Ethernet-Verbindung bis zu den SDV-Endpunkten Automotive Ethernet als einheitliches SDV-Netzwerk

Software-definierte Fahrzeuge sind auf deterministische Kommunikation mit hoher Bandbreite angewiesen, um ADAS, zentralisierte Rechenarchitekturen und Over-the-Air-Updates zu unterstützen. In zonenbasierten SDV-Architekturen dient dafür Automotive Ethernet als zentrale Netzwerkverbindung.

Auch heute noch basieren Kameras mit hohen Datenraten (Bild 1) auf proprietären Punkt-zu-Punkt-Serialisierungsverbindungen, die auf Low-Voltage-Differential-Signaling-Technologien (LVDS) wie Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) oder Flat Panel Display Link (FPD-Link) beruhen. Diese Verbindungen enden direkt an System-on-Chip-Bauteilen (SoCs) und arbeiten außerhalb der Ethernet-Infrastruktur. Dadurch sind die gemeinsame Nutzung von Streams, Pfadredundanz sowie eine dynamische Bandbreitenzuweisung für hochwertige Perzeptionsdaten deutlich eingeschränkt.

Die Erweiterung von Ethernet bis zur Sensorebene beseitigt diese Einschränkungen und ermöglicht ein einheitliches, programmierbares SDV-Netzwerk von der Kamera bis zur zentralen Recheneinheit.

Konvertieren der visuellen Daten am Ethernet-Edge

Wie in Bild 2 dargestellt, schließt die Einführung von MultiGig-fähigen Single-Pair Ethernet PHYs für den Automotive-Bereich mit Datenraten von 2,5, 5 und 10 Gbit/s die Bandbreitenlücke, die Kameras bislang auf proprietäre Serialisierungsverbindungen beschränkt hat. Bei diesen Datenraten ermöglicht Ethernet die effiziente Übertragung hochauflösender Videodaten mit geringer Latenz direkt vom Sensor.

Eine Ethernet-Kamera-Bridge wandelt die Sensordaten bereits an der Quelle in standardisierte Ethernet-Frames um. Der Standard IEEE 1722 definiert das Audio Video Transport Protocol (AVTP), das zeitkritische Medienströme auf Schicht 2 kapselt. Die Bridge fungiert als AVTP-Talker und segmentiert jedes Video-Frame in Protokolldateneinheiten, die mit Stream-Identifikationen und Sequenznummern versehen sind. Nachgelagerte Prozessoren fungieren als Listener und rekonstruieren die Frames deterministisch.

Jedes Paket enthält einen Präsentationszeitstempel, der über das Generalized Precision Time Protocol (gPTP) gemäß IEEE 802.1AS synchronisiert wird. Dieser Mechanismus sorgt für eine präzise zeitliche Synchronisation mit Radar-, Lidar- und Inertialsensoren. Dabei ist eine exakte zeitliche Korrelation zwischen den Sensoren entscheidend für Sensorfusion und Trajektorienvorhersage.

Deterministischer Transport und Resilienz über Ethernet

Sobald Videostreams als Ethernet-Datenverkehr gekapselt sind, werden sie innerhalb deterministischer Netzwerke übertragen. Mechanismen des Time-Sensitive Networking (TSN), insbesondere Traffic Shaping und zeitsensitive Planung, ermöglichen Bandbreitengarantien über alle Datenklassen (= traffic classes) hinweg. Die Priorisierung mittels Virtual Local Area Networks (VLANs) sorgt zudem für eine vorhersagbare Datenübertragung auch unter hoher Netzauslastung.

Im Gegensatz zu Punkt-zu-Punkt-Serialisierungsverbindungen ermöglicht Ethernet-Switching die Multicast-Übertragung eines einzelnen Videostreams an mehrere Rechenknoten, ohne dass die Quelle dupliziert werden muss. Fahrerassistenzsysteme, Infotainment-Prozessoren und Datenlogger-Subsysteme können den Stream gleichzeitig abonnieren. Kameras mit nativem Ethernet-Ausgang können an zentrale Switches oder an Zonen-Switches über kurze Kabel angebunden werden. In dieser Architektur ist die Stream-Verteilung ein konfigurierbarer Netzwerkparameter und keine feste physikalische Verbindung.

