Komplett von A bis Z Ethernet im Fahrzeug

Ethernet in der Automobilanwendung.
Ethernet in der Automobilanwendung.

Für viele Automobilanwendungen entwickelt sich Ethernet schnell zum Netzwerk der Wahl. Von Multimedia über Vernetzung von Fahrzeugen bis hin zum autonomen Fahren – welche Fahrzeugapplikationen und Ethernet-Technologien sind damit machbar bzw. erforderlich?

Aufgrund seiner Flexibilität und niedrigen Kosten kann Ethernet viele derzeitige Netzwerk-Generationen wie FlexRay und MOST ersetzen und viele neue Anwendungsfälle im Bereich des autonomen Fahrens und der vernetzten Fahrzeuge (V2V und V2X) unterstützen. Der vermehrte Gebrauch von hochauflösenden Bildsensoren und Lidar-Geräten erzeugt eine große Menge an Daten, die fehlerfrei und in Echtzeit zu den Steuergeräten übertragen werden müssen, die darauf basierend Entscheidungen treffen. Das konventionelle Ethernet ist keine Option, da es auf Kollisionen basierende Protokolle beinhaltet und somit zeitlich unvorhersagbar ist.

Blick in die Geschichte

Die Einführung von Ethernet in das Design von Fahrzeugnetzwerken ist eine der größten Veränderungen, seit der CAN-Bus, der in den 1980ern von Robert Bosch vorgestellt wurde, die Netzwerke revolutioniert hat. Weil der Trend in Richtung autonomer Fahrzeuge geht, ist die sichere Hochgeschwindigkeits-Kommunikation in einem Fahrzeug wichtig wie nie zuvor und es wird notwendig, den unterschiedlichsten Anforderungen von Verbrauchern und Regulierungsbehörden sowie bezüglich Sicherheit und Energieeffizienz gerecht zu werden.

Seit den 1970er Jahren hat sich das Ethernet mit einer Reihe verschiedener Protokolle wie ARCNET, LocalTalk, X.25, DecNet Ethernet in der Computerindustrie etabliert und wurde nun für Automobilanwendungen weiterentwickelt. Es gibt ein gemeinsames Modell auf Grundlage des Internet-Protokolls, das basierend auf der IEEE-802-Architektur oberhalb des Local Area Network (LAN) läuft. Ethernet-Netzwerke unterstützen jetzt fehlertolerante Kommunikation mit zeitbezogenen Protokollen, die die Signalübertragungszeiten garantieren.

Es gab eine Zeit, in der die Marktanforderungen für Konsumgüterelektronik, Computernetzwerke und die Automobilindustrie sehr unterschiedlich waren, jeweils mit eigenen Innovationen und Sicherheitsanforderungen. Vor vielen der historischen Anforderungen, mit denen Computernetzwerke konfrontiert waren und die sie erfolgreich gemeistert haben, steht nun die Automobilindustrie. Automobilhersteller suchen nach sicheren Netzwerklösungen für Fahrzeuge und unterstützende Infrastruktur. Safety und Security stehen einmal mehr im Mittelpunkt und die potenziellen Gefahren von elektronisch gekaperten Fahrzeugen erfahren hohe Aufmerksamkeit.

Auswirkungen auf die Fahrzeugarchitektur

Ein modernes Luxusfahrzeug verfügt über 60 bis 100 elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) sowie über eine Vielzahl von Betriebssystemen. Deren Palette reicht von einfachen Steuerprogrammen über Echtzeitbetriebssysteme bis hin zu komplexen multifunktionalen Linux-Betriebssystemen oder ähnlichen Embedded-Plattformen, die aktuelle Infotainment- und Fahrerinformationssysteme unterstützen. ECUs steuern spezielle Fahrzeugfunktionen, und da die Anzahl der erforderlichen Funktionen gestiegen ist, haben sich neue Architekturen etabliert, die die Komplexitäts- und Konnektivitätsanforderungen verwalten können.

Durch Bündelung von Funktionen in Domänen lassen sich das Gewicht des Kabelbaums und die Komplexität der Verbindungen optimieren und einige ECUs konsolidieren, was zu Einsparungen bei den Gesamtkosten sowie der Anzahl der Komponenten führt. In einer modernen Fahrzeugarchitektur wird jede Domäne von einem Domänen-Controller verwaltet. Diese Controller kommunizieren miteinander über sichere Links mit hoher Bandbreite – ein idealer Anwendungsfall für Ethernet-Netzwerke (Bild 1).

