Pretended Networking als Alternative zum konventionellen Teilnetzbetrieb Funktionen statt Steuergeräte abschalten

Der Teilnetzbetrieb gewinnt immer mehr an Bedeutung, weil nicht alle Elektronikfunktionen zu jedem Zeitpunkt notwendig sind. Temporäre Deaktivierung von Funktionen eines Steuergerätes lässt sich mit selektiv weckfähige Bausteinen erzielen.
Der Teilnetzbetrieb gewinnt immer mehr an Bedeutung, weil nicht alle Elektronikfunktionen zu jedem Zeitpunkt notwendig sind. Die temporäre Deaktivierung von Funktionen eines Steuergerätes lässt sich beispielsweise mit selektiv weckfähige Bausteinen erzielen.

Die Einführung von Teilnetzbetrieb in komplexen Netzwerkstrukturen beruht auf der Annahme, dass nicht alle implementierten Elektronikfunktionen permanent benötigt werden. In diesem Beitrag wird eine Methode zur temporären Deaktivierung von Funktionen eines Steuergerätes vorgestellt, die transparent in bestehende Netzwerke integriert werden kann. Dieses Verfahren wird Pretended Networking genannt. Das Steuergerät wechselt dabei autonom und mit sehr geringer Verzögerung zwischen Normal- und Stromsparmodus. Dieser Wechsel erfolgt aus Sicht des Netzwerkes ohne Änderung des Kommunikationsverhaltens (pretended: scheinbar, vorgetäuscht).

Die bisher verwendeten Bussysteme erlauben keine partielle Knotenabschaltung bei laufender Kommunikation. Um energieeffiziente E/E-Netzwerke zu ermöglichen, wird aber von den Fahrzeugherstellern die Möglichkeit des selektiven Einschaltens von schlafenden Busteilnehmern bei aktiver Buskommunikation gefordert. Ein globales Wecken, also ein gleichzeitiges Aufwecken aller Busteilnehmer, reicht nicht aus. Die meisten Netzwerkknoten im Fahrzeug sind CAN-Knoten, deshalb sind hier die größten Einsparungen im Stromverbrauch zu erwarten.
Teilnetzbetrieb wird seit ca. 2008 in der deutschen Automobilindustrie diskutiert. Bei aktiver Kommunikation im Netzwerk sollen einzelne Steuergeräte unabhängig voneinander in den Schlafzustand versetzt (Selective Sleep) und mittels vordefinierter Weckbotschaften (CAN Frames) wieder aufgeweckt werden können (Selective Wake). Teilnetzbetrieb kann sowohl während des Fahrbetriebs (inkl. Start/Stopp-Betrieb) als auch bei einem geparkten Fahrzeug genutzt werden. In modernen Fahrzeugen sind weitere Betriebsmodi entstanden, in denen Steuergeräte zeitweise deaktiviert werden müssen, um Strom zu sparen. Beispielhaft seien hier ein vollständig oder teilweise batteriebetriebenes Fahrzeug an einer Ladestation oder aber die Nutzung von Telefon, Internet oder Multimedia in einem parkenden Auto genannt.
Die Definition eines selektiv weckfähigen CAN-Transceivers wurde auf Initiative der deutschen Fahrzeughersteller im Arbeitskreis SWITCH (Selective Wake-up Interoperable Trans­ceivers for CAN High-Speed Networks) vorangetrieben. Darauf basierend wurde eine Erweiterung des CAN-Standards ISO 11898 vorgeschlagen und als Entwurf ISO 11898-6 eingereicht. Ein solcher selektiv weckfähiger Transceiver überwacht selbstständig die CAN-Botschaften auf dem Bus und wartet auf eine Weckbotschaft, um das Steuergerät zurück in den Normalzustand zu versetzen. Der Mikrocontroller soll im Selective Wake Mode ausgeschaltet sein.
Das vereinfachte Zustandsdiagramm in Bild 1 zeigt die entsprechenden Mode-Übergänge im System Basis Chip (SBC) TLE9267 von Infineon. Die Abkürzung WUF steht dabei für Wake-up Frame, eine vordefinierte CAN-Botschaft, die zum Wecken eines inaktiven Steuergerätes bei aktivem Bus führt. Ein im Trans­ceiver implementierter CAN-Protokoll-Handler im Zusammenspiel mit einer integrierten Taktversorgung sorgen für die Erkennung der CAN Frames; die „Frame Compare Logic“ vergleicht diese mit vordefinierten Weckbotschaften. Eine Weckfunktion bei inaktivem Bus ist dagegen bereits in heutigen CAN-Transceivern nach ISO 11898-5 implementiert. Um die Störfestigkeit zu verbessern und fehlerhaftes Wecken durch Spikes auf dem Bus zu minimieren, wurde dafür in der ISO 11898-6 eine Folge von dominanten Pegeln definiert, das Wake-up Pattern (WUP).
Befindet sich ein Netzwerk im Teilnetzbetrieb, d.h. ein oder mehrere Knoten sind bei aktiver Buskommunikation abgeschaltet, hat das Auswirkungen auf die in den Steuergeräten implementierte Software. Benötigt ein Steuergerät im Fahrbetrieb Informationen von einem anderen, das sich im Teilnetzmodus befindet, muss dieses erst aufgeweckt werden. Für den Fahrzeughersteller stellt deshalb die Einführung von selektiv abschaltbaren Steuergeräten eine große Herausforderung dar. Um Netzwerkfehler durch abgeschaltete Steuergeräte zu vermeiden, müssen Kommunikations- und Fehler-Management des gesamten Netzwerks entsprechend angepasst werden.
In AUTOSAR wird aktuell an einem Konzept gearbeitet, das diese Hardware-Implementierung unterstützt. Dieses Konzept mit dem Namen Partial Networking beruht auf dem Prinzip der partiellen Netzabschaltung, d.h. es werden Teilnetze (Cluster) statt einzelner Netzwerkknoten abgeschaltet. So wird erreicht, dass die Anzahl der unterschiedlichen Fahrzeugzustände nicht zu stark ansteigt und damit in der Entwicklungsphase eines neuen Fahrzeuges mit vertretbarem Aufwand verifizierbar bleibt. Eine Umsetzung in weiteren Bussystemen (LIN, FlexRay, Ethernet) wird angestrebt.

Bilder: 3

Funktionen statt Steuergeräte abschalten

Pretended Networking als Alternative zum konventionellen Teilnetzbetrieb.