Redundanzmechanismen erhöhen die Ausfallsicherheit zusätzlich. Der Standard IEEE 802.1CB unterstützt die redundante Übertragung von Frames über verschiedene Pfade hinweg mit anschließender Eliminierung von Duplikaten. Fällt eine Verbindung oder ein Switch-Segment aus, rekonstruiert der empfangende Knoten den Stream ohne Unterbrechung. Dadurch lassen sich funktionale Sicherheitsziele ohne parallele proprietäre Verkabelungen erreichen.

Programmierbarkeit, Steuerung und Ökosystem-Integration

Die Steuerung und Konfiguration von Ethernet-Kamera-Streams erfolgt über IEEE 1722.1. Prozessoren erkennen Kamera-Bridges, stellen Stream-Verbindungen her und senden Befehle wie Belichtungs- oder Betriebsmodusänderungen. General-Purpose-Input/Output-Ereignisse (GPIO) können mit Zeitstempeln der Netzwerkuhr versehen werden, was eine synchronisierte Triggerung über mehrere Sensoren hinweg ermöglicht.

Diese Architektur transformiert Kameras in programmierbare Netzwerkendpunkte. Die Software kann Streams neu zuweisen, zusätzliche Abonnenten hinzufügen und Bandbreitenreservierungen anpassen, ohne dass eine Neuverkabelung erforderlich ist. Eine Kamera wird hinzugefügt, indem Bandbreite innerhalb der Switch-Fabric bereitgestellt wird, anstatt die Serialisierungsketten neu zu entwerfen. Mit der Weiterentwicklung der Funktionen kann das Netzwerk neuen Sensordatenverkehr aufnehmen, ohne dass strukturelle Änderungen erforderlich sind.

Weil die Kameras innerhalb des Ethernet-Frameworks betrieben werden, nutzen sie standardisierte Mechanismen für Sicherheit, Überwachung und Stromversorgung. IEEE 802.1AE MACsec sichert Daten während der Übertragung. OAM-Funktionen (Operations, Administration and Maintenance) sorgen für Transparenz auf Verbindungsebene und Power over Data Line (PoDL) oder Power over Coax (PoC) versorgen die Endknoten mit Energie. Etablierte Programme für Ethernet-Konformitätsprüfungen, die Überprüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und die herstellergeprüfte Interoperabilität reduzieren zudem die Abhängigkeit von proprietären Validierungsprozessen.

Durchgängiges Ethernet mit nativem High-Speed-Ethernet in SoCs

SoCs für die Automobilindustrie integrieren zunehmend native Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Schnittstellen, die mit 10 Gbit/s betrieben werden und auf bis zu 25 Gbit/s skalierbar sind. Dadurch wird eine durchgängige Ethernet-Konnektivität innerhalb des Fahrzeugnetzwerks ermöglicht. Diese Schnittstellen verringern die Abhängigkeit von externen Deserialisierern und reduzieren zugleich die Anzahl der erforderlichen Schnittstellen-Pins auf dem SoC.

Integrierte Hardware-Engines entpacken IEEE-1722-Streams und übertragen Videos über Direct Memory Access (DMA) direkt an Prozessoren zur Bildverarbeitung oder Grafikbeschleuniger. Die Auslagerung dieser Funktionen der CPU, senkt die Latenz und stellt Rechenressourcen für Wahrnehmungsalgorithmen bereit.

High-Speed-Ethernet-Anschlüsse bündeln die Bandbreite auf weniger Kanäle als parallele Kameraschnittstellen wie das Mobile Industry Processor Interface Camera Serial Interface-2 (MIPI CSI-2). Eine einzelne 25-Gbit/s-Ethernet-Schnittstelle kann mehrere Kamera- oder Radar-Streams bündeln, wodurch die Pin-Anzahl reduziert, das Package-Routing vereinfacht und die Komplexität der Leiterplatte (PCB) verringert werden.

