Netzwerktechnologien entwickeln Allianz für die Zukunft autonomer Fahrzeuge

Netzwerktechnologien die automatisiertes Fahren unterstützten.
Netzwerktechnologien die automatisiertes Fahren unterstützten.

Die NAV Alliance wurde 2018 mit dem Ziel gegründet, Netzwerktechnologien zu entwickeln, welche die Automobilbranche bei der Entwicklung des automatisierten Fahrens unterstützen. Eine neue Dynamik liegt in der Art, wie die NAV Alliance Fahrzeugnetze für automatisiertes Fahren fit machen wird.

Automatisiertes Fahren und allgegenwärtige Vernetzung sind derzeit die großen Treiber für teils radikale Änderungen in der E/E-Architektur. Dabei steht besonders die Integration von immer höher auflösender Sensorik und leistungsfähigeren Recheneinheiten bei Berücksichtigung höherer Übertragungsgüte und durchgehender Kommunikation im Mittelpunkt. Diese Anforderungen können von den klassischen Kommunikationssystemen und Steuergeräten nicht mehr bedient werden. Deshalb sind ganzheitliche Ansätze notwendig, um die enormen Datenmengen der zahlreichen Sensoren verlustfrei aufzunehmen und verzögerungsfrei zu zentralen Recheneinheiten weiterzuleiten.

In zukünftigen E/E-Architekturen wird es, im Gegensatz zu einer steigenden Anzahl von Sensoren, weniger aber dafür leistungsstärkere Verarbeitungseinheiten, sogenannte Server, geben.

Diese zentralen Einheiten werden über eine Hochgeschwindigkeitsanbindung redundant mit den wichtigsten Komponenten im Fahrzeugnetz verbunden sein (Bild 1). Aufgrund der absehbar hohen Sensordatenraten im Bereich von bis zu 10 Gbit/s wird für eine Aggregation dieser Datenmengen eine noch schnellere Verbindung zu den Servern notwendig sein.

Kommunikationsnetz im automatisierten Fahrzeug

Ethernet ist die Technologie der Wahl, wenn heute im Fahrzeug Datenkommunikation mit hoher Bandbreite nicht zwischen genau zwei Partnern stattfindet, sondern Informationen mehreren Teilnehmern im Netzwerk zur Verfügung gestellt werden. Für die künftigen Anforderungen im automatisierten Fahren sind die derzeitigen Automotive-Ethernet-Lösungen noch nicht leistungsstark genug. Obwohl die Standardisierungsorganisation IEEE derzeit noch an der Definition von Automotive Ethernet Physical Transceivern mit Geschwindigkeiten von 2,5, 5 und 10 Gbit/s arbeitet, sind bereits heute höhere Anforderungen bis hin zu 50 Gbits absehbar.

Die zunehmende Zahl hochbandbreitiger Sensorik stellt nicht nur Anforderungen in Form von stetig steigenden Datenraten, auch die Sensor-nahen Schnittstellen sind meist etablierte Industriestandards die von Ethernet verschieden sind. So kann beispielsweise ein Kameradatenstrom mit CSI-2 generiert, aber mittels embedded DisplayPort (eDP) von einem Grafikprozessor an einer anderen Stelle des Fahrzeugs empfangen werden – die Strecke dazwischen wird aber in vielen Fällen Ethernet sein. Um dafür eine möglichst kostenoptimierte und effiziente Übertragung zu gewährleisten, sind Lösungen notwendig, diese Sensordatenschnittstellen ins Ethernet-Netzwerk zu integrieren. Die einzelnen Schnittstellen nutzen oftmals auch Meta-Informationen, die zusätzlich zu den Sensordaten transportiert werden müssen. Um dabei Inkompatibilitäten zu verhindern, ist ein gemeinsamer Standard sinnvoll.

Der Trend, Fahrzeuge durchgehend mit dem Internet zu verbinden, und immer komplexere Vernetzung erhöhen das Potenzial für ungebetene Gäste im Fahrzeugnetz. Um solche Fälle zu erkennen und zu unterbinden, gibt es zwar bereits verschiedene Technologien – beispielsweise Datenfilterung nach IEEE802.1 Qci »Per-Stream Filtering and Policing« – aber die Unterstützung in Netzwerkbauteilen und die Nutzung der Technologien ist bei den Automobilherstellern unterschiedlich.

