Diese Fahrzeuge steuern zahlreiche Subsysteme, die auf die untereinander ausgetauschten Informationen angewiesen sind, um einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen. Dabei interagieren sie über verschiedene Sensoren und Aktoren mit der physischen Welt.
Anfänglich nutzten diese Subsysteme funktionsoptimierte Kommunikationstechnologien, sogenannte domänenspezifische Hardwarearchitekturen. Dieser Ansatz erforderte mehrere anwendungsspezifische Busse für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Domänen und somit Gateway-Computer zur Übersetzung der Informationen zwischen den unterschiedlichen Hardwarearchitekturen. Angesichts von bis zu 20 zu verwaltenden Netzwerkstandards suchten Automobilhersteller nach einer einfacheren Lösung mit einer gemeinsamen Plattform für ihre Kommunikationsinfrastruktur.
Umstellung auf Ethernet-basierte Zonenarchitekturen:
Die Automobilindustrie vollzieht den Wandel von herkömmlichen Netzwerkarchitekturen hin zu einem einheitlichen Ethernet-basierten Backbone. Dieser Wandel ermöglicht die Unterteilung von Fahrzeugen in „Zonen“, die über ein flächendeckendes IP-basiertes Ethernet-Netzwerk einfacher mit einer zentralen Rechenplattform interagieren können. In Zusammenarbeit mit dem IEEE haben Automobilhersteller eine physikalische Schicht definiert, die anstelle der üblicherweise in Ethernet-Installationen verwendeten zwei oder vier Adernpaare nur ein einziges symmetrisches Adernpaar benötigt. Abbildung 1 veranschaulicht den Übergang von domänenspezifischen Hardwarearchitekturen zu einer Zonenarchitektur mit einer zentralen Rechenplattform.
Abbildung 1: Megatrend in Netzwerken, von einer domänenspezifischen Architektur zu einer zonalen Architektur
Der Übergang zu Ethernet-basierten Zonenarchitekturen stellt einen bedeutenden Fortschritt in Design und Funktionalität von Fahrzeugen dar. Durch die Verwendung einer einheitlichen Kommunikationstechnologie können Automobilhersteller das interne Netzwerk des Fahrzeugs vereinfachen und so die Komplexität und die Kosten für die Wartung mehrerer Kommunikationsstandards reduzieren. Dieser optimierte Ansatz verbessert nicht nur die Fahrzeugleistung, sondern ebnet auch den Weg für fortschrittlichere Funktionen und Möglichkeiten.
Vorteile einer gemeinsamen Datenumgebung:
Eine einheitliche Datenumgebung ermöglicht die softwarebasierte Definition von Fahrzeugsystemen und -funktionen, wodurch Latenz und Komplexität reduziert werden. Angesichts steigender Sicherheitsanforderungen können standardisierte Mechanismen Netzwerkteilnehmer authentifizieren und Informationen bei Bedarf verschlüsseln. Frühere Kommunikationssysteme wiesen Sicherheitslücken auf, weshalb zur Abwehr von Sicherheitsbedrohungen unterschiedliche Ansätze erforderlich waren.
Die Vorteile einer gemeinsamen Datenumgebung reichen weit über Sicherheit und Effizienz hinaus. Durch die Standardisierung von Kommunikationsprotokollen im Fahrzeug können Automobilhersteller neue Technologien und Funktionen einfacher integrieren. Diese Flexibilität ist entscheidend für die kontinuierliche Weiterentwicklung der Automobilindustrie, insbesondere im Hinblick auf autonomes Fahren, Elektrofahrzeuge und vernetzte Fahrzeugtechnologien. Eine gemeinsame Datenumgebung gewährleistet die nahtlose Integration dieser Innovationen in die Fahrzeugarchitektur und sorgt so für ein stimmigeres und integriertes Fahrerlebnis.
Vereinfachte Software-Updates
: Die Nutzung eines gemeinsamen Netzwerks vereinfacht Software-Updates erheblich. Entwickler können Updates mit einem einheitlichen Ansatz implementieren, anstatt für jede Datenverbindung die passende Methode zu definieren. Diese Vereinfachung von Software-Updates ist ein Meilenstein für die Automobilindustrie. Da Fahrzeuge zunehmend softwareabhängig werden, gewinnen regelmäßige Updates und Verbesserungen immer mehr an Bedeutung. Eine gemeinsame Netzwerkinfrastruktur ermöglicht Over-the-Air-Updates (OTA), sodass Automobilhersteller neue Funktionen implementieren, Fehler beheben und die Leistung verbessern können, ohne dass ein Besuch beim Händler erforderlich ist. Dies verbessert nicht nur das Kundenerlebnis, sondern reduziert auch Wartungskosten und Ausfallzeiten.
