Vernetzung Die Zukunft der Datenkonnektivität in der Automotive-Branche

Autor / Redakteur: Mika Arpe und Cory Ensley * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Moderne Fahrzeuge beobachten und erkennen ihre Umgebung. Und diese Möglichkeiten verbessern sich von Jahr zu Jahr. Voraussetzung ist allerdings die richtige Datenkonnektivität.

Firmen zum Thema

Moderne Fahrzeuge beobachten ihre Umgebung: Damit lassen sich innovative Features – unter anderem für Sicherheit, Komfort, Bequemlichkeit und Kommunikation – umsetzen.
Moderne Fahrzeuge beobachten ihre Umgebung: Damit lassen sich innovative Features – unter anderem für Sicherheit, Komfort, Bequemlichkeit und Kommunikation – umsetzen.
(Bild: © metamorworks - stock.adobe.com)

Datenkonnektivität bildet das „Nervensystem“ des Fahrzeugs und verbindet die „Sinne“, also Sensoren und Aktoren, mit dem „Gehirn“ – den Computerplattformen des Fahrzeugs. Da diese Komponenten immer ausgefeilter werden und Hersteller zunehmend auf Software-definierte Fahrzeuge setzen, steigen die Anforderungen an die benötigte Bandbreite rapide an. Die Grenzen traditioneller Fahrzeugnetzwerke sind bereits erreicht.

Eine neue Art der Vernetzung ist notwendig

Die Netzwerkarchitekturen in modernen Fahrzeugen stehen vor großen Herausforderungen: Traditionelle Analogverbindungen (Point-to-Point) weichen digitalen Ansätzen. Hochauflösende Radarlösungen und Kameras erzeugen Datenströme mit hoher Bandbreite. Und elektronische Steuergeräte (ECUs) tauschen große Datenmengen innerhalb des Fahrzeugs aus. Diese Entwicklungen werden sich mit Software-definierten Fahrzeugen noch beschleunigen.

Bildergalerie

Vor diesem Hintergrund müssen Datenverbindungstechnologien folgende Probleme in der Automobilwelt bewältigen:

  • elektromagnetische Interferenzen (EMI),
  • Empfindlichkeit gegenüber Latenzzeiten,
  • Anforderungen an die Ausfallsicherheit und Fahrzeuggewicht.

Hierfür gibt es bereits einige Möglichkeiten, die in diesem Beitrag vorgestellt werden.

Automotive-Ethernet als zuverlässiger Standard

Bereits in der Vergangenheit hat sich das Ethernet als vielseitiger und widerstandsfähiger Standard erwiesen, der den Fortschritt in der Datenkommunikation über Jahrzehnte hinweg geprägt hat. Allerdings benötigten immer mehr Rechenressourcen im Laufe der Zeit Netzwerkverbindungen.

Daher veröffentlichte die IEEE 2016 den ersten Ethernet-Standard für Automotive-Anwendungen – IEEE 802.3bw oder auch 100Base-T1 genannt. Er verwendet eine ungeschirmte Twisted-Pair-Verkabelung, bei der zwei Kupferdrähte über die gesamte Länge des Kabels miteinander verdrillt sind. Dadurch werden weniger elektromagnetische Strahlungen und Crosstalk (XT) erzeugt, außerdem widersteht die Verkabelung Störungen anderer Quellen. Und schließlich lassen sich durch die Verwendung eines einzelnen Kabelpaares Kosten und Gewicht einsparen.

100Base-TX ist für maximal 100 Metern spezifiziert

Der frühere, für Anwendungen außerhalb der Automotive-Branche entwickelte, Standard 100Base-TX ist für eine maximale Länge von 100 Metern spezifiziert, woran sich auch die meisten Ethernet-Standards seitdem halten. Automotive-Ethernet wurde allerdings für eine maximale Länge von nur 15 Metern ausgelegt, denn Anwendungen in diesem Bereich benötigen keine größere Distanz zu den Netzwerkkomponenten im Fahrzeug. Dadurch ermöglicht die kürzere Länge eine vom Gewicht her leichtere Verkabelung.

Ein weiterer Unterschied beim neuen Automotive-Standard ist die Kodierung, die von den Transceivern an jedem Ende des Kabels vorgenommen wird. Der bisherige Standard verwendete die Multi-Level-Transmit-Technik (MLT-3): Hierbei werden drei Spannungsebenen durchlaufen, um Bits auf der Leitung zu kodieren. Beim Automotive-Ethernet hingegen werden drei Ebenen der Puls-Amplituden-Modulation (PAM-3) verwendet, um Bits durch die Amplitude der Signalimpulse zu kodieren. Dadurch lassen sich mehr Bits mit jeder Welle verschlüsseln. In Kombination mit anderen Kodierungstechniken wird die resultierende Frequenz von 125 MHz auf 66,6 MHz reduziert – ein Schutz vor EMI und XT.

