Fahrerassistenz und Sicherheit

Die Konnektivitäts-Anforderungen lösen – ein Überblick

1. Dezember 2022, 8:20 Uhr | Autor: Mark Patrick, Redaktion: Irina Hübner
Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme erfordern schnelle Konnektivität.
© Mouser | WFM

Damit automatisierte Fahrzeuge komplexe Entscheidungen in Echtzeit treffen können, sind ultraschnelle Konnektivitätslösungen erforderlich. Dieser Artikel betrachtet das Potenzial unterschiedlicher Netzwerktechnologien für sicherheitskritische Automotive-Anwendungen.

Bei fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen werden Bilder von mehreren Kameras gleichzeitig verarbeitet und mit anderen Daten von Lidar-, Radar- und Ultraschall-Sensoren kombiniert. Diese Informationen müssen über bis zu fünfzehn Meter lange Kabel an mehrere elektronische Steuergeräte (ESG) übertragen werden, die im Fahrzeug verteilt sind.

Die wichtigsten Kriterien für die Übertragung dieser Daten sind:

  • Latenzzeit: Mit zunehmender Autonomie der Fahrzeuge werden Latenzzeiten und Datenfehler unvertretbar. Signale von mehreren Sensoren und Kameras werden kombiniert, um eine dreidimensionale Darstellung der äußeren Umgebung in Echtzeit zu erstellen. Durch Verzögerungen und/oder Fehler im Datenstrom selbst eines einzigen Sensors kann es für ein Steuergerät sehr schwierig werden, die Umgebung vollständig zu erfassen. Dies kann verheerende Folgen für das Fahrzeug, seine Insassen und die Menschen in seiner unmittelbaren Umgebung haben.
  • Zuverlässigkeit und Robustheit: Durch die beengten Platzverhältnisse in einem Fahrzeug sind elektromagnetische Störungen (EMI) ein echtes Problem. Denn je mehr elektronische Bauelemente verbaut werden, desto größer wird der Platzbedarf. Und je näher die Bauelemente und Kabel beieinander liegen, desto anfälliger werden sie für Übersprechen (Crosstalk).
  • Redundanz: Ähnlich wie bei Flugzeugen benötigen hochautomatisierte und autonome Fahrzeuge ausfallsichere Systeme, die in der Lage sind, Daten automatisch um Fehlerstellen herumzuleiten, damit ein Fahrzeug normal weiterfahren oder kontrolliert zum Stillstand kommen kann.
  • Bandbreite: Die Daten von Fahrerassistenzsystemen müssen mit Datenraten von mehr als zehn Gigabit pro Sekunde übertragen werden.

Einige Netzwerktechnologien für Fahrzeuge werden seit Jahrzehnten eingesetzt und kommen auch heute noch zum Einsatz, weil sie einfach, zuverlässig und kostengünstig sind. Dazu zählen das Local Area Interconnect Network (LIN), das mit einer Geschwindigkeit von einigen zehn Kilobit pro Sekunde arbeitet, das Controller Area Network (CAN) mit bis zu 1 Mbit/s und sein Nachfolger CAN_FD (bis zu 12 Mbit/s), das in der Regel für langsame Steuerungsanwendungen eingesetzt wird. Für sicherheitskritische Anwendungen wurde FlexRay, das Datenraten von bis zu 10 Mbit/s bietet, von einigen High-End-Automobilherstellern übernommen.

Keine dieser Lösungen erreicht jedoch auch nur annähernd die Multi-Gigabit-Bandbreiten, die für aktuelle ADAS-Anwendungen erforderlich sind. Damit scheiden die genannten älteren Netzwerklösungen für Fahrzeuge als potenzielle Kandidaten für künftige Vernetzungslösungen im Fahrzeug aus.

Ethernet für den Automotive-Bereich

Der Ethernet-Standard wurde 1973 entwickelt und 1985 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers als IEEE 802.3 standardisiert. In der Folge wurde er zum nahezu universellen Datenkommunikationsprotokoll für lokale Netzwerke. Ethernet-Signale können über Koaxial-, Glasfaser- und ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel übertragen werden, wobei die Geschwindigkeiten von anfänglich 10 Mbit/s auf inzwischen mehr als 1000 Gbit/s gestiegen sind. Mit dem Einzug der Computertechnologie in den Automotive-Bereich befasste sich die Branche mit dem vertrauenswürdigen Ethernet-Protokoll als Datenverbindungslösung.

