Fahrzeugvernetzung Ethernet beschleunigt den Umstieg auf Software-Defined Vehicles

Zonenarchitekturen und Ethernet prägen die Zukunft der Vernetzung in Fahrzeugen. Vor dem Hintergrund, dass neue Fahrzeug-Features, wie etwa das Bündeln von Sensoren und Aktoren in Zonen-Steuergeräten, auf ein breitbandiges und latenzarmes Bord-Kommunikationsnetzwerk angewiesen sind, ermöglicht eine Ethernet-basierte Zonenarchitektur die Umsetzung des zunehmenden Trends zu Software-definierten Fahrzeugen.

Bei den meisten heutigen Fahrzeugen sind die Verkabelung und die elektronischen Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) in einer Domänenarchitektur strukturiert. Dabei werden die ECUs abhängig von ihren jeweiligen Funktionen gruppiert – ohne Rücksicht darauf, wo sie im Fahrzeug verbaut sind.

Anders als bei einer Domänenarchitektur werden die Kommunikation, die Stromverteilung und die Steuerung der einzelnen Verbraucher bei einer Zonenarchitektur nicht anhand ihrer Funktion, sondern abhängig von ihrer Anordnung im Fahrzeug organisiert (siehe Bild 1). Ein Zonen-Steuerungsmodul fungiert dabei als eine Netzwerk-Datenbrücke zwischen dem Rechnersystem des Gesamtfahrzeugs und jeweils vor Ort platzierten Edge-Knoten, zu denen beispielsweise smarte Sensoren und ECUs gehören. Um den Verkabelungsaufwand im Fahrzeug zu reduzieren, übernimmt ein Zonen-Steuerungsmodul nicht nur das Verteilen der Stromversorgung an die einzelnen Edge-Knoten (indem es mit Halbleitern smarte Sicherungen implementiert), sondern erledigt auch elementare Rechenfunktionen und steuert lokale Verbraucher wie etwa Motoren und Beleuchtungselemente.

Zonen-Steuerungsmodule nehmen die Daten der verschiedenen Sensoren und ECUs über ein Edge-Knoten-Kommunikationsnetzwerk entgegen und leiten die gesammelten Sensordaten über ein Backbone-Kommunikationsnetzwerk an das zentrale Rechnersystem weiter. Umgekehrt leiten die Zonen-Steuerungsmodule Daten, die sie vom zentralen Rechnersystem erhalten, an die verschiedenen Aktoren weiter. Das geschieht ebenfalls über das Backbone-Netz und das Edge-Knoten-Kommunikationsnetzwerk. Die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Zentralcomputer und den Zonen-Steuerungsmodulen verlangt nach einem breitbandigen, latenzarmen Kommunikations-Backbone, um die großen Datenmengen bewältigen zu können, die von Funktionen wie etwa mehreren ADAS-Sensoren, Bewegungssteuerungen im Fahrzeug und adaptiven Fahrlichtsystemen generiert werden.

Wie viel Bandbreite benötigen Zonenarchitekturen?

Um den Nutzen von Ethernet-Netzwerken in Fahrzeugen verstehen zu können, soll nachfolgend nach den einzelnen Anwendungen aufgeschlüsselt werden. Das erst kürzlich definierte Single-Pair-Ethernet unterstützt einen Bandbreitenbedarf zwischen 10 Mbit/s und 10 Gbit/s gemäß den IEEE-Normen 802.3cg (10 Mbit/s), 802.3bw (100 Mbit/s), 802.bu (1 GBbt/s) und 802.3ch (10 Gbit/s). Alle diese neuen Ethernet-Technologien basieren auf einem Single-Pair-Kabel und unterstützen Übertragungsdistanzen bis zu 15 m, was selbst für die längsten Verbindungen in einem Fahrzeug ausreicht. Des Weiteren ermöglicht Ethernet die Zeitsynchronisation von Sensordaten durch Timestamping per IEEE 802.1AS, um eine geringe Latenz zu erreichen.