Die nächsten Schritte bei Automotive-Ethernet

Die 100 Mbit/s des IEEE 802.3bw-Standards können viele anfängliche Anwendungen im Automobilbereich abdecken und haben zu seiner hohen Verbreitung beigetragen. Aber künftig werden höhere Geschwindigkeiten erforderlich sein. Denn stärker auflösende Video-Streams sowie die Datenaufnahme unterschiedlicher Sensoren befinden sich auf gemeinsamen Kabeln und müssen oftmals gleichzeitig stattfinden.

Hier kommt ein wesentlicher Vorteil von Ethernet ins Spiel: Das Netzwerk ist so flexibel, dass es auch einfache Rekonfigurationen ermöglicht. Im Falle einer Störung kann der Ethernet-Router den Datenverkehr auf eine andere Weise leiten. Dies gewährleistet die stabile Verbindung wichtiger Rechenkomponenten im Fahrzeug.

Ethernet überträgt bis zu 500 mA zusammen mit dem Datensignal

Ebenfalls entscheidend für Fahrzeugnetzwerke ist eine weitere Fähigkeit des kupferbasierten Ethernets: Das Netzwerk kann bis zu 500 mA zusammen mit dem Datensignal übertragen – dieses Feature wird auch Power over Data Lines (PoDL) genannt. Für bestimmte Sensoren, beispielsweise eine optimierte Satellitenkamera, ist das ausreichend. Außerdem müssen Fahrzeughersteller dadurch lediglich ein einziges Kabelpaar zu Sensoren für alle Anwendungen verlegen. Das spart Gewicht und vereinfacht die Architektur.

Koaxialanwendungen im Automobilbereich

Schon seit langem werden Koaxialkabel („Koax“) für die Datenvernetzung eingesetzt. Sie bestehen aus einem isolierten Draht in der Mitte, der von einer Abschirmung aus leitfähigem Material umgeben ist. Als Kabelfernsehverbindungen sind sie nach wie vor im Einsatz. In der Automobilindustrie lassen sich je nach Anwendungsparametern bestimmte Typen von Koaxialkabeln verwenden.

Der weltweite Schnittstellenstandard für diese Verbindungen – bekannt als FAKRA (Fachkreis Automobil) – wird von den meisten Automobilherstellern sogar seit mehr als 20 Jahren eingesetzt. Besondere Vorteile sind die Robustheit und Störfestigkeit des Koax.

Die Steckverbinder funktionieren sehr gut bei Frequenzen bis zu 3 GHz und lassen sich durch spezielle Konstruktionsmerkmale am Anschluss für 6-GHz-Anwendungen anpassen, was Geschwindigkeiten von bis zu 8 Gbit/s ermöglicht. Zu den jüngsten Anwendungen von Koaxialkabeln im Automobilbereich gehören digitale Kamerasysteme in Fahrzeugen. Die hohen Bandbreiten des Koaxialkabels ermöglichen hier die Übertragung von Videosignalen und Kamerastrom über ein einziges Kabel.

Von einfachen Rückfahrkameras zu komplexen Surround-Vision-Systemen

Da sich die Anwendungsfälle von einfachen Rückfahrkameras zu komplexen Surround-Vision-Systemen gewandelt haben, ist die sperrige Größe der FAKRA-Schnittstelle unhandlich geworden. Mittlerweile wurde eine neue Generation von kleineren Steckverbindern entwickelt, um diese Probleme zu lösen: das „Mini-Koax“. Die dazugehörigen Steckverbinder sind deutlich kleiner als die heutigen Automobilschnittstellen und ermöglichen eine höhere Packungsdichte der Geräte. Außerdem unterstützen sie eine höhere Bandbreite als aktuelle Automotive-Produkte. Während FAKRA lediglich Frequenzen bis zu 6 GHz unterstützt, sind beim Mini-Koax auch Anwendungen bei 9 GHz bis 15 GHz möglich – und somit eine Bandbreite von 20 Gbit/s und mehr.

PCI-Express für nahe Peripheriegeräte

Für manche Automotive-Anwendungen eignet sich auch die so genannte PCI-Express-Technologie (Peripheral Component Interconnect). Dabei handelt es sich um eine 2003 entwickelte Busschnittstelle, die hauptsächlich zum Anschluss von Peripheriegeräten an Computer-Motherboards verwendet wird. Die neueste Version von PCI-Express unterstützt bis zu 128 GByte/s.