Im Jahr 2016 veröffentlichte das IEEE den ersten Automotive-Ethernet-Standard mit der Bezeichnung 100Base-T1 in IEEE 802.3bw. Es gibt zwar Ähnlichkeiten zum IEEE 802.3 (beide Versionen verwenden ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel, bei denen zwei Kupferdrähte über die gesamte Länge des Kabels miteinander verdrillt sind, um elektromagnetische Strahlung und Übersprechen zu reduzieren), doch es existieren auch einige Unterschiede.

Automotive-Ethernet-Steckverbinder von TE Connectivity.
Automotive-Ethernet-Steckverbinder von TE Connectivity.
© Mouser

Für 100Base-TX werden zwei Kabelpaare verwendet – ein Paar zur Übertragung des Sendesignals in eine Richtung und das andere Paar zur Übertragung des Empfangssignals in die entgegengesetzte Richtung. Beim Automotive Ethernet wird nur ein einziges Kabelpaar für die Übertragung und den Empfang verwendet. Dadurch ist das Kabel leichter und kostengünstiger.

Der 100Base-TX-Standard ist für eine maximale Kabellänge von 100 Metern spezifiziert. Automotive Ethernet ist hingegen für eine maximale Länge von nur fünfzehn Metern spezifiziert und damit an die Größe eines Autos angepasst. Ein weiterer Unterschied ist das Kodierungsschema, das zur Verringerung von EMI und Übersprechen verwendet wird.

Die 100-Mbit/s-IEEE802.3bw-Version des Ethernet-Standards ist in Automotive-Anwendungen weit verbreitet. Diese Geschwindigkeit reicht jedoch nicht aus, um die Daten von mehreren Sensoren und hochauflösenden Kamera-Streams gleichzeitig an ein Steuergerät und weiter an ein Display zu übertragen. IEEE 802.3bp oder 1000Base-T1 ermöglicht Geschwindigkeiten im Gigabit-Bereich über verdrillte Twisted-Pair-Kabel, arbeitet aber mit 600 MHz. Das hat den Nachteil, dass die Kabel anfälliger für Übersprechen sind, was den Umgang mit elektromagnetischen Störungen weiter erschwert.

Im Jahr 2020 brachte das IEEE den Standard 802.3ch heraus, der Multigigabit-Ethernet mit standardmäßigen Übertragungsraten von 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s über eine Kabellänge von bis zu fünfzehn Metern gestattet. Künftige Ethernet-Versionen werden zwar möglicherweise noch höhere Datenübertragungsraten bieten, aber im Moment ist Automotive-Ethernet ein hervorragender Ersatz für die Funktionen herkömmlicher Konnektivitätslösungen. Es reicht jedoch noch nicht an die Bandbreite heran, die für ADAS-Anwendungen und hochauflösende Displays erforderlich ist.

Serielle Verbindungen

Für die Verbindung einer hochauflösenden Kamera mit einem Display ist keine vollständig symmetrische Datenverbindung wie Ethernet erforderlich. Asymmetrische SerDes-Systeme, die einen Serializer-IC auf der Senderseite und einen Deserializer-IC auf der Empfängerseite verwenden, werden heute häufig von Automotive-OEMs zur Übertragung von Hochgeschwindigkeits-Video- und Sensordaten eingesetzt. Zu den frühen Lösungen zählten APIX III (Inova), GMSL (Maxim Integrated – jetzt Analog Devices) und FPD III-Link (Texas Instruments), die Datenraten von bis zu 3 Gbit/s über ein einziges Koaxial- oder Differenzialkabel lieferten.

