EP Basics High-Speed-Ethernet Was Zonenarchitekturen und Ethernet für Autos bringen

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Die Zonenarchitektur und Ethernet stellen die Zukunft der Vernetzung in Autos dar. Neue Funktionen und die Zusammenfassung von Sensoren und Aktoren in Zonenmodulen erfordern ein Kommunikationsnetzwerk mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz im Fahrzeug. Eine Zonenarchitektur, die Ethernet implementiert, ermöglicht ein software-definiertes Fahrzeug.

Im Gegensatz zu domänenorientierten Fahrzeugarchitekturen, bei denen die elektronischen Steuergeräte (ECUs) anhand ihrer Funktionen gegliedert werden, erfolgt die Kommunikation, Stromversorgung und Steuerung bei einer Zonenarchitektur auf Basis der Position der jeweiligen ECU im Fahrzeug.

Den verschiedenen Bereichen im Auto sind jeweils Zonenmodule zugeordnet, die nicht nur als Datenbrücke zwischen dem zentralen Computersystem des Fahrzeugs und den Edge-Knoten (z.B. Sensoren und ECUs) dienen.

Sie sind auch für die Stromversorgung der einzelnen Edge-Knoten zuständig, führen einfache Berechnungen durch und steuern lokale Verbraucher an. Da zwischen den Zonenmodulen und dem Zentralrechner große Datenmengen schnell übertragen werden müssen, erfolgt die Kommunikation über ein High-Speed-Ethernet-Backbone.

Zur Übertragung der Daten bietet sich das jüngst definierte Single Pair Ethernet (SPE) an, das auf nur einem Adernpaar Übertragungsraten zwischen 10 MBit/s und 10 GBit/s unterstützt. Die maximale Übertragungsdistanz von 15 m reicht für den Einsatz in Kraftfahrzeugen aus. Als weiterer Vorteil kommt die Möglichkeit der zeitlichen Synchronisation von Sensordaten per IEEE 802.1AS hinzu. Wie die verschiedenen Übertragungsraten in einem Fahrzeug mit zonaler Architektur genutzt werden, verdeutlicht Bild 1.

Wie wird die Entwicklung hin zur Zonenarchitektur ablaufen? Den Anfang bilden das Bündeln von Daten aus der Body-Domäne, kombiniert mit Stromversorgung und zentralisierter Berechnung, bevor im nächsten Schritt weitere Domänen wie etwa Fahrassistenzsysteme (ADAS) eingebunden werden. Den Abschluss stellt dann die Integration sämtlicher Domänen in die Zonenarchitektur dar.

Zonenarchitektur: Anforderungen an die Bandbreite

Der Bandbreitenbedarf nimmt entsprechend zu. Während die Funktionen der Body-Domäne mit 10 MBit/s oder weniger auskommen, sind die Ansprüche von ADAS-Funktionen wie etwa Radar (0,1 bis 15 MBit/s), Lidar (20 bis 100 MBit/s) und Kameras (0,5 bis 3,5 GBit/s) bereits deutlich höher, können einem Zonenmodul doch bis zu zwei Radarsensoren, zwei Lidar-Sensoren und vier Kameras zugeordnet sein (Bild 2).

Das Backbone-Netz einer Zonenarchitektur muss eine große Bandbreite bieten, zumal der Trend dahin geht, die Rohdaten aus den verschiedenen Sensoren nicht mehr lokal aufzubereiten, sondern zum Zweck einer möglicherweise KI-gestützten Sensorfusion unkomprimiert an den Zentralrechner zu übertragen.

Sobald Ethernet als Backbone in einem Fahrzeug installiert ist, werden zudem bestimmte Ferndiagnose-Funktionen und FOTA-Updates (Firmware-Over-The-Air) möglich, die wegen der Unabhängigkeit der einzelnen Sensoren und Aktoren asynchron vom Zentralrechner vorgenommen werden können. Über FOTA-Updates lassen sich nicht zuletzt neue Funktionen freischalten, ohne dass dazu eine Werkstatt aufgesucht werden muss.

Ethernet-PHYs in der Zonenarchitektur

Ethernet erfordert PHY-Chips für das Senden und Empfangen der Daten; und Automotive-taugliche Ethernet-PHYs räumen zahlreiche Probleme aus dem Weg, die sich bei der Nutzung von Ethernet als Fahrzeug-Backbone ergeben können. Mit dem Bestehen der entsprechenden Konformitätsstandards wird den Ethernet-PHYs bescheinigt, dass sie die nötige Interoperabilität sowie die Zuverlässigkeit und die nötigen EMV- und EMI-Eigenschaften für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mitbringen.

Diagnosefunktionen wie die Angabe der Signalqualität, Zeitbereichs-Reflektometrie und ESD-Sensoren ermöglichen den PHYs außerdem das Erkennen von Fehlern mitsamt den daraus resultierenden Reaktionen. Mit Wake- und Sleep-Funktionen gemäß der Spezifikation TC10 der Open Alliance können dezentrale ECUs über das SPE-Kabel aufgeweckt oder in den Schlafmodus versetzt werden, ohne dass hierfür eine eigene Leitung verlegt werden muss.

IEEE 802.1AE Media Access Control Security (MACsec) erlaubt überdies nicht nur die Authentifizierung von Steuergeräten, sondern auch das Verschlüsseln der übertragenen Daten zur Abwehr von Cyber-Attacken. (kr)

Ethernet

ESD-Schutz für Automotive Ethernet

* Madison Eaker ist Systemingenieurin Automotive Systems Body Electronics and Lighting bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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