わっている。また、情報系のＤ２ＢはＭＯＳＴの前世代のプロトコルであり、新規開発の場合には殆どＭＯＳＴに置き換わっている。最近になって実装可能となったＩＤＢ１３９４は、ＭＯＳＴと殆ど同様なネットワークを構築可能であり、ポイントツーポイントでの搭載例があり、今後、普及の可能性がある。ＦｌｅｘＲａｙは、エンジン制御等のパワートレイン系や、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション制御等の走行系や、サスペンション等のシャーシ系や、ＣＡＮの高速版としての運転システム等への用途が考えられる。例えばＢＭＷ（登録商標）のＸ５には２００６年にシャーシ系でＦｌｅｘＲａｙが搭載されており、このように安全系に影響を与えない用途から順次、ＦｌｅｘＲａｙの普及が進むことが予想される。

車載ＬＡＮの動向としては、車両制御の高度化および複雑化、ＩＴＳ（Intelligent
Transport System）およびマルチメディアの発展に伴い、個別システム制御から車両統合制御へ進展していく方向にある（非特許文献２第９頁参照）。ネットワークは、従来はメーカ独自の仕様だったが、現在は、標準化仕様となっている。標準化が進んでいる理由は、部材の共通化およびソフトウェアの共通化により、システム構築の開発コストおよび部材コストを低減でき、信頼性向上を図り易いためである。

ネットワーク統合としては、一つのプロトコル、例えばＦｌｅｘＲａｙに統一して統合することも可能である（非特許文献１第１００頁参照）。しかし、最近は、電子化の進展に伴うＥＣＵ（電子制御ユニット、Electronic Control Unit）の増加、Ｗ／Ｈ（ワイヤーハーネス）の重量増大による燃費の悪化、交通事故の被害の拡大等を積極的に抑制する方向にある（非特許文献３）。すなわち、システムを協調し統合することで、Ｗ／ＨおよびＥＣＵの統合による削減を図っている。これと同時に、自動車業界の標準化団体であるヨーロッパのＡＵＴＯＳＥＲおよび日本のＪａｓＰａｒでは、ソフトウェアの標準化を図り、開発期間の短縮も同時に進めている。この結果として、ＥＣＵを標準で４群（パワートレイン制御、ボディ制御、マルチメディアおよび安全制御）にまとめる方向での検討が進められている。ただし、純粋に通信システムの技術面だけを考えた場合に、統合が可能であっても、各電子機器の必要に応じた分散配置が前提での統合が図られると考えられる。

特許第３２５１５３７号 特許第３２５１５３３号 佐藤道夫著、「車載ネットワーク・システム徹底解説」、ＤｅｓｉｇｎＷａｖｅ １２月増刊号（２００５年１２月）、ＣＱ出版社 大熊繁監修、「車載ＬＡＮとその応用」、トリケップス（２００５年６月） 「レクサス（登録商標）のカイゼン 電機業界に及ぶ車載電子変革の波」、日経エレクトロニクス２００６年１２月１８日号、ｐｐ１０７−１３３、日経ＢＰ社

ＭＯＳＴはリングトポロジを採用している。このリングトポロジの経路管理技術として、特許文献１および特許文献２に記載されたものがある。特許文献１および特許文献２に実施例として記載された技術では、各中継器間の全経路数分の伝送チャネル数がそもそも存在しないが、たとえ全経路数分のチャネル数が存在したとしても、各中継器に接続された各ノード機器間での通信開始時に必要分のチャネル数を確保している。このため、各中継器間の経路管理ではなく、各ノード機器間での経路管理が必要となり、対象が多く、経路管理が複雑となる。また、メッシュ構造のトポロジでの経路管理には対応していない。

