SPE と客室娯楽の未来
Mini-ETH 相互接続システムには、航空機イーサネットに適したサイズ、重量、性能上の利点があります。
今日の航空機の乗客や乗務員は、客室娯楽 (IFE)、セキュリティ監視、その他の航空機エレクトロニクスへの期待を膨らませています。 その結果、設計者には、客室ネットワークにおけるパフォーマンスの向上、小型化、標準化の強化という難題が突き付けられています。しかし、これらの課題は現在のイーサネット物理層の規格では解決できません。自動車業界は最近、この問題の解決策となるシングル ペア イーサネット (SPE) 用の 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) 規格を導入しました。現在この規格は、間もなくリリースされる ARINC 854 客室設備向けネットワーク バス規格で参照されています。ARINC 854 は既に、TE Connectivity (TE) の Mini-ETH 製品に実装されています。このイーサネットの進化から誕生した Mini-ETH SPE ソリューションは、今日および将来の航空機における厳しいコネクティビティ要件やサイズ、重量、電力 (SWaP) の課題に応えることができます。
航空機のコネクティビティに伴う課題
今日の航空機には、かつてないほど多数の電子機器が搭載されています。設計者は、画面、センサ、データ ハブ、スイッチ、ソリッド ステート ドライブ (SSD) アレイ、コンピュータ、IFE サーバなどの電子機器を機体および客室の全体に収める必要があります。これらすべての電子機器には大量の配線が必要です。ある報告によると、広胴型ジェット旅客機に敷設されたすべての配線の端から端までを一列につなげると、およそ 480 km (300 マイル) に達します。この長さはロンドンからアムステルダム、またはセントルイスからシカゴまでの距離に相当します1。また、配線と関連ハーネスの総重量は 7,400 kg (16,280 ポンド) と推定されています。この重量は、エアバス A330-200 型機の最大離陸重量のおよそ 3% です2。過剰な重量は燃料性能に大きく影響します。たとえば、ボーイング B747-400 広胴型航空機が平均 5,000 海里の区間距離を年間 3,000 時間飛行するとします。その配線とコネクタの重量 (1,814 kg/4,000 ポンド) の運搬に消費されるジェット燃料は、年間およそ 60,000 ガロンです3。この量の年間燃料費はおよそ 115,800 米ドルになります4。さらに、この大量の燃料の燃焼によって発生する CO₂ の量は年間 2,785,200 kg (1,266,000 ポンド) に上ります5。これは 124 台の乗用車からの CO₂ 排出量に相当します6。持続可能性を高めるため、航空機の客室ネットワークは、軽量化を進めながらよりスマートに進化する必要があります。SWaP とコネクティビティの課題の解消に向けて、標準化された客室ネットワークの設計コンセプトの開発と導入が進められています。モジュラ式で拡張可能な分散アーキテクチャは、従来の集中型 IT ネットワークの接続形態と比べて、柔軟性を大幅に向上させます。トランシーバ、アンテナ、バッテリーを接続できるワイヤレス システムも検討されています。現在および将来のコネクティビティ オプションの出発点となるのは、イーサネット ネットワーク プロトコルです。汎用的でコストが低く、オープン スタンダードとして広く普及しているイーサネットは、物理層が進化し、現代の航空機客室ネットワークに求められる SWaP と性能のニーズをサポートできるようになりました。
オフィスから自動車、さらには航空機へのイーサネットの移行
イーサネット物理層は、オフィスから自動車や航空機に進出する中で進化を遂げ、大幅に変化しました。1983 年に最初に発表された初期の米国電気電子技術者協会 (IEEE) 802.3 規格 (通称 10BASE5) は、10 Mbps 伝送をサポートするケーブルがかなり重く、その物理層は「シックネット」と呼ばれていました。その後の開発によってケーブルは細くなり、2 本のシールドなしツイストペア線を使用した 10BASE-T 規格が登場しました (1990 年に IEEE 802.3i として発表)。
