Datenbordnetz mit Backbone-Struktur Das vernetzte Netz

Skalierbare Backbone-Struktur und spezielle Maßnahmen zur EMV-Absicherung verändern das Datenbordnetz.
Neue Schnittstellen verbinden das Bordnetz mit seiner Umgebung.

Der Trend zu mehr Konnektivität, höheren Datenraten und automatisiertem Fahren wird die Bordnetzarchitektur grundlegend verändern: Das Bordnetz wird zur systemrelevanten Komponente und muss damit den Anforderungen der funktionalen Sicherheit genügen.

Was vor wenigen Jahren noch belächelt und als Science-Fiction-Szenario abgetan worden wäre, soll Prognosen zufolge bereits in zehn Jahren Realität auf unseren Straßen sein: Autos, die autonom fahren. Schon jetzt sind unterschiedlichste Fahrerassistenzsysteme wie Abstands-, Spurhalte- und Parkassistenten erhältlich (Bild 1).

Um sich auf vielbefahrenen Straßen auch bei höheren Geschwindigkeiten unfallfrei bewegen zu können, ist eine reibungslose Kommunikation der Fahrzeuge untereinander essenziell, genauso wie die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und der Umwelt. Hierzu wird ein Wagen jedoch nicht nur über Anbindungen wie beispielsweise Mobilfunk, WLAN oder LTE mit der umgebenden Infrastruktur vernetzt sein, sondern vielmehr auch durch seine Sensorik und Aktuatorik. Das Fahrzeug soll in der Lage sein, Erfahrungen zu sammeln und aus bestimmten Situationen zu lernen. Und vor allem: Es soll dieses Wissen an andere Fahrzeuge weitergeben.

Diese komplexe Aufgabe erfordert in jedem Fall ein oder mehrere zentrale Steuergeräte, welche die Daten aller Assistenzsysteme erfassen, weiterverarbeiten und in definierte Aktionen des Fahrzeugs umwandeln können. Unter Beachtung entsprechender Sicherheitsaspekte natürlich: Sollte einer dieser zentralen Knotenpunkte ausfallen, darf das keinesfalls zu einem Unfall führen. Hier muss über verschiedene Sicherheitskonzepte geregelt werden, dass dem System bestimmte Szenarien bekannt sind, sodass es entsprechend darauf reagieren kann beziehungsweise dass es diese im Vorfeld schon proaktiv verhindert.

Das Datenbordnetz der Zukunft

Urbanisierung, Umweltschutz, Individualisierung, Konnektivität – an diesen Megatrends, die aktuell zu beobachten sind, werden sich zukünftige Fahrzeugfunktionen immer stärker ausrichten (Bild 2). Vor allem im Bereich der Vernetzung steckt großes Innovationspotenzial – bei Fahrerassistenzsystemen ebenso wie im Infotainment-Bereich. Entsprechend rasant steigen auch die zu bewältigenden Datenmengen. Hier muss die Automobilindustrie Lösungen finden: Das Datenbordnetz der Zukunft muss neu gedacht werden.

Neben stetig steigenden Datenraten spielen vor allem die Übertragungssicherheit und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine immer bedeutendere Rolle. In den vergangenen Jahren waren die Entwicklung und die Absicherung von Komponenten im Hinblick auf die beiden letzten Aspekte hauptsächlich Aufgabe der Steuergerätehersteller. Die Anforderung, den Leitungssatz als systemverantwortliche Komponente zu entwickeln und abzusichern, tauchte im Rahmen der Einführung von FlexRay zum ersten Mal in Ansätzen im Automotive-Umfeld auf. Durch die Einführung von Übertragungstechnologien wie BroadR-Reach, Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet (RTPGE) oder in Zukunft auch 10 Gbit/s Automotive Ethernet rückt diese Anforderung immer stärker in den Fokus der gesamten Automobilindustrie. Am OSI-7-Schichten-Modell lässt sich die Rolle des Kommunikationskanals als entscheidender Faktor für die Auslegung der Bitübertragungsschicht sehr gut veranschaulichen (Bild 3)

Auf der Bitübertragungsschicht, dem sogenannten Physical Layer, wird die elektrische Schnittstelle zum physischen Übertragungsmedium, dem Kommunikationskanal, definiert. Die Definition des physischen Mediums ist hier jedoch nicht enthalten. Beispielsweise bedeutet dies im Fall von Automotive Ethernet, dass die technische Spezifikation des zu übertragenden Signals, die zu implementierenden Filter und das Routing der Leiterbahnen auf der Platine unter Berücksichtigung strenger Hochfrequenzanforderungen stattfinden. Wie aus der schematischen Darstellung des OSI-Modells deutlich wird, lässt sich ein Großteil der Anforderungen des Physical Layer 1:1 auf den Kommunikationskanal anwenden. In Zukunft werden deshalb immer stärker verschiedene Architekturvarianten, Topologien sowie Bordnetz- und Sicherheitskonzepte in den Fokus rücken.

Anspruchsvolle Sicherheitskonzepte

Die wichtigsten Eigenschaften bei der Entwicklung und Absicherung von E/E-Komponenten sind Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit, wobei sich letztere in verschiedene Sicherheitsstufen bezüglich des Automotive Safety Integrity Level (ASIL) kategorisieren lässt. Die sogenannte funktionale Sicherheit befasst sich dabei hauptsächlich mit der Vermeidung von übermäßigen Personenschäden in der ASIL-Kategorisierung gemäß ISO 26262. Hier sind vor allem das Fail-Safe- und das Fail-Operational-Verhalten ausschlaggebend für die Auslegung des Systems. Fail-Safe, wie es bereits heute Stand der Technik ist, bedeutet, dass im Fehlerfall das betroffene System in einen definierten Zustand übergeht. Ein Fehler in einer Komponente muss durch zusätzliche Maßnahmen zum Übergang in diesen definierten Zustand führen. Fail-Operational gibt an, dass im Fehlerfall nicht ein Fehlerzustand eingenommen wird, sondern das System weiter betrieben werden kann – es muss operativ und fehlertolerant sein. Dies kann jedoch nur durch zusätzliche Maßnahmen erreicht werden, etwa durch verschiedene Ausprägungen von Redundanz und Diversität.

Im Hinblick auf das autonome Fahren werden Fail-Operational-Sicherheitskonzepte wichtiger denn je, um auch im Fehlerfall einen Systemausfall zu vermeiden. Da einzelne Systeme in verschiedene ASIL-Kategorien eingeteilt sind, ist es sinnvoll, auch das Datenbordnetz in diese Kategorisierung mit einzubeziehen. Eine Maßnahme, die das Bordnetz in ein neues Licht rückt: Es muss nun als systemrelevante Komponente betrachtet werden, die selbstverständlich auch abzusichern ist. Die besondere Herausforderung für das Datenbordnetz liegt nun darin, Parameter und Testszenarien zu definieren, die Rückschlüsse zulassen, inwieweit das Datenbordnetz Einfluss auf das Gesamtsystemverhalten nimmt.