ＦｌｅｘＲａｙ、ＣＡＮ、ＬＩＮもまた、非特許文献１のそれぞれ第８章、第３章４、第５章６に示されるように、経路管理はノード機器間で行われる。

ＭＯＳＴ、ＦｌｅｘＲａｙ、ＣＡＮ、ＬＩＮのシステムを統合した統合ネットワークは現在存在していないが、研究開発進行中と予想される。この統合ネットワークを実現した上でノード機器間の経路管理を行う場合、特定の一個のノード機器に着目すると、宛先および受信データの送信元が異なり、データの種類によってデータ容量が異なり、走行系制御のようにリアルタイム性が重要であったり、音声データのように途切れないことが重要であったりと、データの種類により、優先順位、等時性保証条件が異なる。ノード機器間の通信が必要になるごとにそのデータ容量、データの優先順、等時性等を保障して送受信先の経路を管理することは、極めて困難である。

本発明は、このような課題を解決し、各ノード機器間の通信の経路管理を簡略化および迅速化することを目的とする。

本発明の第一の観点によると、１以上のノード機器が各々に接続された複数の中継器を伝送路を介して相互に接続して構成された通信システムの通信経路管理方法において、前記複数の中継器の各々を互いに１対１に接続する論理経路に対してそれぞれ１または複数の物理経路を把握し、前記論理経路のそれぞれに対し、その論理経路の両端の中継器にそれぞれ接続されたノード機器がその論理経路を経由して通信を行うために必要なチャネル数を把握し、前記物理経路の各々の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態に応じて、通信を行おうとする各ノード機器へのチャネルの割り当てを各物理経路に対して行うことを特徴とする通信経路管理方法が提供される。

一般にノード機器間の通信に必要な容量などの要求仕様は方向により異なるので、必要なチャネル数の把握および各ノード機器へのチャネルの割り当ては、対向する伝送方向（上り、下り）で別々に行うことが望ましい。

各ノード機器へのチャネルの割り当ては、各ノード機器のデータの送受信開始および終了のタイミング、データの優先順位、データの等時性、各物理経路の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態を考慮して行うことが望ましい。

前記複数の中継器のひとつをマスター中継器とし、このマスター中継器で各中継器および各伝送路の全接続状態をあらかじめ把握して各中継器にその全接続状態を通知し、各中継器は、電源投入時毎に、自中継器に接続されている全ノード機器のアドレス、データ伝送レートおよびデータ種を含むノード情報を把握して前記マスター中継器に通知することがよい。

本発明は特に、各種の車載電子機器をノード機器、電子制御ユニットを中継器とする車載ネットワークでの利用に適する。

本発明の第二の観点によると、各々１以上のノード機器が接続される複数の中継器と、この複数の中継器を相互に接続する伝送路とを備えた通信システムにおいて、前記複数の中継器の各々を互いに１対１に接続する論理経路に対してそれぞれ１または複数の物理経路を把握する第一の手段と、前記論理経路のそれぞれに対し、その論理経路の両端の中継器にそれぞれ接続されたノード機器がその論理経路を経由して通信を行うために必要なチャネル数を把握する第二の手段と、前記物理経路の各々の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態に応じて、通信を行おうとする各ノード機器へのチャネルの割り当てを各物理経路に対して行う第三の手段とを備えたことをことを特徴とする通信システムが提供される。なお、第一ないし第三の手段は、それぞれ単独の機器により実現されるものではなく、通信システム内の中継器の相互の協調動作により実現される。

前記複数の中継器のひとつがマスター中継器であり、このマスター中継器は、各中継器および各伝送路の全接続状態をあらかじめ把握して各中継器にその全接続状態を通知する手段を含み、このマスター中継器以外の各中継器は、電源投入時毎に、自中継器に接続されている全ノード機器のアドレス、データ伝送レートおよびデータ種を含むノード情報を把握して前記マスター中継器に通知する手段を含むことが望ましい。

本発明では、数の多いノード機器間の経路管理を直接的に行うのではなく、各ノード機器間の通信を各中継器で把握した上で、数の少ない各中継器間の経路管理の大枠を初めにきめておく。これにより、各ノード機器間の経路管理を簡略化および迅速化することができる。