10BASE-T の後継である 100BASE-TX (100 Mbps)、1000BASE-T (1 Gbps)、10GBASE-T (10 Gbps) でも、4 本のシールドなしツイストペア線 (UTP) が使用されています。ケーブル設計はカテゴリ 3 (電話線および 10BASE-T イーサネット用の音声グレード UTP ケーブル) からカテゴリ 6 (4 対のワイヤを使用) 以上に進化しました。自動車や航空機のニーズに適合させるため、エンジニアはイーサネット物理層を縮小させる道を歩み続けました。
2011 年、Broadcom Corporation が BroadR-Reach 規格を発表しました。この規格のおかげで、自動車メーカはオープンでスケーラブルな 100 Mbps イーサネットベースのネットワーク プロトコルを標準化することに成功しました。目標は、リアビュー カメラ用の先進運転支援システム (ADAS) やインフォテインメント デバイスなど、複数の電子システムに対応することでした。BroadR-Reach リンクは、最長 15 m (49 フィート) の 1 本のツイストペア線を通じてデータ速度 100 Mbps の双方向 (全二重) 通信を可能にします。この 2 線設計によって接続コストが削減され、ケーブル重量は 4 本または 8 本のワイヤを含む商用グレードのイーサネット ケーブルと比較してほぼ半分になりました。
OPEN Alliance ワーキング グループ (主に自動車業界のテクノロジー プロバイダが参加する非営利のオープンな業界団体) は BroadR-Reach 技術の開発に触発されて、100BASE-T1 を「車載イーサネット」規格として定義しました (Broadcom は 100BASE-T1 を開発した OPEN Alliance の推進メンバーであり、TE は導入メンバーです)。
TE は、車載イーサネット専用に開発された幅広い製品に 100BASE-T1 を実装しました。BroadR-Reach 規格と 100BASE-T1 規格の唯一の違いは、データを伝送するリンクの両端で使用される物理チップのタイプです。2015 年に IEEE 802.3bw として発表された 100BASE-T1 仕様は、1 本のバランス ツイストペア ケーブルによる 100 Mbps 伝送もサポートしています。
航空機に車載イーサネットを採用することの利点は明白です。100BASE-T1 規格では、温度変化や振動が発生する厳しい動作環境に耐える堅牢な相互接続技術が規定されています。これにより、費用効率の高い車載ネットワーク リンクと、中程度のデータ量を低レイテンシで伝送する分散ネットワーク アーキテクチャを実現できます。また、伝送性能を 1000BASE-T1 仕様の 1 Gbps まで拡張することができ、将来的には代替技術を使用して 5 Gbps まで拡張できる可能性もあります。
堅牢性を示すさらなる証拠として、100BASE-T1 規格は、いくつかの IEEE 802.3 SPE 規格の中で産業界のモノのインターネット (IIoT) のプラットフォームに位置付けられています。これらの開発は、2 線ケーブルでデータ (イーサネット) とリモート電力 (Power-over-DataLine) を同時に提供することによって Industry 4.0 のコネクティビティを実現することを狙いとしています。
技術的な勢いを考えると、自動車業界で生み出された 100BASE-T1 の利点を航空機に取り入れるのはたやすいことでした。このような経緯から、最近 Cabin Systems Subcommittee (CSS) によって策定された ARINC 854 客室設備向けネットワーク バス仕様では 100BASE-T1 規格が参照されています。CSS は Airlines Electronic Engineering Committee (AEEC) の下部組織です。AEEC は、ARINC Industry Activities (ARINC IA) の下で活動しています。ARINC IA は、SAE Industry Technologies Consortia (SAE ITC) のプログラムの 1 つです。