Die neuen E/E-Architekturen für automatisierte Fahrzeuge haben auch Auswirkungen auf die Entwicklung von Steuergeräten (Electronic Control Unit, ECU). Wo früher Rechenleistung dezentral auf viele verschiedene Steuergeräte verteilt und einzelne Steuergeräte – oder zusammengefasste Gruppen – ganz bestimmte Funktionen im Fahrzeug berechnet haben, so ist der Ansatz bei zentralen Server-Architekturen, wie sie aktuell häufig diskutiert werden, ein anderer: Der Großteil der Rechen¬leistung ist in wenigen zentralen Fahrzeugservern geballt. Weitere I/O-Steuergeräte stellen die diversen Schnittstellen zwischen Aktoren sowie Sensoren auf der einen und den zentralen Fahrzeug-Servern auf der anderen Seite dar.

Vor allem die Server stellen eine Kernkomponente der neuen Architekturen dar. Wo geforderte Rechenleistung in ECUs früher linear anstieg, ist das heute bei den zentralen Servern exponentiell. Hinzu kommen höhere Verlustleistungen durch große Speicher und immer schnellere Kommunikationstechnologien wie Multi-Gigabit-Ethernet. Die dadurch entstehende Abwärme muss optimal abtransportiert werden. Die dauerhafte Einhaltung der EMV-Grenzwerte beim Hochfrequenz-Design der Steuergeräte und höhere Anforderungen an die Spannungsversorgung im störbehafteten Bordnetz sind darüber hinaus Beispiele für weitere Herausforderungen.

Über die bisher genannten Herausforderungen hinaus besteht auch das Problem immer komplexer werdender Konfigurationen und eines ganzheitlichen Managements des Fahrzeugnetzwerks. Zur Einhaltung harter Echtzeitanforderungen beispielsweise gibt es mit Ethernet Time-Sensitive Networking (TSN) einen Baukasten verschiedener Maßnahmen, um Daten in einem Ethernet-basierten Fahrzeugnetzwerk priorisiert zu behandeln, zyklisch weiterzuleiten, redundant zu übertragen und den Störeinfluss fehlerhafter oder bösartiger Datenströme zu minimieren. All diese Standards haben für sich genommen bereits eine gewisse Grundkomplexität bei der initialen Konfigura¬tion auf einem Netzwerkgerät. Erweitert man das um Da¬tenübertragung mit mehreren Gigabit pro Sekunde, dynamische Rekonfiguration, nachträgliche Software-Updates und immer neue Angriffsszenarien, steigt die Komplexität um ein Vielfaches an. Es gibt teilweise proprietäre Ansätze, das in den Griff zu bekommen, wünschenswert wäre aber ein über Herstellergrenzen hinweg gemeinsames Vorgehen, um Inkompatibilität sowie Mehrarbeit zu verhindern und die Qualität zu steigern.

NAV Alliance als industrieweite Plattform

Die NAV Alliance hat sich zum Ziel gesetzt, die Anforderungen an automatisierte Fahrzeuge auszuarbeiten, zu bewerten und technische Lösungsvorschläge über Unternehmensgrenzen hinweg zu erarbeiten. Hierzu bildet sie jeweils technische Arbeitsgruppen – sogenannte Technical Working Groups (TWGs). Die Themen, die die Allianz bearbeitet, sind dabei grundsätzlich unabhängig von den konkreten Übertragungsgeschwindigkeiten. Ausnahmen stellen dabei lediglich Ethernet-PHY- und zugehörige EMV-Spezifikationen dar (Tabelle 1).

Aquantia, Bosch, Continental, Nvidia und Volkswagen sind die Gründungsmietglieder der Allianz. Ferner sind weitere Unternehmen aus verschiedenen Bereichen der Zulieferkette wie Huawei, Molex, Sumitomo und Tektronix der Allianz beigetreten.