ネットワークの最短経路を求める技術として、例えばダイクラスト法が知られている。しかし、限られた伝送容量の経路においてより多くのノード機器間に伝送容量を過不足なく確保する必要のある通信システムでは、最短経路が必ずしも最適条件とはならないことが多々ある。本発明は、このような通信システムにおいて、最短経路を求めるのではなく、より多くのノード機器間に伝送容量を過不足なく確保するように経路割り当てをダイナミックに行うものである。

また、各中継器間の経路管理をダイナミックに行うことにより、伝送路の断線、中継器の故障等の伝送トラブル発生時は、故障伝送路を迂回するなど、冗長性確保による伝送の堅牢性および信頼性の向上を容易に図ることが可能となる。

図１および図２は本発明を実施する車載統合ネットワークの構成例を示す。ここでは、車室内のバックボーンにより６個の中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６が接続された例を示す。これらの中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６は各々１以上のノード機器（電子機器）が接続され、各ノード機器の配置位置からの接続の点から、制御性（統合化、リアルタイム性等）や、Ｗ／Ｈの軽量化（短小化、統合化等）の適当な位置に配置されるものとする。各中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６が伝送路Ｌ１〜Ｌ７により接続され、各中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６には、ＦｌｅｘＲａｙ、ＣＡＮ、ＬＩＮ、ＭＯＳＴのインターフェースを介して、各ノード機器が接続される。

図３は図１および図２に示した車載統合ネットワークでの通信経路管理のフローチャートを示す。まず、中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６の各々を互いに１対１に接続する論理経路に対してそれぞれ１または複数の物理経路を把握し（Ｓ１１）、論理経路のそれぞれに対し、その論理経路の両端の中継器にそれぞれ接続されたノード機器がその論理経路を経由して通信を行うために必要なチャネル数を把握しておく（Ｓ１２）。そして、各ノード機器のデータの送受信開始および終了のタイミング、データの優先順位、データの等時性、各物理経路の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態を考慮して（Ｓ１３）、通信を行おうとする各ノード機器へのチャネルの割り当てを各物理経路に対して行う（Ｓ１４）。一般にノード機器間の通信に必要な容量などの要求仕様は方向により異なるので、必要なチャネル数の把握および各ノード機器へのチャネルの割り当ては、対向する伝送方向（上り、下り）で別々に行う。

各ノード機器のアドレスは、例えばフロント左スピーカ、フロント右スピーカ、リア左スピーカ、リア右スピーカ、ウーハスピーカ等のように、機能、配設位置などの固有性に基づいて割り当てられる機能アドレスを用いる。これにより、各種システムの統合によってアドレスが重複したり、管理が複雑化することを避けることが容易となる。

図４はアドレス初期化のフローチャートを示す。多種の通信プロトコルおよび多種の通信トポロジを統合するために、あらかじめ各ノード機器の使用するアドレスを機能別アドレスで統一しておく。また、中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６のひとつをマスター中継器（例えばＥＣＵ１）とし、このマスター中継器（ＥＣＵ１）で各中継器（ＥＣＵ２〜ＥＣＵ６）および各伝送路Ｌ１〜Ｌ７の全接続状態をあらかじめ把握して各中継器（ＥＣＵ２〜ＥＣＵ６）にその全接続状態を通知し、各中継器（ＥＣＵ２〜ＥＣＵ６）は、電源投入時（エンジン起動時）毎に、自中継器に接続されている全ノード機器のアドレス、データ伝送レートおよびデータ種を含むノード情報を把握してマスター中継器（ＥＣＵ１）に通知する。

図５は中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６を互いに１対１に接続する論理経路ａ〜ｏを示す図であり、図６はひとつの論理経路に対する物理経路の例を示す図である。中継器ＥＣＵ１と中継器ＥＣＵ２とを繋ぐ論理経路ａの実際の物理経路としては、図６に示すように、
ａ１：中継器ＥＣＵ１−伝送路Ｌ１−中継器ＥＣＵ２
ａ２：中継器ＥＣＵ１−伝送路Ｌ２−中継器ＥＣＵ３−伝送路Ｌ４−中継器ＥＣＵ４−伝送路Ｌ３−中継器ＥＣＵ２
ａ３：中継器ＥＣＵ１−伝送路Ｌ２−中継器ＥＣＵ３−伝送路Ｌ５−中継器ＥＣＵ５−伝送路Ｌ７−中継器ＥＣＵ６−伝送路Ｌ６−中継器ＥＣＵ４−伝送路Ｌ３−中継器ＥＣＵ２
の三種類が存在する。

