Ringtopologie bietet Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeit-Fähigkeit Das Netzwerk für das Auto von morgen

Für die Kommunikation zwischen den mechatronischen Komponenten eines Automobils werden in Zukunft höhere Datenübertragungsraten und Echtzeit-Fähigkeit bei gleichbleibenden oder geringeren Kosten gefordert. Der Prototyp eines neuen Verbindungsnetzwerkes erreicht dies durch Ringtopologie, ein effizientes Protokoll und die Verwendung von Kunststoff-Lichtwellenleitern.

Ringtopologie bietet Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeit-Fähigkeit

Für die Kommunikation zwischen den mechatronischen Komponenten eines Automobils werden in Zukunft höhere Datenübertragungsraten und Echtzeit-Fähigkeit bei gleichbleibenden oder geringeren Kosten gefordert. Der Prototyp eines neuen Verbindungsnetzwerkes erreicht dies durch Ringtopologie, ein effizientes Protokoll und die Verwendung von Kunststoff-Lichtwellenleitern.

Bereits heute sind 90 Prozent aller Innovationen im Auto mit dem Einsatz von Elektronik und Software verbunden. Viele dieser neuen Entwicklungen lassen sich in den Bereich der Mechatronik einordnen. Die Anzahl der Steuergeräte ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Waren Mitte der 90iger Jahre noch einige wenige Steuergeräte ausreichend, enthalten heutige Oberklassewagen bereits mehr als 80. Dementsprechend hat sich der finanzielle Wert der Elektronik im Auto in nur zehn Jahren fast verdoppelt – Tendenz steigend. Das Auto als fahrender Parallelrechner – diese Vision stellt eine enorme Herausforderung für die Automobilbranche dar (Bild 1). Der zunehmende Einsatz von Elektronik sorgt zwar einerseits für mehr Komfort und Sicherheit, andererseits sind Elektrik und Elektronik für mehr als 50 % aller Pannen verantwortlich.

Während die Zahl der mechatronischen Systeme und die damit verbundenen Anforderungen an die Kommunikationseinrichtungen ständig gestiegen sind – und weiter steigen werden –, werden die Systeme immer noch über konventionelle Bussysteme miteinander gekoppelt. Ferner sind unterschiedliche Netzwerke und Software erforderlich, um die mechatronischen Komponenten im Auto zu verbinden. Stand der Technik sind hier CAN, LIN, MOST und FlexRay. Ein einheitlicher Standard für ein Netzwerk im Automobil ist bisher nicht in Sicht. Aufgrund dieser Entwicklungen haben heutzutage viele namhafte Automobilhersteller massive Qualitäts- und Leistungs-Probleme. Das Auto der Zukunft wird aber ein einheitliches Kommunikationsnetzwerk mit hohen Geschwindigkeiten erfordern. Außerdem muss ein solches Netzwerk extrem zuverlässig, sicher und echtzeitfähig sein.

Aus diesen Gründen wurde durch das Informationstechnische Zentrum (ITZ) der TU Clausthal [1] im Jahr 2004 das interdisziplinäre Forschungsprojekt „Steer by Wire“ gestartet. Das Ziel von „Steer by Wire“ ist die Entwicklung einer elektronischen Lenkung, die ohne eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern auskommt. Die Abteilung „Technische Informatik und Rechnersysteme“ [2] wurde im Rahmen dieses Projekts mit der Entwicklung eines neuen Netzwerks für das Automobil beauftragt: „CarRing II“. Es handelt sich hierbei um ein ringbasiertes, hoch zuverlässiges und echtzeitfähiges Netzwerk für Automobile, das eine sichere Verbindung zwischen allen Komponenten von „Steer by Wire“ bereitstellen soll.