TWG1: 25- und 50-Gbit/s-Automotive-Ethernet-PHY-Spezifikationen

In der IEEE arbeitetet derzeit die Arbeitsgruppe 802.3 unter anderem an der Standardisierung von Automotive Ethernet für Datenraten von 2,5, 5 und 10 Gbit/s. Dieser Standard soll in der zweiten Jahreshälfte 2020 verabschiedet werden [1]. Aufgrund weiterer technologischer Fortschritte und dem Bedarf, mehrere solcher Links zu aggregieren, ist die Notwendigkeit nach noch höheren Bandbreiten gegeben. Sollte man bis zur Finalisierung des IEEE802.3ch-Standards warten und dann direkt eine Arbeitsgruppe für die Standardisierung von 25 und 50 Gbit/s starten, würde das mit der üblichen Dauer der IEEE-Standardisierung einen finalen Standard etwa im Jahr 2025 bedeuten – je nachdem wie gut das zeitlich mit der Definition neuer Fahrzeugarchitekturen zusammenfällt, folgt daraus ein Fahrzeug-SOP zwischen 2029 und 2032 [2, S. 16 bis 18]. Um diesen Prozess zu unterstützen, ist das Ziel der TWG1, vorab die technische Machbarkeit von 25 und 50 Gbit/s für Automotive nachzuweisen.

Einige Sensoren wie Kamera, Radar oder Lidar haben eine asymmetrische Kommunikationscharakteristik. Das bedeutet, die Sendedatenrate ist um ein Vielfaches höher als die Empfangsdatenrate. Mit einem daraufhin optimierten asymmetrischen Übertragungskanal kann im Gegensatz zu einem Symmetrischen die Leistungsaufnahme und somit Verlustleistung reduziert werden.

TWG2: EMV-Anforderungen und Grenzwerte

Eine große Herausforderung in der Kommunikation innerhalb des Fahrzeugnetzwerks sind sowohl die elektromagnetische Verträglichkeit als auch dessen Abstrahlung. Ziel dieser Arbeitsgruppe ist es, die EMV-Grenzwerte für den gesamten Kommunikationskanal – also PHY, Stecker, Kabel – für Geschwindigkeiten von zunächst 25 und 50 Gbit/s zu definieren. Dazu werden Testmethoden als auch -aufbauten beschrieben, die eine reproduzierbare Messung und Überprüfung der EMV-Werte erlauben.

TWG3: PHY-System und Komponenten-Integration

Diese Arbeitsgruppe begegnet den gesteigerten und teils neuen Anforderungen an Steuergeräte im Fahrzeug in Bezug auf Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Darunter fallen PCB-Design-Empfehlungen zur Beibehaltung der Signalintegrität über den Kanal hinweg bis auf die Leiterplatte. Ebenso werden Konzepte zur Auslegung der Spannungsversorgung erarbeitet, die Behandlung der Abwärme der Datenkommunikation betrachtet, Schnittstellen zwischen den Ethernet-Komponenten und Prozessoren empfohlen und Diagnosemethoden beschrieben.

TWG4: Protokollkapselung für Ethernet    

Der Transport von sensorspezifischen Protokollen und Datenformaten mittels Ethernet ist das Thema dieser Arbeitsgruppe. Zwar existieren bereits einfache Methoden, um Protokolle über Ethernet zu tunneln. Beispielsweise, wie im IEEE-Standard 1722 beschrieben [3]), diese kapseln jedoch üblicherweise nur die Nutzdaten, sodass etwa ein direkter Transport von CSI-2 über Ethernet zu eDP nicht möglich ist. Eine Auflage der Arbeitsgruppe ist dabei keine Änderungen am Ethernet-Frame-Format zu spezifizieren, zugleich soll aber die Spezifikation so erweiterbar sein, dass künftig durch überschaubare Anpassungen auch neue Protokolle übertragen werden können.

TWG5: Systemsteuerung und -Management

Die letzte der bisher gestarteten Arbeitsgruppen beschäftigt sich mit der übergreifenden Konfiguration der Systeme im Fahrzeugnetzwerk. Dazu sollen Management-Protokolle definiert werden, die es erlauben, fortgeschrittene Diagnosen – auch im Hinblick auf vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) – durchzuführen. Weil automatisierte Fahrzeuge sich in jeder Situation auf eine funk¬tionierende Datenübertragung im Fahrzeugnetzwerk verlassen können müssen, beschreibt die Arbeitsgruppe ebenso Verfahren zur Konfiguration von Redundanzmechanismen kritischer Datenpfade und zur Einhaltung harter Echtzeitanforderungen. Zuletzt beschäftigt sich die Gruppe auch mit dem Management des Teilnetzbetriebs durch selektives An- und Abschalten von Komponenten oder ganzer Steuergeräte über das fahrzeugeigene Datennetzwerk.