[論文レビュー] Extending OMNeT++ Towards a Platform for the Design of Future In-Vehicle Network Architectures

Till Steinbach, Philipp Meyer+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2016

Network Time Synchronization Technologies参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、将来の車載ネットワークアーキテクチャを対象とする包括的なシミュレーションプラットフォームをOMNeT++に拡張し、迅速なシナリオ設定を可能にするドメイン固有言語（ANDL）、リアルタイムイーサネット、CAN、FlexRayのオープンソースシミュレーションモデル、および統合された分析ツールを導入している。このフレームワークにより、異種ネットワークのシステムレベル評価が可能となり、リアルタイムイーサネットが従来のCANベースのシステムと同等の遅延およびジターパフォーマンスを達成する一方で、顕著な帯域幅余剰を提供することが実証された。

ABSTRACT

In-vehicle communication technologies are evolving. While today's cars are equipped with fieldbusses to interconnect the various electronic control units, next generation vehicles have timing and bandwidth requirements that exceed the capacities. In particular Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) and automated driving using high bandwidth sensors such as cameras, LIDAR or radar will challenge the in-car network. Automotive Ethernet is the most promising candidate to solve the upcoming challenges. But to design and evaluate new protocols, concepts, and architectures suitable analysis tools are required. Especially in the interim period with architectures using automotive Ethernet and legacy fieldbusses together, careful planning and design is of vital importance. Simulation can provide a good understanding of the expectable network metrics in an early development phase. This paper contributes a workflow as well as the required toolchain to evaluate new real-time Ethernet communication architectures using event based simulation in OMNeT++. We introduce a domain specific language (DSL) - the Abstract Network Description Language (ANDL) - to describe and configure the simulation and present the required simulation models for real-time Ethernet and fieldbus technologies such as CAN and FlexRay. We further introduce new analysis tools for special in-vehicle network use-cases and the interaction of the simulation with third-party applications established in the automotive domain.

研究の動機と目的

• 従来のフィールドバス（CAN、FlexRay）と新興のリアルタイムイーサネット技術を統合した異種車載ネットワークのシステムレベルシミュレーションの増大するニーズに対応すること。
• 複雑な自動車ネットワークアーキテクチャにおけるプロトコル設計、トラフィックシェーピング戦略、ゲートウェイ動作の初期段階での評価を可能にすること。
• ドメイン固有言語（ANDL）を用いることで、大規模な車載ネットワークシミュレーションの設定の複雑さを軽減すること。
• エンドツーエンド遅延、ジターや帯域幅利用率といったネットワークメトリクスの評価を可能にする、オープンソースのシミュレーションモデルおよび統合された分析ツールを提供すること。
• 標準出力形式およびデータベース統合を介して、第三者の自動車ツールとの相互運用性を支援すること。

提案手法

• 著者らは、リアルタイムイーサネットプロトコルおよび時 clocks 同期のためのオープンソースシミュレーションモデルを提供するINNETフレームワークの拡張として、CoRE4INETモデルスイートを開発した。
• 従来のフィールドバス技術、特にCANおよびFlexRayを実装するためのシミュレーションモデルを実装するためのFiCo4OMNeTスイートを構築した。
• リアルタイムイーサネットとフィールドバスネットワーク間の接続を可能にするSignalsAndGatewaysモデルスイートを提供し、ゲートウェイ動作のモデル化を支援した。
• ネットワークトポロジー、ノード設定、メッセージのトラフィッククラスへのマッピングを記述するドメイン固有言語（ANDL）を導入し、シミュレーション設定の自動化を実現した。
• PCAPng、ベクトルファイル、ジターや遅延といったカスタムメトリクスを含む、シミュレーション結果の分析を可能にするカスタムOMNeT++プラグインおよびResultManagersを開発した。
• 標準出力形式およびシミュレーション結果のデータベース保存を介して、第三者の自動車ツールとの統合を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムイーサネットと従来のフィールドバスを統合した混合車載ネットワークアーキテクチャを評価するための統一されたシミュレーション環境をどのように構築できるか？
• RQ2 OMNeT++は、自動車ネットワーク研究のためのドメイン固有のモデリングおよび分析機能をどの程度拡張可能か？
• RQ3 ドメイン固有言語（ANDL）を用いることで、複雑な車載ネットワークシミュレーションの設定がどの程度簡素化されるか？
• RQ4 エンドツーエンド遅延およびジターパフォーマンスの観点から、従来のCANベースのアーキテクチャとリアルタイムイーサネットバックボーンの間で、どのような性能的トレードオフが生じるか？
• RQ5 シミュレーション結果をどのようにして効果的に分析し、第三者の自動車ツールと共有してシステムレベルの検証を可能にするか？

主な発見

• RECBARプロトタイプシミュレーションにおけるリアルタイムイーサネットバックボーンは、顕著な帯域幅要件の増大にもかかわらず、従来のCANベースのアーキテクチャと同等のエンドツーエンド遅延およびジターパフォーマンスを達成した。
• シミュレーションにより、リアルタイムイーサネットソリューションに顕著な帯域幅余剰が存在することが明らかになった。これにより、HDカメラやLIDARなどの将来の高帯域幅アプリケーションのサポートが可能となった。
• ANDLの使用により、大規模な車載ネットワークシミュレーションの設定に要する時間と複雑さが著しく削減され、ネットワークトポロジーとトラフィックマッピングの迅速なプロトタイピングが可能になった。
• GCTAプラグインおよびカスタムResultManagersを含む統合された分析ツールにより、異種ネットワークにおけるメッセージ転送チェーン全体のジターや遅延の詳細なトレースが可能になった。
• 数千もの組み込み測定ポイントが利用可能であるため、実世界のテストに比べて、設定の問題のデバッグがはるかに高速かつ透明になった。
• オープンソースのシミュレーションモデルおよびプラグインは、実際の研究プロジェクトに成功裏に導入され、リアルタイムイーサネットバックボーンを備えたボルボ・ゴルフ7プロトタイプのシミュレーションを含んでいた。