Die Anforderungen an CarRing II sind mit denen von FlexRay vergleichbar. Allerdings ist CarRing II weniger in Konkurrenz zu FlexRay zu sehen, sondern vielmehr als Nachfolger von FlexRay in der nächsten Generation von Automobilen (Bild 2). Sicherlich war und ist FlexRay ein wichtiger Schritt in Richtung zuverlässige und echtzeitfähige Kommunikation im Auto, aber auf Dauer wird auch FlexRay den Anforderungen nicht genügen. Ziel bei der Entwicklung von CarRing II ist es, ein einheitliches Kommunikationsnetzwerk im Automobil zur Verfügung zu stellen. CarRing II soll die Probleme von Netzwerken mit Bustopologie lösen, dazu gehören etwa die begrenzte Skalierbarkeit und eine eingeschränkte Zuverlässigkeit.

Highlights von CarRing II

CarRing II erreicht Datenübertragungsraten von 200 Mbit/s bis 1 Gbit/s. Es bietet eine zuverlässige Verbindung von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten. Statt der herkömmlichen Bustopologie verwendet CarRing II eine Ringtopologie, damit lassen sich Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Effektivität steigern, eine Kommunikation in Echtzeit wird möglich. Bei CarRing II wird unterschieden zwischen „Knoten“ und „Attachments“; dabei teilen sich bis zu 15 Attachments einen einzigen Knoten. Bei den Knoten handelt es sich um ICs, die das CarRing-II-Protokoll umsetzen. Als Attachments werden Sensoren, Aktoren und Steuergeräte bezeichnet. Die Basisstruktur ist ein unidirektionaler Ring. Innerhalb eines einzelnen Rings können bis zu 16 Knoten unter Verwendung von handelsüblichen HOTLink-II-Transceivern und optischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen vernetzt werden. Über entsprechende Switch-Knoten lassen sich insgesamt 255 Ringe verbinden (Bild 3).

Das „CarRing II“-Netzwerk wurde so entworfen, dass es sich mit möglichst geringen Kosten realisieren lässt. Dies wurde beispielsweise durch eine einfache Knotenstruktur und die Verwendung kostengünstiger Kunststoff-Lichtwellenleiter erreicht. Da jeder Knoten als Sender und Empfänger arbeitet, ist eine Vollduplex-Kommunikation über den unidirektionalen Ring möglich. Da die Kunststoff-Lichtwellenleiter unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind, wird das Netzwerk zuverlässiger und sicherer. Bei Ver-bindungen unter 100 m Länge sind Datenraten bis 10 Gbit/s möglich. Kunststoff-Lichtwellenleiter sind flexibel und lassen sich auf einfache Weise handhaben. Zudem sind sie viel leichter als Kupferkabel; der Preis ist in etwa gleich.

Ein weiteres Entwicklungsziel beim „CarRing II“-Netzwerk war die Kommunikation in Echtzeit. Das hier verwendete Medienzugangsverfahren kombiniert eine erweiterte Variante des „Time Division Multiple Access“-Verfahrens (TDMA) mit dem „Register Insertion“ (RI). Dieses neue Verfahren wird mit „Time Slot Access with Acknowledge Insertion“ (TA2I) bezeichnet. Das wichtigste Kriterium für Echtzeit besteht darin, dass eine maximale Datenpaket-Zustellzeit garantiert werden kann. Dieses ist gewährleistet, weil jeder Knoten wenigstens einmal pro TDMA-Zyklus Daten senden kann.

Bild 6 zeigt die Ergebnisse der Simulation an einem System, in dem nur einer der sechs Knoten als Sender und einer als Empfänger arbeiten. Die restlichen Knoten sind inaktiv. Das linke Diagramm (a) zeigt die zusammengefasste Bruttodatenrate (Nutzdaten und Header) aller Sender (Eingangsdatenrate in Mbit/s) im Vergleich zu den Nutzdaten, die tatsächlich bei den Empfängern angekommen sind (Netto-Datenübertragungsrate in Mbit/s).

Bemerkenswert ist der geringe Unterschied zwischen minimaler und maximaler Latenzzeit bei CarRing II (im Diagramm (b) grau dargestellt).

Bild 7 zeigt die Ergebnisse einer Simulation mit drei Sendern und drei Empfängern.