Weil Ethernet Switching‑ und Multicast‑Funktionen unterstützt, kann ein einzelner Ethernet-Switch einen Kamerastream an mehrere SoCs verteilen. Das Hinzufügen oder Umverteilen von Streams erfolgt dabei über eine Software-Konfiguration innerhalb der Netzwerk-Fabric anstatt über eine Neukonfiguration der Hardware. Der SoC fungiert damit als zeitlich synchronisierter Knoten mit hohem Durchsatz innerhalb einer skalierbaren Kommunikationsinfrastruktur.

Optimierung von Kameraverbindungen mit asymmetrischen PHYs nach IEEE 802.3dm

Obwohl die in IEEE 802.3ch definierten symmetrischen MultiGig PHYs eine Datenübertragung mit hoher Bandbreite ermöglichen, ist der Kameradatenverkehr grundsätzlich asymmetrisch. Der Videostream verläuft überwiegend vom Sensor zum Prozessor, während der Datenverkehr in Gegenrichtung hauptsächlich aus Steuer- und Statusinformationen besteht.

IEEE 802.3dm adressiert dieses Ungleichgewicht, indem es asymmetrische Single-Pair Ethernet PHYs für Automotive-Anwendungen definiert, die hohe Downstream-Datenraten für unkomprimierte Videos bereitstellen und gleichzeitig eine geringe Upstream-Bandbreite für Steuerdaten unterstützen. Die Entwurfsziele spezifizieren Downstream-Raten von 2,5, 5 und 10 Gbit/s sowie Upstream-Raten von etwa 100 Mbit/s.

Durch die Anpassung der Verbindungskapazität an die tatsächlichen Datenverkehrsmuster lassen sich die Chipfläche reduzieren, der Energiebedarf senken und thermische Anforderungen in kompakten Kameramodulen entschärfen. Kleinere PHY-Implementierungen ermöglichen eine effizientere Sensorintegration bei gleichbleibend deterministischen Übertragungseigenschaften.

IEEE 802.3dm baut auf bestehenden Automotive-Ethernet-Frameworks auf und bewahrt die Layer-2-Kompatibilität mit TSN. Der Standard zielt auf Leitungslängen von etwa 15 Metern ab und unterstützt sowohl abgeschirmte Twisted-Pair- als auch Koaxialmedien. Optionale Funktionen wie PoDL und PoC bleiben auch für Edge-Geräte verfügbar.

Von isolierten Verbindungen zu einem programmierbaren Fahrzeugnetzwerk

Der Ersatz proprietärer Serialisierungsketten durch eine einheitliche Ethernet-Fabric ermöglicht einen deterministischen Transport, eine präzise Synchronisation, konfigurierbare Redundanz und standardisierte Kontrolle entlang des gesamten Kommunikationspfads. Die native Integration von Hochgeschwindigkeits-Ethernet in SoCs verbessert in Verbindung mit neuen asymmetrischen PHY-Spezifikationen die Effizienz sowohl auf architektonischer als auch auf physikalischer Ebene. Diese Entwicklungen unterstützen skalierbare Bandbreiten, Software-gesteuerte Rekonfiguration und eine anpassungsfähige Lebenszyklusverwaltung über die gesamte Fahrzeugplattform hinweg. Weil SDV-Architekturen die Rechenleistung in zonalen und zentralen Domänen konsolidieren, werden Funktionen der Umfelderkennung zunehmend durch Software-Updates verlagert oder angepasst, anstatt die Hardware neu zu entwickeln. Eine Standard-basierende Ethernet-Fabric ermöglicht es, Videostreams durch Konfigurationsänderungen innerhalb der Netzwerkinfrastruktur neu zuzuweisen, zu duplizieren, zu priorisieren und zu sichern. Diese Flexibilität verringert strukturelle Abhängigkeiten zwischen Sensoren und Prozessoren und unterstützt eine langfristige Weiterentwicklung der Funktionen. Anstatt Wahrnehmungsdaten an feste Serialisierungsketten zu binden, fungiert das Ethernet als programmierbare Kommunikationsinfrastruktur, die neue Algorithmen, aktualisierte Sicherheitsanforderungen und steigende Datenraten flexibel unterstützt. (se)

* Amir Bar-Nivi ist VP Automotive Ethernet Strategic Marketing, Infineon Technologies

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