Ethernet ermöglicht äußerst hohe Übertragungsraten, die jedoch nicht in jedem Kontext unbedingt erforderlich sind. Zum Beispiel setzt die Kommunikation mit einem Türsteuerungs-Modul oder dem Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungssystem keine Datenrate von 100 Mbit/s voraus. Ein für 10-MBit/s ausgelegter PHY wie der DP83TD555J-Q1 oder auch ein alternatives Netzwerkprotokoll wie etwa CAN ist für Anwendungsfälle mit geringeren Übertragungsraten und weniger Bandbreitenbedarf besser geeignet, während die höheren Übertragungsraten dafür vorbehalten bleiben, gebündelte Kameradaten und Sensordaten für das autonome Fahren zwischen den Zonen-Steuerungsmodulen und dem zentralen Rechnersystem zu übermitteln. Bild 2 gibt Auskunft darüber, wo die verschiedenen Übertragungsraten in einer Zonenarchitektur zum Einsatz kommen.

Anhand von Bild 2 lassen sich die für Radar-, Lidar-, Kamera- und Body-Anwendungen genutzten Übertragungsraten genauer unter die Lupe nehmen. Wenn ein Radar- oder Lidar-SoC seine Daten verarbeitet, erfolgt der Datentransfer an das Zonen-Steuerungsmodul in der Regel per CAN oder Ethernet (10 oder 100 Mbit/s). Wenn die Datenverarbeitung nur auf einer ersten oder zweiten Ebene erfolgt, werden die Radar- oder Lidar-Daten per Ethernet mit 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s an das Zonen-Steuerungsmodul oder den Zentralrechner übermittelt. Sobald aber die unaufbereiteten Radar- oder Lidardaten zur Weiterverarbeitung an den Zentralcomputer übertragen werden, lassen sich durch das Zusammenführen von Daten aus mehreren Sensoren mehr Informationen extrahieren. Der Transfer dieser sehr umfangreichen Rohdaten aber setzt mehr Bandbreite voraus, in der Regel mit einem SerDes-Protokoll oder 2,5 Gbit/s plus Ethernet.

Im Fall von Kameras ist ein SerDes-Protokoll wie etwa FPD-Link die beste Wahl, wenn der gesamte Umfang an Rohdaten aus der Frontkamera zur Weiterverarbeitung für Fahrassistenz-Funktionen übertragen werden muss. Wenn die Möglichkeit zum Komprimieren der Daten aus der Frontkamera besteht und der erhöhte Umfang an ADAS-Daten nicht benötigt wird, ist Ethernet mit 100 Mbit/s eine Alternative.

Für Module der Body-Domäne wie etwa Türgriffsensoren, Fensterheber-Steuerungsmodule oder Außenspiegel-Steuerungsmodule greift man für die Kommunikation traditionell auf das CAN- oder das LIN-Protokoll zurück, da in beiden Fällen keine große Bandbreite benötigt wird. CAN und LIN werden weiterhin genutzt werden, jedoch bieten sich durch die zunehmende Ethernet-Nutzung in Fahrzeugen auch Einsatzmöglichkeiten für Multidrop-Ethernet (10BASE-T1S mit 10 Mbit/s). Zwar ist Ethernet traditionell eine Punkt-zu-Punkt-Topologie, aber mit 10BASE-T1S gibt es erstmals einen Ethernet-Standard, der für eine Bus-Topologie geeignet ist.

Multi-Gigabit-Ethernet in einer Zonenarchitektur

Wie werden sich die Zonenarchitekturen potenziell weiterentwickeln? Es beginnt mit dem Bündeln von Daten aus den Body-Domänen unter Einbeziehung der Stromversorgung sowie mit dem Zentralisieren der Rechenressourcen. Mit der Zeit werden die Zonenarchitekturen dann damit beginnen, Daten aus anderen Domänen wie etwa ADAS und Infotainment zusammen zu führen. Das finale Ziel ist es, sämtliche Domänen in die Zonenarchitektur einzubinden. Unabhängig davon, zu welcher Domäne die jeweiligen Daten gehören, nutzen das Zonen-Steuerungsmodul und das zentrale Rechnersystem dasselbe Backbone-Netzwerk für deren Übertragung. Audiofunktionen sind ein erstklassiger Kandidat für die Verlagerung in Zonen-Steuerungsmodule, da es mit Audio Video Bridging Standards möglich ist, Audiodaten per Ethernet zu übertragen.

Funktionen der Body-Domäne kommen in der Regel mit 10 Mbit/s oder weniger aus. Wenn jedoch ADAS- und Bord-Infotainment-Funktionen wie etwa Radar, Lidar, Audio und Kameras in die Zonenarchitektur eingegliedert werden, nimmt der Geschwindigkeits- und Bandbreitenbedarf zu, und die Topologie des Ethernet-Backbones wird möglicherweise von einer Stern- auf eine Ringstruktur umgestellt, um die große Menge an sicherheitskritischen und zeitsensiblen Sensordaten zu berücksichtigen.

