Echtzeit-Ethernet ersetzt gängige Bussysteme #####

Die Forschung der BMW Group setzt auf ein Standard-IP, das auf die Automotive-Anforderungen angepasst wurde, um das heute vorhandene komplexe Fahrzeugnetzwerk drastisch zu vereinfachen...

Die Forschung der BMW Group setzt auf ein Standard-IP, das auf die Automotive-Anforderungen angepasst wurde, um das heute vorhandene komplexe Fahrzeugnetzwerk drastisch zu vereinfachen. Gleichzeitig macht dieses auf dem Internet-Protokoll (IP) basierende Bordnetz die Infrastruktur deutlich flexibler und gibt dem Kunden die Möglichkeit, neue elektronische Endgeräte per Plug & Play im Fahrzeug zu nutzen. Ein Weltstandard wird somit „automotivfähig“.

Das Autoradio bildete die Krönung der Fahrzeugelektronik in einem Auto bis zur Mitte der 70er Jahre. Heute werden bis zu 70 Steuergeräte in Premium-Fahrzeugen der Oberklasse verbaut. Das heißt: Ein modernes Fahrzeug hat mehrere hundert elektrische und elektronische Funktionen und bis zu 115 Mbyte Programmcode und Daten an Bord – und das ohne die Daten der Navigations-DVD. Um die Datenmenge der Elektronik im Fahrzeug zu transportieren, arbeiten in einem aktuellen Fahrzeug mehrere unterschiedliche Bussysteme wie z.B. CAN, LIN, MOST und FlexRay nebeneinander und über Gateways zusammen. Alle erfüllen die Anforderungen ihres jeweiligen Einsatzgebietes optimal, aber alle diese Bussysteme sprechen ihre eigene automobile Sprache, die – um im Bild zu bleiben – immer übersetzt werden muss, wenn Informationen von verschiedenen Systemen genutzt werden sollen.

Die BMW Group Forschung und Technik denkt schon einen Schritt weiter und forscht an einer einheitlichen Standardsprache für das Netzwerk „Automobil“. Basis für diese Technologie ist das Internet-Protokoll (IP). Im Fahrzeug kann diese weltweit einheitliche Sprache zum Beispiel sehr gut über ein Breitbandnetzwerk wie etwa das Ethernet übertragen werden. Durch das Internet-Protokoll wird das Fahrzeug zu einem Teilnehmer im World Wide Web. In einem Demonstrationsmodell wurde die Machbarkeit eindrucksvoll nachgewiesen. „Mit Hilfe des Internet-Protokolls wird“, so Richard Bogenberger (Bild 1) von der BMW Forschung und Technik GmbH, „das Fahrzeug ein integrativer Bestandteil des Gesamtnetzwerks, und der Komfort der Insassen kann weiter erhöht werden.“ Das neuartige, auf IP basierende Fahrzeugbordnetz macht die Infrastruktur in einem Fahrzeug flexibler. In Zukunft kann die Werkstatt leichter neue Steuergeräte inklusive neuer Funktionen integrieren oder der Kunde per Plug & Play seine neuen elektronischen Endgeräte im Fahrzeug nutzen und bedienen.

Nicht alle Anwendungen müssten fest im Fahrzeug verbaut werden, da das IP-Bordnetz die Brücke zum weltumspannenden Internet schlägt. Dann ist es beispielsweise – wie in einem Prototyp bereits erlebbar – einfach möglich, dass ganze MP3-Kollektionen im Fahrzeug bequem über das Internet angehört werden können oder Videos direkt im Fahrzeug aus dem Internet geladen und zur Unterhaltung auf den Rücksitzen abgespielt werden können. Auch Einblicke in das Bordnetz und in die Steuergeräte des Fahrzeugs sind für die Insassen und den Service viel einfacher.

Mit dem Bordnetz der Zukunft wird das Fahrzeug unabhängig von den kurzen Entwicklungszyklen der Entertainment-Industrie, da auch die jeweils neuesten Entwicklungen (Blue Ray, HDTV, IPTV, IP Radio usw.) einfach per Plug & Play genutzt werden können und keine Schnittstellen mit spezieller Infrastruktur mehr benötigen. Im Bereich der Fahrerassistenzsysteme bietet diese neuartige Bordnetz-Technik völlig neue Möglichkeiten, insbesondere für komplexe Systeme, die auf verschiedene Informationen von Sensoren, Kameras usw. zugreifen und per Sensorfusion zur Verfügung stehen. Für viele zukünftige Fahrerassistenzsysteme wie z.B. Kreuzungsassistenten oder Gefahrenmeldungen ist die IP-Übertragung hilfreich. Das gilt auch für zahlreiche IT-Applikationen, die nach und nach ins Fahrzeug kommen.

Beispiele dafür sind Software-Update, Fernprogrammierung, Internet-Radio, Car-2-Infrastruktur, Car-2-Car-Kommunikation. In etwas fernerer Zukunft könnte ein solches Hochleistungs-Bordnetz aus einem Computercluster bestehen, bei dem der Datentransfer über Ethernet-Switches zwischen fünf Domänen-Servern für das Fahrwerk, den Antrieb, das Infotainment, den Komfort und die Fahrerassistenz erfolgt. Und schließlich könnte das Fahrzeug stets online und ein Bestandteil des Netzes sein. Ein weiterer Vorteil eines IP-Netzwerkes besteht darin, dass einerseits eine gewisse Skalierbarkeit in Form von Standard-, Low-Cost- sowie Echtzeit-Ethernet gegeben ist, andererseits als Übertragungsmedium sowohl Kupfer- als auch Lichtleiterkabel verwendet werden kann. Außerdem lässt sich auch eine drahtlose Übertragung ohne Schwierigkeiten einbinden, wie beispielsweise Wireless LAN, Bluetooth, Ultra Wideband (UWB) oder WiMAX.

Für den Aufbau des Demonstrators (Bild 2) wie auch für die Umsetzung in einem realen Fahrzeug wurde von den BMW-Forschern ein Standard-Ethernet-Protokoll verwendet, das u.a. mit einem Priorisierungsmechanismus arbeitet, der für die notwendige Übertragungsqualität (QoS) sorgt und somit auch sicherheitskritische und echtzeitfähige Anwendungen erlaubt.

Auch die Flugzeugindustrie setzt in ihrer Bordnetzkommunikation auf IP und Ethernet unter der Bezeichnung AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet). AFDX hat sich dort bereits bewährt und wird beispielsweise im Airbus A 380 ebenfalls für sicherheitskritische Anwendungen eingesetzt. Boeing greift unter dem Namen CDN (Common Data Network) auf ein sehr ähnliches Verfahren zurück. (Günther Klasche)

AFDX in Kürze

Die Basis von AFDX ist der ARINC-Standard 664/Teil 7, der ein Ethernet-Computernetzwerk und das dazugehörige Protokoll zur Kommunikation zwischen Flugzeugsystemen beschreibt (IEEE 802.3). Allerdings verfügt das AFDX-Protokoll über eine zusätzliche Bandbreitenkontrolle (QoS) sowie über eine deterministische Wegeführung. Es ist zudem gegenüber dem unidirektionalen Vorgänger-Standard ARINC 429, der mit Nachrichten-Paketen von 32 bit Länge und Datenraten bis 100 kbit/s arbeitet, etwa 1000-mal schneller. Bezüglich seiner Architektur ist dieser vergleichbar mit dem Datenbus MIL-STD 1553, der ebenfalls in Avionik-Systemen eingesetzt worden ist und bei 20-bit-Datenpaketen eine Datenrate von max. 1 Mbit/s aufweist.