Mit der zweiten Generation dieser Technologie konnten Datenraten von bis zu 6 Gbit/s auf einem Kanal (oder 12 Gbit/s bei Verwendung von zwei kombinierten Kanälen) erreicht werden. Im Vergleich zu Automotive Ethernet verwendet ein SerDes-System eine asymmetrische Verbindung. Dadurch sind die Datenraten in einer Richtung (Downstream-Verbindung) viel höher als in der anderen (Upstream).

Für Video- und Sensoranwendungen ist das völlig ausreichend, da Kameras in erster Linie Hochgeschwindigkeitsdaten liefern und nur Steuersignale mit wesentlich geringeren Datenraten empfangen. Anzeigegeräte empfangen ebenfalls Hochgeschwindigkeitsdaten, senden aber nur sporadisch Steuerdaten an das Steuergerät, zum Beispiel wenn ein Finger auf einen Touchscreen gelegt wird. Durch diesen asymmetrischen Ansatz lässt sich die physische Komplexität vereinfachen und der Bedarf an Kanälen verringern. So können OEMs in der Automobilindustrie ein kostengünstigeres System entwickeln, als dies mit einer symmetrischen Ethernet-basierten Vollduplex-Implementierung mit derselben Geschwindigkeit möglich wäre.

Als Antwort auf die Nachfrage nach einer einheitlichen High-Speed-Schnittstelle auf physikalischer Ebene, die für serielle Verbindungen im Automotive-Bereich geeignet ist, haben die Mitglieder der MIPI-Allianz (Mobile Industry Processor Interface) die MIPI Automotive SerDes Solution (MASS) entwickelt. Diese führte Ende 2020 zur Veröffentlichung von A-PHY v1.0, der ersten anbieterunabhängigen High-Speed-SerDes-Lösung mit großer Reichweite für Anwendungen im Automotive-Bereich, die auch von der IEEE übernommen wurde.

In der aktuellen Version 1.1 wurde die maximal verfügbare Downlink-Datenrate bereits verdoppelt auf 32 Gbit/s. Auch die Uplink-Geschwindigkeit ist höher als bei v1.0. Die Roadmap dieses Standards sieht Datenraten von bis zu 32 Gbit/s vor. Dadurch ist der Standard gut gerüstet, um den steigenden Bandbreitenanforderungen Rechnung zu tragen, die in Zukunft durch den Einbau weiterer elektronischer Systeme in Fahrzeugen entstehen werden.

Da Fahrzeuge immer autonomer werden, nimmt die Anzahl der Fahrerassistenzsysteme zu – und auch die Datenübertragungs- und -verarbeitungsgeschwindigkeiten werden drastisch schneller. Die bisherigen automobilen Netzwerklösungen sind viel zu langsam und daher als Lösungen zur Bewältigung der entstehenden Konnektivitätsherausforderung unbrauchbar.

Das Automotive-Ethernet entwickelt sich zwar allmählich in Richtung der erforderlichen Datenübertragungsraten, doch für den Einsatz mit hochauflösenden Displays reicht die Bandbreite bei weitem nicht aus. Derzeit bieten asymmetrische serielle Verbindungen die beste Lösung für die Datenkommunikation im Multi-Gigabit-Bereich. Die Einführung des Industriestandards A-PHY für diese Technologie liefert eine Roadmap, die seine Anwendung zukunftssicher macht.

 

 

Der Autor

Mark Patrick
ist als Technical Marketing Manager für EMEA bei Mouser Electronics für die Erstellung und Verbreitung von technischen Inhalten in der Region verantwortlich. Bevor er das technische Marketing-Team leitete, war Patrick Teil des EMEA-Lieferanten-Marketing-Teams und spielte eine wichtige Rolle beim Aufbau und der Entwicklung von Beziehungen zu Fertigungspartnern. Vor seiner Tätigkeit bei Mouser arbeitete Patrick acht Jahre lang für Texas Instruments im Anwendungssupport und im technischen Vertrieb. Im Herzen ist er Ingenieur mit einer Leidenschaft für alte Synthesizer und Motorräder. Er schreckt auch nicht davor zurück, Reparaturen an diesen selbst durchzuführen. Patrick hat sein Studium in Elektronikingenieurwesen an der Coventry University absolviert.

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