Schlafen legen und wecken Umstieg von 100BASE-T1 auf 1000BASE-T1

Durch steigende Anforderungen in den Automotive-Systemen entschieden sich die Automobilhersteller für Ethernet.
Durch steigende Anforderungen in den Automotive-Systemen entschieden sich die Automobilhersteller für Ethernet.

Steigende Anforderungen an den sicheren Betrieb, die Fahrdynamik und den Komfort treiben den Bandbreitenbedarf von Automotive-Systemen und den Kommunikationsaustausch innerhalb automobiler Netzwerken nach oben. Als Reaktion darauf entschieden sich die Automobilhersteller für Ethernet.

Trotz des hohen Wiederverwendungsgrads herkömmlicher Ethernet-Protokolle sind für automobile Kommunikationssysteme neue, automobilspezifische Funktionen erforderlich. 1000BASE-T1-Ethernet im Auto ermöglicht die kostengünstige Realisierung datenintensiver Anwendungen mit hohen Bandbreitenanforderungen innerhalb des Fahrzeugs und zur Außenwelt. Der Umstieg von 100BASE-T1 auf 1000BASE-T1 wird derzeit von der TC10-Gruppe der Open Alliance bewertet. Man darf davon ausgehen, dass die Interoperabilitäts- und Konformitätstests, die für die endgültige Entwurfsvorlage der technischen Spezifikation erforderlich sind, im Laufe des Jahres 2019 abgeschlossen werden.

Im Rahmen der Anstrengungen, den Energieverbrauch von Ethernet zu reduzieren, wurden auch andere Technologien vorgeschlagen, von denen manche automobilspezifisch sind, während andere ursprünglich aus Rechenzentren und der Konsumelektronik stammen.Der ursprüngliche Energy-Efficient-Ethernet-Standard IEEE 802.3az (EEE) aus dem Jahr 2010 zielt darauf ab, den Stromverbrauch auf den Datenleitungen bei geringer Datenaktivität zu senken. Statt während Intervallen von Inaktivität die Transceiver durch eine aktive Übertragung synchron zu halten, wird bei EEE der Transmitter in dieser Zeit deaktiviert. Um die Sychronisierung nicht zu verlieren, übertagen die PHYs in regelmäßigen Intervallen Idle-Symbole.

Dieser Mechanismus birgt jedoch aufgrund des wiederkehrenden Refreshs ein gewisses Maß an Fehlerträchtigkeit. Sollte es nicht gelingen im Rahmen des periodischen Refreshs zu synchronisieren, muss der Link neu trainiert werden. Das dauert bis maximal 100 ms und damit für Automobilanwendungen, die auf ein schnelles Wake-up angewiesen sind, zu lange.

Das EEE adressiert den durchschnittlichen Betriebsfalls, also wenn eine geringe oder asymmetrische Linklast vorherrscht – allerdings nicht den Fall, in dem das Fahrzeug geparkt oder an eine Ladestation angeschlossen ist.
Es fehlt ein Mechanismus zum Wecken eines schlafenden Steuergeräts oder
zur Reduktion der Leistung auf einige wenige µA im Tiefschlaf.

Weniger Verdrahtungskosten dank PoDL

In künftigen supervernetzten Fahrzeugen, in denen Steuergeräte sowohl Strom als auch größere Datenmengen über Leitungen beziehen, spielt die Versorgung der verschiedenen Steuergeräte oder aktiven Baugruppen eine wichtige Rolle. In solchen Anwendungen lassen sich mit Power over Dataline (PoDL) die Verdrahtungskosten reduzieren, indem man auf dedizierte Versorgungsleitungen verzichtet. Natürlich kann dieser Mechanismus auch zum Einsatz kommen, um das angeschlossene Steuergerät aufzuwecken oder schlafen zu schicken. Das bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass sowohl das Aufwecken als auch das Schlafenschicken immer von der Stromversorgung (Power Sourcing Equipment, PSE) gesteuert wird. Auch ein Weck- und Schlafbefehl würde eng mit der Stromversorgung einhergehen, und das kann keine bevorzugte Lösung sein.

Um die Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, musste man nach einer neuen Lösung suchen, weil EEE sowie PoDL diese alleine nicht abdecken konnten. Die TC10-Gruppe hatte sich zum Ziel gesetzt, mithilfe eines flexiblen Weck- und Schlafkonzepts Funktionen für eine höhere Energieeffizienz von Ethernet-Netzen in Automobilen zu entwickeln, um die immer strengeren gesetzlichen Vorschriften zur Verringerung der CO2-Emissionen zu erfüllen. Die Spezifikation definierte kontrolliertes Sleep- und Wake-Handling für elektronische Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) auf der physikalischen Ebene für 100BASE-T1-Netzwerke. Diese Spezifikation ersetzte die bisherige dedizierte Weckleitung im Kabelbaum, mit deren Hilfe die Informationen auf der Datenleitung als aktive Daten signalisiert wurden. Die Spezifikation basiert auf drei grundlegenden Prinzipien:

  • Das Wecken eines passiven Verbindungssegments – wenn eine Verbindung ruht oder keine Verbindung verfügbar ist, sehen andere Knoten im Schlafmodus ein Weckmuster, das über die Leitung übertragen wird, und wachen auf.
  • Wake-up-Forwarding – eine Weiterleitungsanforderung wird über eine aktive Verbindung übertragen und kann so die Lücke in der Topologie schließen.
  • Handshake – eine proaktive Entscheidung von beiden Knoten führt zum Eintritt in den Schlafmodus.

