次世代車載光通信方式のデモ構築と実証に成功
高度な自動運転の実現に期待
研究成果のポイント
- 高度自動運転の実現に必要となる、大容量かつ低遅延な車載ネットワークのデモンストレーションシステムを構築し、動作検証に成功
- シリコンフォトニクスモジュール、光ファイバー・電源線一括配索ハーネス、複数の4Kカメラ、Lidar、レーダを実装した原理確認システムにおいて、50Gb/sのデータ転送を実現
- 高解像度なセンサーデータが利用可能となり自動運転システムやコネクテッドサービスの進化が期待
概要
大阪大学大学院情報科学研究科 村田正幸教授、荒川伸一准教授は、慶應義塾大学、東京大学、古河電気工業株式会社を含む5機関での共同研究により、高度自動運転の実現に必要となる、大容量かつ低遅延な車載ネットワークのデモンストレーションシステムの構築と実証に成功しました。
これは、次世代の車載ネットワークアーキテクチャであるセントラル＆ゾーン方式に対応し、高信頼、低伝送遅延の車載光ネットワーク“SiPhON：Silicon Photonics-based in-vehicle Optical Network”のコンセプト実証研究を行ったもので、50Gb/sのデータ伝送システムのデモンストレーションを行う成果を得ました。
本成果は2024年9月22日～26日にドイツ・フランクフルトで開催されるECOC 2024（欧州光通信国際会議）に採択され、ポスターセッションでの発表を行いました。
図1. SiPhON（Silicon Photonics-based in-vehicle Optical Network）の構成
研究の背景
高度自動運転の実現には、搭載するカメラやセンサ等の電子機器の増大に対応した、大容量かつ低遅延な車載ネットワークが不可欠です。さらに、耐環境性や電磁両立性性能、信頼性などの自動車特有の極めて厳しい要求条件をクリアする必要があります。
これまで、研究グループは、信頼性の高いシステムを実現するため、中核機能を担うセントラルECU（Electrical Control Unit）のマスター装置にのみ半導体レーザを配置し、車を区画毎に統括するゾーンECUのゲートウェイ装置には、シリコンフォトニクス集積技術による変調器／受信器を配置して、その間を石英シングルモード光ファイバーで接続する通信方式（SiPhON）を提案し、実証研究を進めてきました。
SiPhONは、50Gb/sの伝送容量を持つデータ伝送用ネットワーク（D-plane）と制御信号伝送用ネットワーク（C-plane）からなる物理層を備え、伝送路と光源の二重化による冗長性を有し、シリコンフォトニクス技術を利用して低コストに高信頼性を得る構成です（図１）。マスター装置から送信された光は、各ゲートウェイ装置で透過、受信、あるいは、変調して出力され、再び、マスター装置に帰還して受信されます。電気回路部では誤り訂正処理やリンク確立などに向けた制御信号やプロトコル、上位Layerとのインタフェースが実装されます。セントラルECUとゾーンECUは、イーサネットに対応したインタフェースを有し、ECU間の伝送容量を可変して、柔軟なトラフィック制御が可能です。SiPhONの構成によるシステム信頼性は高く、100Gb/sの容量においてMTTF（Mean Time To Failure）が50年以上になります。新規に開発した光ファイバーと電源線の一括配線を適用することにより、シンプルな配索を可能としながら伝送速度50Gb/s以上の高速通信に対応し、100Gb/s以上の容量に拡張可能です。
研究の内容
今回、研究グループは、車載ネットワークを模擬したデモンストレーションシステムを構築しました（図２）。マスター装置と４台のゲートウェイ装置間で2台の４Kカメラの映像信号（各10Gb/s）と周辺監視レーダおよびLidarの低速データを同時に伝送し、低遅延なエラーフリー伝送を実証しました。4Kカメラで取得された情報は、SiPhONを介して画像処理装置に伝送され、物体・交通標識を認識した結果がリアルタイムで表示されます。
また、デモンストレーションシステムには、本研究で開発された、シリコンフォトニクス素子、光ファイバー・電源線一括配索ハーネス（FASPULS®：Flexible Automotive Signal and Power Unified Line System）が搭載されています。
図2. 大容量車載光ネットワーク原理実証システム
図3. MD光回路モジュール
（a）シリコンフォトニクスMD光回路、（b）光モジュール、（c）素子拡大図、
（d）10Gb/s光変調波形、電気受信波形
図4. 光ファイバー・電源線一括配索ハーネス（FASPULS®）
今後の展望
今後は、完全自動運転車両への実装を目指し、より高速かつ高信頼で拡張性の高いシステムとして研究開発を進めていきます。
特記事項
本研究は、令和2年度～令和5年度 国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）） 委託研究（#21801）「高度自動運転に向けた大容量車載光ネットワーク基盤技術の研究開発」の一環として行われました。
参考URL
村田 正幸 教授 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/ee952352074cd37b.html
荒川 伸一 准教授 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/c7bdbc3abafc801c.html
SDGsの目標
用語説明
- MTTF（Mean Time To Failure）
装置が稼働してから故障するまでの平均時間。
- シリコンフォトニクス素子
シリコンコアとSiO2クラッドで構成される光導波路をベースとする光回路。レーザと電子回路が集積された光電融合回路の研究開発が隆盛。
- FASPULS®：Flexible Automotive Signal and Power Unified Line System
『FASPULS』は日本における古河電気工業株式会社の登録商標。
