Netzwerktechnologie Leistungsfähigere und -kostengünstigere Fahrzeugnetzwerke dank Ethernet

Fahrzeugnetzwerke dank Ethernet
Fahrzeugnetzwerke dank Ethernet

Die Konsumentennachfrage nach anspruchsvollen Infotainment-Systemen im Auto steigt, hierzu zählen Navigation, Medienwiedergabe, aber auch Zugang zum Internet. Zunächst nur in Fahrzeugen der Oberklasse angeboten, entwickeln sich diese Anwendungen schnell zu Differenzierungsmerkmalen auch in den unteren Fahrzeugklassen. Darüber hinaus gehören moderne Fahrerassistenzsysteme zu den Anwendungen mit den höchsten Wachstumsraten im Automotive-Markt. Es ist wohl kein Schock für die Branche, dass sich Ethernet als bevorzugte Netzwerktechnologie für diese neue Generation der Kraftfahrzeugnetzwerke herauskristallisiert.

Infolge entsprechender Gesetzgebungsverfahren und einem Bedarf nach erhöhter Sicherheit im Fahrzeug werden Kamera-Sensornetzwerke immer alltäglicher. Es wird erwartet, dass die Umsätze mit kamerabasierten Modulen im Jahr 2017 auf insgesamt 34 Mio. Euro steigen werden, während sie 2010 noch bei 6,1 Mio. Euro lagen (laut IMS Research). Dieser Trend beruht teilweise auf einer Entscheidung der amerikanischen Verkehrssicherheitsbehörde NHTSA, laut der jedes ab 2014 in den USA verkaufte Fahrzeug mit mindestens einer Rückfahrkamera bzw. einem entsprechenden Sensor ausgestattet sein muss.

Entscheidungen dieser Art werden die Nachfrage der Automotive-Hersteller nach hochentwickelten Multi-Kamera-Systemen als Differenzierungsmerkmale für deren Modelle der Mittelklasse und gehobenen Mittelklasse steigern (Bild 1).

 

Ethernet hat sich bereits jetzt als De-facto-Netzwerk- busstandard in allen anderen Märkten etabliert, da es eine hohe Datenübertragungsrate und eine offene Standardisierung bietet. Dies hatte viele Vorteile, unter anderem interoperable Multi-Supplier-Lösungen, durch die deutliche Kostensenkungen erzielt werden können.

Auch in der Automotive-Branche ist Ethernet mittlerweile als bevorzugte Schnittstelle für On-Board-Diagnosesysteme (OBD) akzeptiert und wird seit 2008 in verschiedenen Fahrzeugmodellen eingesetzt.

Dieser Trend wird weiteren Auftrieb erhalten durch die Einführung einer standardisierten IP-Diagnoseschnittstelle, die in der Norm ISO 13400 spe-zifiziert wird und Ethernet als Bit-Übertragungsschicht nutzt. Download-Zeiten sinken damit von Stunden auf Minuten dank der erhöhten Geschwindigkeit des 100-Mbit/s-Ethernet (oder Gigabit-Ethernet) und der Vollduplex-Übertragung, die das Netzwerk bietet. Darüber hinaus werden die Kosten gesenkt, indem das Fahrzeug direkt und nahtlos an ein Service-Center-Netzwerk oder einen Laptop angeschlossen werden kann.

Ethernet für Multi-Kamera-Netzwerke

Der Trend zum Ethernet im Auto erhält weiteren Auftrieb durch neue Infotainment- und Fahrassistenzsysteme. Die Systemkosten werden signifikant reduziert, wenn eine Ethernet-Verbindung für die Multi-Kamera-Sensornetzwerke im Fahrzeug verwendet wird. Diese Tatsache findet Ausdruck in der Norm ISO 17215, „Video Communication Interface for Cameras“, welche die Ethernet-Verbindung für Fahrzeugkameras und -sensoren definiert.Micrel hat bereits 2008 die ersten AEC-Q-100-qualifizierten Ethernet-Bausteine vorgestellt und damit den Weg für ein Portfolio bereitet, das mittlerweile neun verschiedene Bausteine umfasst, von Single-Port-PHYs und MAC/PHY-Controllern bis hin zu Multi-Port-Switch-Lösungen.