Diese Spezifikation soll die Ethernet-PHY-Schicht in die Lage versetzen, die Anforderungen für ein extrem schnelles Aufwachen zu erfüllen. Wenn Verbindungen wiederhergestellt werden müssen, kann die normale Trainingszeit für die Übertragung der aktiven Ethernet-Daten bis zu 100 ms betragen. Die Anforderungen der Automobilhersteller für ein Wecksignal liegen jedoch bei 2 ms. In einer größeren Topologie, in der mehrere Baugruppen vernetzt sind, werden diese Weckinformationen selektiv übertragen. Das übergeordnete Steuergerät bringt ein Weckereignis mit, das über die gesamte Topologie hinweg übertragen wird, unabhängig davon, ob die Verbindung aktiv ist oder nicht. Würde man dieses Problem aber durch bestehende Mechanismen lösen wollen, so würde das Wecksignal zuerst das untergeordnete Steuergerät zum Wecken, Booten, Dekodieren von Ethernet-Frames und schließlich zur möglichen Weiterleitung des Weckbefehls veranlassen. Die Wartezeit für das Wecken eines gesamten Netzwerkzweigs entspräche in keiner Weise den Anforderungen der Hersteller.

Weniger Verdrahtungskosten dank PoDL

In künftigen supervernetzten Fahrzeugen, in denen Steuergeräte sowohl Strom als auch größere Datenmengen über Leitungen beziehen, spielt die Versorgung der verschiedenen Steuergeräte oder aktiven Baugruppen eine wichtige Rolle. In solchen Anwendungen lassen sich mit Power over Dataline (PoDL) die Verdrahtungskosten reduzieren, indem man auf dedizierte Versorgungsleitungen verzichtet. Natürlich kann dieser Mechanismus auch zum Einsatz kommen, um das angeschlossene Steuergerät aufzuwecken oder schlafen zu schicken. Das bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass sowohl das Aufwecken als auch das Schlafenschicken immer von der Stromversorgung (Power Sourcing Equipment, PSE) gesteuert wird. Auch ein Weck- und Schlafbefehl würde eng mit der Stromversorgung einhergehen, und das kann keine bevorzugte Lösung sein.

Um die Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, musste man nach einer neuen Lösung suchen, weil EEE sowie PoDL diese alleine nicht abdecken konnten. Die TC10-Gruppe hatte sich zum Ziel gesetzt, mithilfe eines flexiblen Weck- und Schlafkonzepts Funktionen für eine höhere Energieeffizienz von Ethernet-Netzen in Automobilen zu entwickeln, um die immer strengeren gesetzlichen Vorschriften zur Verringerung der CO2-Emissionen zu erfüllen. Die Spezifikation definierte kontrolliertes Sleep- und Wake-Handling für elektronische Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) auf der physikalischen Ebene für 100BASE-T1-Netzwerke. Diese Spezifikation ersetzte die bisherige dedizierte Weckleitung im Kabelbaum, mit deren Hilfe die Informationen auf der Datenleitung als aktive Daten signalisiert wurden. Die Spezifikation basiert auf drei grundlegenden Prinzipien:

  • Das Wecken eines passiven Verbindungssegments – wenn eine Verbindung ruht oder keine Verbindung verfügbar ist, sehen andere Knoten im Schlafmodus ein Weckmuster, das über die Leitung übertragen wird, und wachen auf.
  • Wake-up-Forwarding – eine Weiterleitungsanforderung wird über eine aktive Verbindung übertragen und kann so die Lücke in der Topologie schließen.
  • Handshake – eine proaktive Entscheidung von beiden Knoten führt zum Eintritt in den Schlafmodus.

Diese Spezifikation soll die Ethernet-PHY-Schicht in die Lage versetzen, die Anforderungen für ein extrem schnelles Aufwachen zu erfüllen. Wenn Verbindungen wiederhergestellt werden müssen, kann die normale Trainingszeit für die Übertragung der aktiven Ethernet-Daten bis zu 100 ms betragen. Die Anforderungen der Automobilhersteller für ein Wecksignal liegen jedoch bei 2 ms. In einer größeren Topologie, in der mehrere Baugruppen vernetzt sind, werden diese Weckinformationen selektiv übertragen. Das übergeordnete Steuergerät bringt ein Weckereignis mit, das über die gesamte Topologie hinweg übertragen wird, unabhängig davon, ob die Verbindung aktiv ist oder nicht. Würde man dieses Problem aber durch bestehende Mechanismen lösen wollen, so würde das Wecksignal zuerst das untergeordnete Steuergerät zum Wecken, Booten, Dekodieren von Ethernet-Frames und schließlich zur möglichen Weiterleitung des Weckbefehls veranlassen. Die Wartezeit für das Wecken eines gesamten Netzwerkzweigs entspräche in keiner Weise den Anforderungen der Hersteller.