Bei PCI Express beträgt die maximale Entfernung einen halben Meter – also extrem kurz. Dafür wird allerdings kein Transceiver benötigt, das spart Kosten. Außerdem empfiehlt sich PCI Express als Lösung für Steuergeräte, die im Fahrzeug ohnehin nahe beieinanderliegen.

Die Nachteile anderer Netzwerktechnologien

Glasfaserkabel verwenden Lichtimpulse, um Daten über Glas- oder Kunststofffasern zu übertragen und scheinen auf den ersten Blick eine gute Wahl für Anwendungen im Automotive-Bereich zu sein. Denn sie erzeugen keine elektromagnetische Strahlung und sind resistent gegenüber Störungen durch andere Quellen. Allerdings können Glasfaser-Datenleitungen keinen Strom liefern. Daher erfordert ihr Einsatz eine separate Stromversorgung. Lichtwellenleiter benötigen in der Regel einen Transceiver, der die elektrischen Signale in Lichtimpulse verwandelt. Zudem sind die Kabel in der Herstellung teuer. Aber ihr vielleicht wichtigster Nachteil: ihr Biegeradius ist begrenzt. Daher ist es überaus schwierig, sie durch das beengte Fahrzeuginnere zu führen. Aufgrund dieser Punkte ist eine breite Akzeptanz von Glasfaserkabeln eher unwahrscheinlich.

Das „Multicore“-Kabel mit zahlreichen Leitungen

Als weitere Technologie kann das sogenannte „Multicore“-Kabel in Betracht gezogen werden. Zwar handelt es sich dabei um ein einzelnes Kabel, aber es verfügt über eine große Anzahl von Leitungen. Der bekannteste Multicore-Vertreter ist das USB-C-Kabel. Es hat sich auf dem PC-Markt bereits weltweit durchgesetzt und transportiert Strom sowie Daten gleichzeitig. Allerdings sind USB-C-Kabel auf wenige Meter begrenzt und kostenintensiv in der Herstellung. Außerdem begrenzen sie die Bandbreite auf 5 Gbit/s pro Kanal und erfordern einen teuren Transceiver, um die Daten auf diese Kanäle aufzuteilen. Auch hier könnten diese Nachteile den Einsatz im Automotive-Bereich blockieren.

Ältere Technologien für einfache Anwendungen

Auch wenn Automotive-Ethernet und andere moderne Lösungen auf dem Vormarsch sind, lassen sich ältere und bewährte Technologien für einfache Anwendungen weiterhin verwenden – wenn niedrige Datenraten ausreichen. Ein Beispiel hierfür ist das LIN (Local Interconnect Network), das einen preiswerten Chipsatz mit einem Steckverbinder verbindet.

Andere kostengünstige Lösungen sind CAN (Controller Area Network) und CAN-FD (Controller Area Network Flexible Data Rate) – von 1 Mbit/s bis zu 2 Mbit/s. Während die meisten dieser Netzwerktechnologien allerdings symmetrisch aufgebaut sind, benötigen manche Anwendungen im Fahrzeug nur in einer Richtung eine hohe Bandbreite – Kameras oder hochauflösende Displays sind etwa asymmetrisch. Für diese Fälle eignen sich Technologien wie FPD-Link (Flat Panel Display Link), APIX (Automotive Pixel Link) und GMSL (Gigabit Multimedia Serial Link).

Mit Knowhow die Datenkonnektivität kontinuierlich verbessern

Bei Aptiv wird das Knowhow über die einzelnen Fahrzeugkomponenten genutzt, um die Datenkonnektivität kontinuierlich zu verbessern. So unterstützt der „Smart Vehicle Architecture“-Ansatz die nächste Generation der elektrischen und elektronischen Architektur. Sie benötigt für aktive Sicherheit robuste Grundlagen bei allen Komponenten. Gleichzeitig reduziert sie aber auch das Fahrzeuggewicht, sodass Platz für weitere Innovationen gegeben ist. Automotive-Ethernet, Mini-Koaxialkabel und PCI Express bieten in diesem Zusammenhang die vielversprechendsten Ergänzungsmöglichkeiten.

* Mika Arpe leitet den Specialty Products Cluster bei Aptiv Connection Systems.

* Cory Ensley leitet das globale Engineering für Aptivs Portfolio für HSCA (High Speed Connectors & Assemblies).

(ID:47576089)