CSS のメンバーとして、TE は ARINC 854 仕様を満たす 100BASE-T1 製品群を開発しました。その結果誕生したのが Mini-ETH 相互接続システムです。これは、ジェット旅客機や軽飛行機のネットワークに SWaP や性能の大きな利点をもたらすエンドツーエンド、ポイントツーポイントの SPE ソリューションです。
Mini-ETH 相互接続システムによる SWaP や性能の新たな利点の実現
Mini-ETH 技術には、MATEnet 自動車用相互接続 (および ARINC に準拠した数多くの航空機用相互接続) の開発に使用された TE の専門知識が盛り込まれています。その結果、航空機の飛行をよりスマートかつ軽量にする SPE プラットフォームが生まれました。
Mini-ETH 相互接続は、ARINC 854 の客室設備向けネットワーク バス仕様に準拠しています。互換コネクタおよびケーブルは、それぞれ ARINC パート 2 とパート 3 の仕様に準拠しています。
Mini-ETH 相互接続ソリューションは、次世代航空機ネットワーク アーキテクチャにおいて、信号の完全性やネットワークの信頼性を損なうことなく SWaP を軽減します。SWaP、性能、実装面で大きな利点をもたらすとともに、電気配線相互接続システム (EWIS) への適合性も提供します。
重量軽減と燃料節約の大きな利点
Mini-ETH 相互接続ソリューションは、航空機の軽量化にどの程度貢献するのでしょうか。先に挙げた配線の重量を例にとり、広胴型商用ジェット機の配線のイーサネット部分に焦点を当ててみましょう。Mini-ETH ケーブル/コネクタ ソリューションによってイーサネット配線の重量が 50% 削減されると仮定すると、荷重は 50 kg (110 ポンド) 軽減されます。これだけの重量がなくなると、年間燃料費は航空機 1 機あたり 3,185 ドル削減されます7。将来的に、アビオニクス設計が現在議論されているような分散型のモジュール式アプローチに移行した場合、Mini-ETH 相互接続ソリューションはそれらの開発において節約の基盤となります。
今日の客室ネットワークの設計には、MiniETH 技術が持つ以下のような利点が役立ちます。
- コネクタの重量と性能: Mini-ETH コネクタの設計は、TE の DEUTSCH 369 シリーズ コネクタの成功を基にしています。これは、小さな筐体で堅牢なソリューションを提供する EWIS 準拠の角形コネクタ製品群です。369 シリーズ コネクタ自体の設計は、TE の DEUTSCH DMC-M シリーズ コネクタをベースにしています。このコネクタは航空宇宙の分野でおよそ 30 年間使用されており、信頼性の高いモジュール式の客室およびアビオニクス設計を可能にします。そのコンパクトさに加えて、369 シリーズ コネクタ設計には内部ラッチや人間工学的なプッシュボタン機能も付いており、設置時間を短縮するとともに、設置作業中のコネクタと航空機の損傷を防ぎます。さらに、航空機システムの保護を強化する追加のセキュリティ機能も備えています。Mini-ETH コネクタの重量は、標準的な D-Sub コネクタと比較して 41% 軽量です。この軽量性のおかげで、ネットワークやその他の航空機用途の構成や要件によっては、1 機あたり 20 kg (44 ポンド) 以上の軽量化が可能になります。