Audio generiert ungefähr 1,5 Mbit/s pro Kanal, ein Radarsensor zwischen 0,1 und 15 Mbit/s und Lidar zwischen 20 und 100 Mbit/s. Bei Kameras liegen die Werte zwischen 500 Mbit/s und 3,5 Gbit/s. Moderne Fahrzeuge sind üblicherweise mit vier bis sechs Radarsensoren, einem bis fünf Lidarsensoren, 15 bis 20 Lautsprechern, 12 bis 16 Mikrofonen und sechs bis zwölf Kameras ausgestattet. Tabelle 1 bietet einen Überblick über das Datenvolumen der verschiedenen Sensoren.

Es ist dieser große Umfang an generierten Daten, der die Automobilhersteller zum Umstieg auf Ethernet mit 2,5, 5 und 10 Gbit/s veranlasst. Eine Zonenarchitektur benötigt ein Backbone-Kommunikationsnetzwerk, das die enormen Datenmengen, die von ADAS-Sensoren an den Zentralcomputer übertragen werden müssen, bewältigen kann. Unkomprimierte Kameradaten übersteigen bereits jetzt die Fähigkeiten der aktuellen Ethernet-Technik, dabei nimmt die Auflösung der Kameras immer weiter zu. Je mehr die Fahrzeuge in Richtung autonomes Fahren weiterentwickelt werden, umso mehr Sensoren werden in ihnen verbaut, sodass der Bandbreitenbedarf der Bordnetzwerke entsprechend steigt.

Die von den Automobilherstellern nachgefragten Ethernet-Übertragungsraten dürften variieren, denn jeder Hersteller verfolgt seine eigenen Pläne für die Verlagerung der verschiedenen Funktionen in das Zonen-Steuerungsmodul. Die Audiowiedergabe über die eingebauten Lautsprecher dürfte zu den ersten bereichsübergreifenden Datentypen gehören, die auf den Ethernet-Backbone verlagert werden. Das könnte an den vergleichsweise niedrigen Datenvolumen liegen, denn 20 Audiokanäle generieren lediglich rund 30 Mbit/s, sodass ein bestehender Ethernet-Backbone mit 100 Mbit/s oder 10 Gbit/s diese Audiodaten problemlos verkraften kann. Insgesamt gilt, dass der Bandbreitenbedarf umso größer wird, je mehr Funktionen mit hohem Datenaufkommen in die zonalen Steuerungsmodule verlagert werden.

Ethernet als Backbone für eine Zonenarchitektur versetzt die Fahrzeuge in die Lage, mehr Daten über das Bordnetzwerk zu übertragen, wenn Verbindung mit dem Internet oder den Servern des Automobilherstellers aufgenommen wird. Über Firmware-Over-The-Air-Updates (FOTA) sind somit subskriptionsbasierte Dienste oder Fahrzeugdiagnosen implementierbar. FOTA-Updates machen unterschiedliche Updatezyklen für Hard- und Software möglich, die dank der Unabhängigkeit der Sensoren und Aktoren vom zentralen Computer asynchron ausgeführt werden können. Im Rahmen eines FOTA-Updates lassen sich nicht zuletzt zusätzliche Features und Sicherheitsverbesserungen pushen, sodass auf keinen Modellwechsel gewartet werden muss und auch kein Werkstattbesuch erforderlich ist. Hiervon profitieren Hersteller und Endverbraucher gleichermaßen: die Hersteller können ihre Fahrzeuge auch nach Auslieferung durch zusätzliche Features aufwerten, während es den Kunden erspart bleibt, für Firmware-Updates die Werkstatt aufzusuchen.

PHYs in einer Zonenarchitektur

Ethernet benötigt PHYs zum Senden und Empfangen von High-Speed-Daten. Für Automotive-Anwendungen ausgelegte Ethernet-PHYs machen viele Bedenken bezüglich der Verwendung von Ethernet als Backbone in Fahrzeugen gegenstandslos, was beispielsweise die mangelhafte Signalqualität in einer solch volatilen Umgebung betrifft. Ethernet-PHYs von Texas Instruments können bei Temperaturen zwischen –40 und +125 °C eingesetzt werden, was den Anforderungen von AEC-Q100 Grade 1 entspricht.