図７は車載統合ネットワークの経路管理情報を説明する図であり、（ａ）は論理経路、（ｂ）は各経路での通信データのフォーマット、（ｃ）は経路使用状態、（ｄ）は各物理経路の詳細をその経路上の伝送路Ｌ１〜Ｌ７により示す。

図２に示した車載統合ネットワークでは、図５に示したように、中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６に対して１５個の論理経路ａ〜ｏが存在する。これらの論理経路ａ〜ｏに対して、それがどの中継器を論理的に繋ぐものであるかの情報が登録される。図７（ａ）では、その情報を括弧内の中継器番号により示す。各経路に伝送される通信データとして、図７（ｂ）には、最大１６個のノード機器からの情報がひとつのパケットで伝送するように１６個のデータ領域が設けられ、各データ領域のバイト数に関する情報と、経路使用状態とが付加される場合の例を示す。この経路使用状態は、そのパケットをどの経路で伝送するかを示すものであり、各経路についてそれぞれ１ビットの情報により、使用が「１」、不使用が「０」で示される。例えば物理経路ａ１を伝送されるのであれば、ａ１のビットが「１」、他は「０」である。

図８は図７（ｄ）に示した各経路と伝送路Ｌ１〜Ｌ７との対応をマトリクス化して示した図である。この図では、論理的にあり得ない組み合わせについては「×」で示し、使用可能なものについては、使用時「１」、不使用時「０」として、「１／０」で示す。伝送路毎に各経路の「１」の合計で、各伝送路毎の合計使用伝送容量（バイト数）が管理可能である。使用時の「１」の代わりに「バイト数（伝送容量）」を用いることで、伝送容量が可変に設定される場合にも対応できる。この場合にも、不使用時には「０」である。

なお、車載ネットワークで伝送されるデータは、エンジン、ブレーキ、アクセル制御などのように完全にリアルタイムを保障すべきものや、音声あるいは画像のように途切れず人間にとって遅延が感じられない程度のリアルタイム性があれば十分なもの、スイッチの反応時間０．１秒以内など人間が違和感を感じない程度の遅延を許容するもの、など、データの種類により求められる仕様は異なるが、基本的にはリアルタイム性が求められる。各ノード機器へのチャネルの割り当ては、これらを考慮して行う必要がある。例えば、安全系および走行系に関しては、常時、すべてのノード機器に対して経路を確保する必要がある。ボディ系に関しては、機能別に優先順を設ける。情報系に関しても機能別に優先順を設けるが、通常は、ボディ系より低優先でよい。

また、全中継器への送信（ブロードキャスト）は、送信元から繋がる全中継器に対する全経路を用いて行う。例えば、ＥＣＵ１が送信元ならば、経路ａ、ｂ、ｃ、ｌ、ｎを介して、ＥＣＵ２、３、４、５、６に送信される。

以上のように、各中継器間の通信を介して、各中継器に繋がるノード機器間や、中継器間、中継器とノード機器との通信が行われる。

以上の実施例では、バックボーンとして中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６が伝送路Ｌ１〜Ｌ７により接続される場合を例に説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば同じく６個の中継器ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６からなるネットワークであっても、システム仕様や、伝送路の断線あるいは中継器の故障などの伝送系のトラブルの場合のように、伝送路Ｌ１、Ｌ４、Ｌ７のいずれか一つまたは二つの伝送路を介する通信を行わない場合や、伝送路Ｌ２およびＬ５を介する通信を行わない場合、伝送路Ｌ３およびＬ６を介する通信を行わない場合等の形態でも本発明は対応可能であって、その場合には、その伝送路が存在しないものとして経路管理を行えばよい。