In Fahrzeugen wird Ethernet seit geraumer Zeit für Diagnosezwecke, zur Dateneinspeisung von Bildsensoren und für Fahrzeug-Infotainment-Systeme verwendet. Durch Hinzufügen von deterministischen Timing-Funktionen lässt sich das Anwendungsspektrum von Ethernet erheblich erweitern, zum Beispiel als Netzwerk-Backbone, Medium für Inter-Domain-Controller-Netzwerke und möglicherweise um vorhandene serielle Netzwerke wie CAN, LIN, MOST und FleyRay zu ersetzen.

Weil die ursprünglichen Ethernet-Standards nicht besonders zeit- oder sicherheitskritisch waren, war deren Anpassung an Automobilanwendungen das Thema mehrerer Arbeitsgruppen innerhalb des IEEE. In der Büro- und wissenschaftlichen Computerwelt lag der Schwerpunkt der Anforderungen mehr auf der Datenübertragungsgeschwindigkeit und der Netzwerk-Bandbreite. Ethernet bietet Flexibilität im Architekturdesign und unterstützt Linien-, Stern- und Hybrid-ECU-Anschlussstrukturen. Ethernet-Signale durchlaufen Switches, die so konfiguriert werden können, dass sie Pufferung und das Einstellen von Signalprioritäten erlauben.

Bei Fahrzeugentwicklern, die nach dem Top-Down-Prinzip arbeiten und mehr in Fahrzeugfunktionen als in physischen ECUs und deren Platz im Fahrzeug denken, ist die Möglichkeit, verwandte Funktionen auf einem Ethernet-Netzwerk zu bündeln, sehr wichtig. Das Konzept der Virtual Local Area Networks (VLANs) wurde definiert, damit sich Fahrzeugfunktionen logisch anstatt zu physischen ECUs bündeln lassen. Ethernet-Nachrichten können mit „VLAN“-Informationen versehen und diese Nachrichten dann von den Sendern und Empfängern erfasst werden. Die Fahrzeugarchitektur in Bild 2 zeigt die logische Verknüpfung einer Rückfahrkamera mit einem Head-up Display. Mit VLAN-Tags lässt sich ein direkter Nachrichtenpfad zwischen den beiden einrichten.

Das physikalische Medium für die Ethernet-Kommunikation

Die physikalische Schnittstelle für Ethernet-Netzwerke, PHY, hat sich über viele Jahre und Arten von Kabeln weiterentwickelt. In den Anfangstagen des für Büros bestimmten Ethernet waren diese sehr dick, doppelt abgeschirmt und eher unflexibel. Für Automobilhersteller wurde Ethernet durch die Verwendung von leichten, ungeschirmten Twisted-Pair-Kabeln attraktiv. Verkabelungskosten lassen sich so reduzieren, die Installation und das Verlegen von Kabeln wird vereinfacht. Die 100BASE-T1-Technologie, die von Broadcom als BroadR-Reach eingeführt und gefördert wurde, hat von der OPEN Alliance Special Interest Group (SIG) weitere Unterstützung erfahren. Zur SIG gehören Unternehmen wie BMW, Broadcom, NXP, Harman, Hyundai und viele andere Mitglieder.

Mögliche Applikationen für 100BASE-T1 sind Verbindungen zu Rückfahrkameras mit 360-Grad-Rundumsicht, zu Radar- und Lidar-basierten Systemen zur Kollisionsvermeidung sowie zu bestehenden Fahrer-Cockpit-Systemen und Infotainment-Lösungen. Datenraten von 100 Mbit/s sind bestens etabliert und 1000BASE-T wird bald verfügbar sein.

Zur Übertragung von Videobildern ist bei Verwendung von 100-Mbit/s-Links eine hohe Kompression erforderlich, die möglicherweise die Bildqualität verschlechtert sowie zu Verzögerungen und Latenzen im Netzwerk führt. Weil es immer mehr Gigabit-Netzwerke gibt, werden einige dieser Probleme gelöst werden. Die IEEE-Standardorganisation hat eine Task Force zur Definition eines IEEE-802.3bp/1000BASE-T1-Standards für Anwendungen auf Twisted-Pair-Kabeln für Netzwerkübertragungen bis zu 15 m ins Leben gerufen. Dieser Standard würde den meisten Anwendungsfällen im Automobil gerecht werden. Die Arbeiten sollen 2017 standardisiert werden.

Ethernet-Kabel lassen sich als Stromversorgung verwenden und die Arbeit am IEEE-801.3bu-Standard wird fortgesetzt: „Single-pair power over data lines“ (PoDL). Intelligentes Ein- und Ausschalten von Ethernet Switches und -Schaltungen hilft Energie einzusparen. Das ist vor allem bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen wichtig. Der IEEE-802.3az-Standard führt Low-Power-Modi und Wake-up-Funktionen ein. Damit lässt sich bei Ethernet-Knoten oder -Switches in Zeiträumen mit niedriger oder gar keiner Aktivität Energie einsparen.