Auch Fahrzeug-Infotainment-Netzwerke werden derzeit durch verschiedene, in Eigenentwicklung entstandene Lösungen implementiert, was zu hohen Gesamtkosten führt. In der Branche besteht ein gemeinsamer Trend zur Verwendung standardisierter, bewährter, offener Netzwerklösungen, um die Kosten deutlich zu senken. Automobilhersteller können zielgerichtet in echte Produkt-Differenzierungsmerkmale statt in homogene Standard-Infotainment-Ausstattungen investieren. Eine verbreitete Infotainment-Netzwerktechnologie ist MOST; jedoch wird MOST oft vorgeworfen, dass es Kostenanforderungen der Automobilhersteller nicht erfüllt, wie der Hansen-Report vom November 2008 ausführt: „Zulieferer und Automobilhersteller sind der Ansicht, dass ein erweiterter Zugang zur proprietären MOST-Technologie von SMSC die Kosten von MOST senken und die Marktakzeptanz erhöhen würde. Ethernet wird von manchen als eine mögliche Alternative gesehen.”

Ethernet bietet gegenüber der MOST-Technologie eine Fülle von Vorteilen, darunter eine höhere Datenübertragungsrate und eine flexible Topologie, aber vor allem niedrigere Kosten aufgrund der weiten Verbreitung in einer Vielzahl von Märkten.

Damit Ethernet die notwendige Service-Qualität (QoS) für Echtzeit-Anwendungen bieten kann, müssen die aktuellen Spezifikationen für IEEE-Audio/Video-Bridging (AVB) berücksichtigt werden, um das gewünschte deterministische Verhalten zu gewährleisten. Das AVB-System basiert auf drei Spezifikationen:

  • IEEE 802.1as Zeit-Synchronisation
  • IEEE 802.1Qat Datenfluss-Reservierung
  • IEEE 802.1Qav Warteschlangen & Weiterleitung für AVB

Zeitsynchronisation ist entscheidend für die Gewährleistung von Audio- und Video-Wiedergabe in hoher Qualität innerhalb eines Ethernet-Netzwerks. IEEE 802.1as nutzt spezifische PTP-Pakete (Precise Time Protocol), um eine netzwerkweite Synchronisation mit einer gemeinsamen Systemuhr zu erzeugen. Knoten im Netzwerk, die als Time-Aware-Bridges bekannt sind, extrahieren Zeitinformationen aus dem Netzwerk, basierend auf dem Austausch von PTP-Synchronisationsnachrichten mit der Master-Uhr und den Nachbarn.

Micrel hat kürzlich die hochintegrierten Ethernet-Bausteine der neuen EtherSync-Familie vorgestellt, die sowohl IEEE-1588v2- als auch IEEE-802.1as-Zeitsynchronisations-Protokolle unterstützen. Eine Zeitgenauigkeit in der Größenordnung von unter 100 ns lässt sich bequem erreichen und ist leistungsstärker als die auf IEEE basierenden Standards (1 µs), so dass eine Eignung für Steuerungsanwendungen und für A/V-Streaming gegeben ist. Die Familie der PTP-Bausteine wird in Form eines 3-Port-Switches mit MII oder RMII, 2-Port- und Single-Port-Controller mit 8/16-bit-Host-Prozessor-Schnittstelle angeboten. Alle Bausteine verfügen über integrierte Ultraniedrigleistungs-PHY-Transceiver und zeitgenaue GPIO in einem kompakten, 10 mm × 10 mm großen 64-Pin-LQFP-Gehäuse.

Die IEEE-802.1Qat-Datenfluss-Reservierung ermöglicht, dass die Netzwerk-Datenrate und Puffer-Ressourcen für spezifische Verkehrssysteme mit SRP (Stream Reservation Protokoll) reserviert werden. IEEE-802.1Qav-Warteschlangen und -Weiterleitungs-Methoden (Queuing & Forwarding) basieren auf Trennung des Verkehrs in isochrone (zeitkritische) und asynchrone (nicht-zeitkritische) Pakete und eine Priorisierung, die die in der Norm EEE 802.1p definierte Prioritätsklasse verwendet. Ausgangs-Port-Puffer werden dann in zwei oder mehrere Warteschlangen getrennt, die jeweils einer bestimmten Prioritätsklasse zugeordnet werden. Isochronen Paketen wird die höchste Priorität zugeteilt, während asynchrone Pakete die niedrigste Priorität erhalten. Es wird ein guthabenbasierter Traffic Shaper definiert, um die stoßweise Charakteristik der Video-daten zu glätten.