- ケーブルの重量とサイズ: 100 Mbps イーサネットで一般に使用されている 4 線クワドラックス ケーブル、または一般的なカテゴリ 5 および 6a ケーブルで使用されている 8 本の 24 AWG ワイヤで構成されたオクタル ケーブルと比較して、2 線の Mini-ETH ケーブルは最大 73% 軽量です (図 1)。26 AWG のワイヤが使用されている Mini-ETH ケーブルはかなり細く、スペースの利用効率が向上します。たとえば、4 本の 24 AWG ワイヤで構成されたクワドラックス ケーブルを 2 本の 26 AWG ワイヤで構成された Mini-ETH ケーブルに置き換えると、ケーブルの直径はおよそ 15% 縮小します。Mini-ETH ケーブルのジャケット構造は、TE が Raychem 高精度押し出し成形高温発泡誘電体で長年培ってきた経験に根ざしています。ジャケットの材料は発煙性が低く、FAR パート 25 の難燃性要件と主要な航空機メーカが課している毒性要件を満たしています。Mini-ETH の配線は、ARINC 800 パート 3 に規定されたケーブルの仕様に準拠しています。ARINC 規格は今後さらに進歩することが予想されていますが、Mini-ETH ケーブルは将来的な最大 1,000 Mbps の伝送速度にも対応できるようになっています。
- リンク長: Mini-ETH リンクは、15 m (49 フィート) の長さで 100 Mbps の伝送速度を実現することが保証されています。将来的には、40 m (131 フィート) の長さで最大 1,000 Mbps の伝送が可能になります。
- 堅牢な端子と軽量なシェル: Mini-ETH コネクタは、過酷な環境でも高い性能を発揮するよう設計されている標準のミリタリ仕様 AS39029 端子を備えています。この小型端子は、振動に対して特に堅牢です。コネクタ シェルは、鋼と同等の強度を持ちながら 40% 軽量な堅牢な材料で作られています。複合材料と機械加工端子の組み合わせにより、-55°C (131°F) から最大 175°C (347°F) の温度で動作することができ、航空機の客室環境に適しています。
およそ 70% 時間を短縮
性能上の利点: 帯域幅、速度、信号の完全性、クロストーク耐性、EMI、落雷
帯域幅と速度: 100BASE-T1 仕様を取り入れた ARINC 854 に適合する Mini-ETH 相互接続システムは、15 m (49 フィート) のリンク長で 200 MHz および 100 Mbps の伝送能力を持ちます。将来的な市場ニーズを見越して、最大 40 m (131 フィート) のリンク長と 750 MHz の周波数で 1 Gbps および 10 Gbps のデータ速度に対応するロードマップが用意されています。このロードマップには、より高い周波数や速度に対応する新しいコネクタ設計も含まれます。そして既に、リンク長がもっと長い航空宇宙分野向けの 1000BASE-T1 も構想されています。
信号の完全性: Mini-ETH リンクは、計 6 個の接続とパスを介した 100 Mbps の試験に合格しています。インピーダンス、伝搬遅延、挿入損失 (IL)、反射ロス (RL)、縦方向変換損失 (LCL)/縦方向伝送変換損失 (LCTL) のすべてが 100BASE-T1 の要件に適合しています。
クロストーク: Mini-ETH ケーブルのツイストペアの構成は本質的にクロストークを最小化し、そのクロストーク ノイズ低減特性は 100BASE-T1 リンクで一般的に見られるのと同程度です。
EMI: Mini-ETH の電磁干渉 (EMI) に対する耐性も、100BASE-T1 仕様に一致しています。
落雷: 標準的な電気信号特性をサポートすることに加えて、航空機相互接続システムはその性能要件の一環として落雷にも対処する必要があります。Mini-ETH 相互接続システムは、3.6 kA までの典型的な落雷に耐えることができます。
実装上の利点: 嵌合が容易で迅速に結線できる
嵌合: TE の DEUTSCH 369 シリーズ コネクタを基にした Mini-ETH 相互接続システムは、EWIS のベスト プラクティスに従って機内客室のコネクティビティに関するニーズに応えます。EN4165/ARINC 809 コネクタをベースとする Mini-ETH コネクタは、さまざまな用途に適合するように、小型のプロファイルに 3 極、6 極、9 極の端子を備えています。個別に色分けされたキーイング オプションが付いており、配線の敷設やメンテナンスは簡単です。コネクタの各嵌合部の端子構成はオス型とメス型のどちらかになり、キーイング構成を二重化できます。コネクタの角形形状と一体化されたリブにより、スペース効率よく積み重ねることが可能です。ケーブル タイを汎用的に使用でき、追加のロックアウト固定具は必要ありません。スクーププルーフ インタフェースは、特にブラインド メイトや視認性の低い状況に適しています。ボタンラッチ機構によって嵌合されたコネクタ同士が固定され、クリック音で接続されたことがわかります。