Ethernet 10BASE-T1S: Die Brücke zwischen der digitalen und der physischen Welt
Ethernet, ein seit 50 Jahren existierendes Konzept mit vor 40 Jahren veröffentlichten IEEE®-Spezifikationen, wurde hauptsächlich zur Übertragung großer Datenmengen zwischen Computern eingesetzt. Die Schnittstelle zwischen der digitalen Welt der Computer und der physischen Welt der Automobile blieb jedoch hardwareabhängig und domänenspezifisch. Um dieses Problem zu lösen, wurde 10BASE-T1S Ethernet entwickelt.
Ethernet 10BASE-T1S ist ein Multipoint-Bus, der ein einzelnes Adernpaar als Backbone nutzt. Sensoren und Aktoren werden direkt an diese Ader angeschlossen, wodurch Ethernet-Switches für die Verbindung mehrerer Geräte überflüssig werden. Zum Empfangen und Weiterleiten von Daten an schnellere Verbindungen genügt ein einfacher Switch mit einem 10BASE-T1S-Port und zusätzlichen Ports für höhere Geschwindigkeiten. Spezielle Übersetzungsgateways sind nicht erforderlich, da alle Geräte in einem Ethernet-Netzwerk dasselbe Format für Ethernet-Frames verwenden.
Die Entwicklung von 10BASE-T1S Ethernet markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Evolution automobiler Netzwerke. Durch die Bereitstellung einer standardisierten und effizienten Verbindung von Sensoren und Aktoren schließt 10BASE-T1S Ethernet die Lücke zwischen der digitalen und der physischen Welt. Diese Technologie ermöglicht Datenverarbeitung und -kommunikation in Echtzeit, wodurch das Fahrzeug schneller und präziser auf veränderte Bedingungen reagieren kann. 10BASE-T1S Ethernet gewährleistet das nahtlose Zusammenspiel der Fahrzeugsysteme. Abbildung 2 veranschaulicht dieses Konzept.
Abbildung2: Zonale Architekturen versus Domänenarchitekturen
Praxisbeispiel: Demonstration
Um die praktische Anwendung von 10BASE-T1S Ethernet zu veranschaulichen, hat Microchip Technology eine Demonstration entwickelt, die zeigt, wie diese Technologie zur Vernetzung verschiedener Sensoren und Aktoren in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Die Demonstration umfasst Druck-, Näherungs-, Licht- und weitere Sensoren, die Daten aus der realen Umgebung erfassen. Diese Daten werden anschließend von einer zentralen Rechenplattform verarbeitet. Die verarbeiteten Daten dienen zur Steuerung von Motoren, Lüftern, Leuchten und Displays, die wiederum mit der physischen Umgebung interagieren. Ein Video der Demonstration ist auf YouTube unter https://youtu.be/nD1c3eLYp7M verfügbar. Abbildung 3 zeigt den Demonstrator.
Abbildung 3: Demonstrator mit mehreren Sensoren und Aktoren
Diese Konfiguration unterstreicht nicht nur die Vielseitigkeit von 10BASE-T1S-Ethernet, sondern auch dessen Potenzial zur Vereinfachung von Design und Implementierung von Fahrzeugkommunikationssystemen. Durch die Verwendung eines einzigen Multipoint-Busses über ein einzelnes Adernpaar entfällt bei 10BASE-T1S-Ethernet die Notwendigkeit von Ethernet-Switches zum Anschluss einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren. Während die Daten im Netzwerk fließen, kann ein einfacher Switch mit einem 10BASE-T1S-Port Verbindungen mit höheren Geschwindigkeiten herstellen und gleichzeitig eine einheitliche Ethernet-Frame-Formatierung im gesamten System gewährleisten.
Enorme Vorteile für Autohersteller
Die Verwendung eines einheitlichen Protokolls für die meisten Funktionen bietet Automobilherstellern erhebliche Vorteile, da sie mit zahlreichen anwendungsspezifischen Standards kompatibel sein müssen. Jedes Jahr werden Verbesserungen an Fahrerassistenzsystemen (ADAS) eingeführt, die zukünftig oft neue Kameras, Radar, Ultraschallsensoren und Lidar-Systeme sowie Aktualisierungen der Infotainment- und Navigationssysteme erfordern. Andere Fahrzeugkomponenten werden schrittweise verbessert, mitunter nur durch neue Softwarefunktionen.
