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Automotive-Kommunikationsprotokolle

Fahrzeugnetzwerke der Zukunft

27. Juni 2024, 11:58 Uhr | Autor: Minsu You, Redaktion: Irina Hübner

Fahrzeuge werden immer komplexer und umfassen heute eine Vielzahl elektronischer Bauteile zur Verbesserung von Sicherheit und Effizienz. Damit geht ein beachtliches Datenwachstum einher. Mit Hilfe neuer Kommunikationsstandards können Hersteller dieser Herausforderung begegnen.

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Durch die Weiterentwicklung zum vernetzten Fahrzeug steigt die Nachfrage nach On-Bord-Netzwerken, die höhere Bandbreite und geringere Latenz bieten, um moderne Anwendungen sicher und komfortabel zu betreiben.

Dafür wurden im Laufe der Jahre unterschiedliche Protokolle entwickelt, teilweise exklusiv für den automobilen Anwendungsbereich. Jede einzelne Entwicklung hat allerdings mit den Anforderungen komplexer Architekturen und erheblicher Datenmengen, die innerhalb des eingebetteten Fahrzeugnetzwerks fließen, zu kämpfen. Hersteller suchen daher nach innovativen Lösungen, um die benötigte Leistung und Bandbreite in den Netzwerken ihrer Fahrzeuge bereitstellen zu können.

Ethernet zugeschnitten auf mobile Anwendungen

Aufgrund der allgemeinen Verbreitung in der Telekommunikationstechnik, einer relativ hohen Bandbreite und aus Preisgründen würde sich Ethernet anbieten. Die Technologie hat jedoch einen bedeutenden Nachteil für den Einsatz im Automobilbereich: Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection (CSMA/CD), ein asynchrones Zugriffsverfahren für die gemeinsame Nutzung von Übertragungsmedien. Dabei kann es zu Kollisionen kommen, die ein erneutes Senden von Signalen erfordern. In diesem Fall können Nachrichten nicht verzögerungsfrei gesendet werden, was für zeitsensitive Fahrzeuganwendungen ein Ausschlusskriterium darstellt.

Daher wurde speziell für die Automobilindustrie der Ethernet-Standard 10BASE-T1S entwickelt. Dabei wird CSMA/CD durch Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) ersetzt, was die verzögerungsfreie Datenübertragung ermöglicht, die für Fahrassistenzsysteme essenziell ist. Daneben wird der Übertragungsstandard aber auch für Infotainmentsysteme genutzt und spielt eine wichtige Rolle bei der Implementierung von Konnektivitätsfunktionen, wie der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (V2V) und der Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation (V2I).

Wenn die Rede vom Auto der Zukunft ist, wird oft vom Software-defined Vehicle gesprochen. Durch immer mehr digitale Anwendungen im Fahrzeug kommt der Datenübertragung eine ganz neue Bedeutung zu. Dadurch wächst der Bedarf an höheren Bandbreiten, um fortschrittliche Funktionen wie autonomes Fahren, Streaming von hochauflösenden Videos und Augmented-Reality-Anwendungen zu unterstützen. Ethernet-Netzwerke müssen immer schnellere Datenübertragungsraten bereitstellen. Zukünftige Automotive-Ethernet-Netzwerke müssen eine möglichst geringe Latenz aufweisen, um ausreichend schnelle Entscheidungsfindung und Reaktionszeiten für autonomes Fahren zu ermöglichen.

Neue Architekturen für smarte Fahrzeuge

Traditionell sind die Subsysteme in einem Fahrzeug nach gemäß Funktion organisiert und miteinander verbunden. Angesichts des stetig wachsenden Funktionsumfangs bedeutet das einen erheblichen Aufwand in der Verkabelung. Neuere Architektur-Ansätze organisieren die Untergruppen dagegen um und ordnen sie entsprechend nach der Position im Fahrzeug zu. Die Gruppen beinhalten dann unterschiedliche, nicht verwandte Funktionen.

Während dieser Ansatz zwar den Aufwand für die Verkabelung reduziert, steigt allerdings die Menge der zu übertragenden Daten und das Backbone des Fahrzeugnetzwerks muss leistungsfähiger werden. Insbesondere Fahrerassistenzsysteme erfordern hohe Bandbreiten und geringe Latenz. Für Funktionen wie automatisches Notbremsen werden Sensoren und Steuerelektronik im gesamten Fahrzeug verteilt und der sichere und zuverlässige Betrieb des Systems hängt von einem zeitkritischen Netzwerk ab, um Latenzunterschiede zwischen ihnen zu nivellieren. Selbst Systeme zur Fahrgeräuschreduktion, die auf mehreren Mikrofonen basieren, benötigen ein Echtzeitnetzwerk.

Der deterministische Ethernet-Standard 10BASE-T1S wird zukünftig eine wesentliche Rolle in modernen Fahrzeugen spielen, um eine leistungsfähige Backbone-Architektur für zeitsensitive Kommunikation zu schaffen.

Die Entwicklung von Protokollen wie Camera Serial Interface 2 (CSI-2) und Display Serial Interface (DSI-2) der MIPI Alliance, wird aktuell vorangetrieben. Diese Protokolle sind entscheidend für Fahrerassistenz- und Infotainmentsysteme, um hochauflösende Kameras, Sensoren und Displays in modernen Fahrzeugen zu verbinden. Darüber hinaus entwickeln die MIPI Alliance und die Automotive SerDes Alliance (ASA) eine standardisierte SerDes-Lösung.

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit wird auch an der Verbesserung der Sicherheit von MIPI-Protokollen und der Implementierung von asymmetrischem Ethernet für Kameras geforscht, was die Übertragung mit höheren Bandbreiten und den Empfang mit niedrigeren Bandbreiten umfasst. In hochperformanten Architekturen wird CAN nicht mehr das dominierende Standardprotokoll sein und auf den Automobilsektor optimierte Ethernet-Standards werden diese Rolle übernehmen.