結線時間: 標準的なクワドラックス コネクタは 1 対の結線に 15 ～ 20 分かかるのに対し、Mini-ETH 369 コネクタは 2 ～ 5 分で済み、およそ 70% 時間が短縮されます。さらに重要なこととして、Mini-ETH ケーブルにはワイヤが 1 対しかないため、結線の複雑さが軽減され、ミスも起こりにくくなります。
付加価値システムの利点
ハーネス設計: 航空宇宙業界にコネクティビティを提供する世界的リーダ企業として、TE は完全に組み立て済みのハーネスを統合された「エンドツーエンド」ソリューションとして提供できます。コネクタやケーブルは、お客様の厳しい要件を満たしながら適用コストを最小限に抑える形で提供できます。TE は、EWIS プロジェクトの設計や試作品製作から生産までのすべての段階を支援し、「ワンストップ ショップ」の責任をもってエキスパートによる設計、試験、製造、サプライチェーンのサポートを提供します。TE のエンジニアには、コンポーネントや相互接続されたアセンブリの設計に関する有益な情報を提供し、個々の課題を解決する適切なソリューションへとお客様を導く力があります。TE の HarnWare ソフトウェアを使用すれば、設計者は高品質なハーネス アセンブリの図面、部品リスト/部品表、労力の見積り、コネクタ プラットフォームの図面、配線概略図などを作成できます。
試験: TE は、絶縁保護材料 (I&P)、コネクタおよびフィッティング (C&F)、ケーブル アクセサリ、材料など、分野別の専用の試験ラボを運営しています。厳格な試験プロトコルにより、それぞれの製品が厳しい耐久性や性能の要件を満たしていることを保証します。
製造: TE のすべての製造施設は、AS9000 航空宇宙基本品質システム基準の認証を受けています。これは、航空宇宙業界の厳格な品質システム要件を満たす世界水準の組織的方法を実証するものです。TE は、個々の部品を製造するだけでなく、入念な試験によって ARINC 854 要件を満たすことが保証されている、すぐに取り付け可能な民生 (COTS) のプラグ アンド プレイ アセンブリも提供しています。
サプライ チェーン: TE の Aerospace, Defense and Marine 部門は、ケーブル アセンブリ、包括的なワイヤおよびケーブル、チューブ、成形部品、デバイス、バックシェル、コネクタ、識別製品の完全に統合されたサプライ チェーンを提供しています。TE の製品には、Raychem、DEUTSCH、Polamco、AMP など、業界で認められたすぐに調達可能なブランドが含まれています。
Mini-ETH シングル ペア イーサネット ソリューションのプロジェクトへの導入
設計プロジェクトの最初に相互接続をシステムの一部として全体論的に見るのは有益です。航空機の SWaP を軽減し、イーサネット ネットワークの信頼性を確保するという点では、あらゆる接続が意味を持ちます。Mini-ETH 相互接続システムは、航空宇宙業界の ARINC 規格に準拠する総合的な製品群を提供します。Mini-ETH の広範な製品ラインナップを使用すれば、性能、コスト、SWaP の最適なバランスを取ることができます。さらに、長きにわたって自動車、エネルギー、航空宇宙の分野に携わってきた TE には、要求の厳しいコネクティビティの課題を解決に導く実用的な洞察力があります。このような当社の専門知識を、航空機ネットワークに接続するあらゆるコンポーネント (センサ、モニタ、IFE システム、ビデオ トランシーバ、Wi-Fi アンテナ、データ リンクなど) の設計、製造、実装にぜひご活用ください。当社の高性能な SPE Mini-ETH 相互接続ソリューションは、お客様が航空機イーサネット接続プロジェクトをスマートかつ軽快に遂行する要となります。