Moderne Fahrzeuge können bis zu 40 verschiedene Kabelbäume, Dutzende oder sogar Hunderte von elektronischen Steuergeräten (ECUs) und kilometerlange Kabel mit einem Gewicht von bis zu 113 kg aufweisen. Die für verschiedene Anwendungen erforderliche vielfältige Verkabelung stellt auch Herausforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) dar, da jede Anwendung spezifische Anforderungen hat.
Die Umstellung auf ein einheitliches Protokoll vereinfacht die interne Fahrzeugarchitektur und reduziert die Anzahl der benötigten Kabelbäume und Steuergeräte. Dies verringert nicht nur Gewicht und Komplexität, sondern verbessert auch Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit. Dank der geringeren Anzahl zu verwaltender Komponenten können sich die Automobilhersteller auf die Verbesserung von Fahrzeugleistung und -funktionen konzentrieren und so ein insgesamt besseres Fahrerlebnis bieten.
zukünftiger
Fahrzeuge gerecht zu werden, die bald mehrere hundert Millionen Codezeilen umfassen werden (gegenüber den derzeitigen 100 Millionen), setzt die Branche auf eine zonale Elektronik-/Elektronikarchitektur (E/E) auf Ethernet-Basis. Diese Architektur bündelt Sensoren in einer einzigen Verbindung vom zonalen Gateway zu einem Backbone-Netzwerk und der zentralen Rechenplattform.
Der Übergang zu einer zonalen, Ethernet-basierten E/E-Architektur ist unerlässlich, um die zunehmende Komplexität moderner Fahrzeuge zu bewältigen. Angesichts der stetig wachsenden Anzahl von Sensoren, Aktoren und elektronischen Systemen wird eine skalierbare und effiziente Netzwerkinfrastruktur unabdingbar. Ethernet bietet die Bandbreite und Flexibilität, die zur Bewältigung der enormen Datenmengen dieser Systeme benötigt werden und so einen reibungslosen und effizienten Fahrzeugbetrieb gewährleisten.
Mit der fortschreitenden Entwicklung der Branche wird die Einführung Ethernet-basierter Architekturen eine entscheidende Rolle für die Zukunft der Automobiltechnologie spielen und sicherstellen, dass Fahrzeuge vernetzt, effizient und innovativ bleiben. Was als Konzept für eine einheitliche Fahrzeugkommunikationsarchitektur begann, steht kurz vor der Realisierung. Einige Fahrzeuge nutzen bereits heute Ethernet für ihre Computerarchitektur, und Modelle mit der neuen Zonenarchitektur, die sich bis zur physikalisch-digitalen Schnittstelle erstreckt, werden in Kürze in Produktion gehen. Dieser Ansatz vereinfacht nicht nur das Fahrzeugdesign, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für softwaregetriebene Innovationen, da Funktionen, die bisher hardwareseitig definiert waren, nun per Software implementiert und aktualisiert werden können.
Jenseits von Autos: Die weitverbreitete Nutzung von Ethernet
Die Vorteile von Ethernet beschränken sich nicht auf die Automobilindustrie. Auch industrielle Anwendungen setzen zunehmend auf diese Technologie, angetrieben durch den Bedarf an effizienteren und skalierbaren Kommunikationslösungen. Mit der wachsenden Verbreitung von Ethernet in Branchen jenseits der Automobilindustrie tragen Skaleneffekte zur Kostensenkung bei und machen die Technologie für ein breiteres Anwendungsspektrum zugänglicher und attraktiver. Darüber hinaus wird es mit zunehmendem Wissen über die Strukturierung und Implementierung von Ethernet-basierten Systemen einfacher, diese Systeme in verschiedenen Branchen zu entwickeln und einzusetzen.
Die Einführung von Ethernet, insbesondere von 10BASE-T1S Ethernet, ist ein grundlegender Schritt, um die Kluft zwischen virtueller und realer Welt in der Automobiltechnik zu überbrücken. Diese Technologie ermöglicht nicht nur eine Zukunft, in der Fahrzeuge intelligenter, sicherer und vernetzter sind als je zuvor, sondern legt auch den Grundstein für umfassendere Innovationen in zahlreichen Bereichen.
Der Weg von Ethernet von Computeranwendungen in die Automobilindustrie beweist die Bedeutung von Standardisierung und das Potenzial branchenübergreifender Zusammenarbeit für den technologischen Fortschritt. Mit der fortschreitenden Entwicklung der Automobilindustrie wird Ethernet eine zentrale Rolle bei der Gestaltung der Fahrzeuge von morgen spielen und eine neue Ära der Mobilität einläuten, die von Effizienz, Sicherheit und Vernetzung geprägt ist.
Autor: Microchip Technology, Geschäftsbereich Automotive Infotainment Systems