本発明は車載統合ネットワークを想定したものであるが、例えば製造ラインのネットワーク等、１以上のノード機器が各々に接続された複数の中継器を伝送路を介して相互に接続して構成され、種々の通信プロトコルが混在するような、いかなる通信システムでも同様に本発明を実施できる。

本発明を実施する車載統合ネンオワークの中継器の配置例を示す図。 車載統合ネットワークの構成例を示す図。 通信経路管理のフローチャート。 アドレス初期化のフローチャート。 中継器を互いに１対１に接続する論理経路を示す図。 ひとつの論理経路に対する物理経路の例を示す図。 車載統合ネットワークの経路管理情報を説明する図。 各経路と伝送路との対応をマトリクス化して示す図。

符号の説明

ＥＣＵ１〜ＥＣＵ６ 中継器
Ｌ１〜Ｌ７ 伝送路

Claims (8)

1. １以上のノード機器が各々に接続された複数の中継器を伝送路を介して相互に接続して構成された通信システムの通信経路管理方法において、
   前記複数の中継器の各々を互いに１対１に接続する論理経路に対してそれぞれ１または複数の物理経路を把握し、
   前記論理経路のそれぞれに対し、その論理経路の両端の中継器にそれぞれ接続されたノード機器がその論理経路を経由して通信を行うために必要なチャネル数を把握し、
   前記物理経路の各々の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態に応じて、通信を行おうとする各ノード機器へのチャネルの割り当てを各物理経路に対して行う
   ことを特徴とする通信経路管理方法。
2. 必要なチャネル数の把握および各ノード機器へのチャネルの割り当ては対向する伝送方向で別々に行う請求項１記載の通信経路管理方法。
3. 各ノード機器へのチャネルの割り当ては、各ノード機器のデータの送受信開始および終了のタイミング、データの優先順位、データの等時性、各物理経路の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態を考慮して行う請求項１または２記載の通信経路管理方法。
4. 前記複数の中継器のひとつをマスター中継器とし、このマスター中継器で各中継器および各伝送路の全接続状態をあらかじめ把握して各中継器にその全接続状態を通知し、
   各中継器は、電源投入時毎に、自中継器に接続されている全ノード機器のアドレス、データ伝送レートおよびデータ種を含むノード情報を把握して前記マスター中継器に通知する
   請求項１ないし３のいずれか記載の通信経路管理方法。
5. 前記通信システムは、各種の車載電子機器をノード機器、電子制御ユニットを中継器とする車載ネットワークである請求項１ないし４のいずれか記載の通信経路管理方法。
6. 各々１以上のノード機器が接続される複数の中継器と、
   この複数の中継器を相互に接続する伝送路と
   を備えた通信システムにおいて、
   前記複数の中継器の各々を互いに１対１に接続する論理経路に対してそれぞれ１または複数の物理経路を把握する第一の手段と、
   前記論理経路のそれぞれに対し、その論理経路の両端の中継器にそれぞれ接続されたノード機器がその論理経路を経由して通信を行うために必要なチャネル数を把握する第二の手段と、
   前記物理経路の各々の伝送容量およびチャネル別の空きまたは使用の状態に応じて、通信を行おうとする各ノード機器へのチャネルの割り当てを各物理経路に対して行う第三の手段と
   を備えたことを特徴とする通信システム。
7. 前記複数の中継器のひとつがマスター中継器であり、
   このマスター中継器は、各中継器および各伝送路の全接続状態をあらかじめ把握して各中継器にその全接続状態を通知する手段を含み、
   このマスター中継器以外の各中継器は、電源投入時毎に、自中継器に接続されている全ノード機器のアドレス、データ伝送レートおよびデータ種を含むノード情報を把握して前記マスター中継器に通知する手段を含む
   請求項５記載の通信システム。
8. 請求項６または７記載の通信システムに用いられる中継器。

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