Darüber hinaus müssen Ethernet-PHYs den Ethernet-Konformitätsstandards entsprechen, um sicherzustellen, dass sie die Interoperabilitäts- und Zuverlässigkeitsvorgaben bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der elektromagnetischen Interferenzen (EMI) erfüllen. Gleiches gilt für die IEEE-Konformität gemäß Open Alliance TC1 und TC12 für den Einsatz in Fahrzeugumgebungen. Dank fortschrittlicher Diagnose-Features, zu denen die Anzeige der Signalqualität, der Zeitbereichs-Reflektometrie sowie Sensoren zur Erkennung elektrostatischer Entladungen gehören, können PHYs Fehler erkennen und identifizieren, um dem Host-System eine proaktive Reaktion zu ermöglichen. Sollte es beispielsweise zu einer elektrostatischen Entladung kommen, sendet der PHY ein Interrupt-Signal an das SoC und den Media Access Controller (MAC) und prüft anschließend andere Teile des Systems.

Ethernet-PHYs können außerdem entfernte ECUs über das Single-Pair-Ethernet-Kabel aufwecken, wofür die Wake- und Sleep-Technologien gemäß Open Alliance TC10 genutzt werden, sodass hierfür keine separaten Leitungen notwendig sind. IEEE 802.1AE Media Access Control Security (MACsec) kann ebenfalls eine wichtige Technik sein, um die Authentisierung von Netzwerk-ECUs und die Ver- und Entschlüsselung von Daten zur Abwehr von Cyber-Attacken zu unterstützen. Immerhin stellen Cyberangriffe die größte Bedrohung für Fahrzeugnetzwerke dar.

Ethernet-PHYs von TI

Die 100BASE-T1-PHYs DP83TC812-Q1, DP83TC815-Q1 und DP83TC814-Q1 warten für Luxusfahrzeuge auf, während der kleinere 100BASE-T1-PHY des Typs DP83TC813-Q1 für Anwendungsfälle interessant sein kann, in denen die Leiterplattenfläche ein knappes Gut ist. Die Bausteine DP83TG720-Q1 und DP83TG721-Q1 können Zonenmodule mit datenintensiven Features wie dem zentralen Rechnersystem oder der Telematik-Steuereinheit verbinden, was Raum für die Einbindung zusätzlicher Features in späteren Modellen schafft, ohne größere Änderungen an der Verkabelung vornehmen zu müssen.

Das Portfolio der Single-Pair-Ethernet-PHYs ist auf Footprint- oder Pin-Kompatibilität zu den 100BASE-T1- und 1000BASE-T1-PHYs des Unternehmens ausgerichtet. Die Verwendung eines einheitlichen Leiterplattendesigns ermöglicht das Aufstocken der Feature-Ausstattung oder der Bandbreite in späteren Versionen ohne Änderungen an der Hardware. Dieses Konzept ermöglicht eine Verkürzung der Entwicklungszyklen, die Einhaltung der Anforderungen unterschiedlicher Automobilhersteller sowie eine Reduzierung der Markteinführungszeiten, sodass die Forschungs- und Entwicklungskosten sinken.

Der 10BASE-T1S Serial Peripheral Interface MAC PHY DP83TD555J-Q1 fügt sich in bestehende Ethernet-Backbones ein, sodass auf Protokollwandler-Gateways mitsamt ihren Latenzen und ihrem Verarbeitungsaufwand verzichtet werden kann, wenn traditionelle CAN/LIN-Edgeknoten angeschlossen werden sollen. Dank seiner Unterstützung für Power over Data Line kann der Baustein ein und dasselbe Twisted-Pair-Kabel für Datenübertragung und Stromversorgung nutzen, was das Kabelgewicht und die Systemkosten verringert. Die eingebaute PHY Collision Avoidance sorgt zudem für ein deterministisches Scheduling mit garantierten Sendemöglichkeiten für jeden Netzwerkknoten, sodass ein vorhersagbares Kommunikations-Timing gewährleistet ist. Die größeren Payloads der Ethernet-Frames erlauben das Extrahieren größerer Datenmengen und vielfältigerer Datentypen aus den ECUs an der Peripherie der Fahrzeuge, was fortschrittliche Diagnosen und Over-The-Air-Updates bei gleichzeitiger Wahrung der Echtzeiteigenschaften erlaubt.  (se)

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100/1000BASE-T1-Single-Pair-Ethernet-PHYs für skalierbare und deterministische Anbindung

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