Datenaustausch im Fahrzeug Mit IEEE 802.3ch können mehr Daten in einem Auto fließen

Autor / Redakteur: Alan A. Varghese* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Kameras, Lidar und Sensoren in einem Fahrzeug tragen zur Sicherheit im Straßenverkehr bei. Doch die vielen Daten müssen ohne Verluste und bei geringer Latenz übertragen werden. Mit Multi-Gig-Ethernet oder auch Automotive Ethernet IEEE 802.3ch können Systeme in einem Fahrzeug Umgebung und Verkehr überwachen.

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Automotive-Ethernet: Für das automatisierte und vor allem für das autonome Fahren benötigt der Bordrechner viele Daten. Hier ist ein Bussystem im Fahrzeug notwendig, das diese Daten verlustfrei überträgt.
Automotive-Ethernet: Für das automatisierte und vor allem für das autonome Fahren benötigt der Bordrechner viele Daten. Hier ist ein Bussystem im Fahrzeug notwendig, das diese Daten verlustfrei überträgt.
(Bild: Keysight)

Die Automobilindustrie steht an der Schwelle von Level 2 zu Level 3 und 4 der Automatisierung. Diese Fahrzeuge enthalten eine Reihe von Komponenten, wie

  • DCUs (Domain Control Units),
  • ECUs (Electronic Control Units),
  • GPUs (Graphics Processing Units),
  • hochauflösende Kameras,
  • Sensoren und
  • Speichergeräte für erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Konnektivität und Navigation.

Darüber hinaus umfassen sie Schaltungen für die Steuerung des Antriebsstrangs, des Fahrwerks, der Karosserie und der Komfortfunktionen, der Mensch-Maschine-Schnittstelle sowie des Infotainments. Das Bordnetz (In-Vehicle Network, IVN) und die zugehörige Verkabelung, um die Funktionen zu vernetzen. Das Bordnetz ist, wenn man das Gewicht betrachtet, die drittschwerste Komponente des Fahrzeugs und auch die drittteuerste. Übertroffen wird das Bordnetz nur vom Fahrgestell und dem Motor.

Große Datenmengen per Ethernet-Schnittstelle

Daran hat Thomas Königseder im Jahr 2004 wahrscheinlich nicht gedacht. Er war Elektroingenieur und Gruppenleiter bei BMW. Er versuchte ein grundlegendes Problem zu lösen: Einen Weg zu finden, um den Prozess der Software-Flash-Programmierung für BMW-Fahrzeuge zu beschleunigen. Hätte er die bestehende CAN-Schnittstelle (Controller Area Network) verwendet, hätte das Flashen der ein Gigabyte großen Software mehre Stunden in Anspruch genommen. Denn so groß erwartete man die Software für das nächste BMW-Modell. Nach vielen Evaluierungen und der Zusammenarbeit mit Halbleiterpartnern entschied sich Königseder für den Ethernet-Standard 100Base-TX, und 2008 war der 7er BMW das erste Serienfahrzeug mit einer Ethernet-Schnittstelle.

Selbst nach dieser Entscheidung dauerte es eine Weile, bis die Automobilhersteller von Ethernet ausschließlich für Software-Downloads und Onboard-Diagnosen bei geparkten Fahrzeugen zu einer fahrzeuginternen Vernetzung im mobilen Betrieb übergingen. Die Bedenken betrafen elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Latenzzeiten und die Anfälligkeit von Ethernet für Hackerangriffe und Manipulationen durch kompromittierte Steuergeräte, ungenutzte Anschlüsse und externe Schnittstellen wie Mobilfunk, Wi-Fi, Bluetooth und Diagnose-Schnittstellen.

Design und Test des Automotive-Ethernet

Assistenzsysteme: Moderne Fahrzeuge sind mit einer Fülle an Sensoren und Kameras ausgestattet. Damit die Daten schnell zum Bordnetz gelangen, ist eine breitbandige und latzenzarme Datenübertragung notwendig.
Assistenzsysteme: Moderne Fahrzeuge sind mit einer Fülle an Sensoren und Kameras ausgestattet. Damit die Daten schnell zum Bordnetz gelangen, ist eine breitbandige und latzenzarme Datenübertragung notwendig.
(Bild: Keysight)

Der Konformitätstests von Automotive-Ethernet sind entscheidend. Dabei sollten die Tests folgende Punkte umfassen:

  • Konformitätstests für Sender, Empfänger und Leitungen,
  • Konformitäts-, Integrations-, Protokollvalidierungs- und Leistungstests und
  • Sicherheitstests, die eine Verbindung zum Gerät über alle Schnittstellen und die Simulation von Angriffen durch Software, Regressionstests und Fuzzing einschließen.

Die wachsende Zahl von Anwendungen im Fahrzeug setzt höhere Bandbreiten voraus. Damit ändern sich auch weitere Anforderungen an das Bordnetz (IVN). Ethernet kann die Anforderungen erfüllen, da sich die Automotive-Ethernet-Technik und -Standardisierung ständig weiterentwickelt. Was als Lösung für die Luxusklasse von BMW begann, ist heute in den meisten Fahrzeugen allgegenwärtig. Die Automobilhersteller evaluieren bereits die nächste Version von Automotive Ethernet: Multi-Gig-Ethernet mit 2,5 bis 10 GBit/s. Denn die Anforderungen an die Bandbreite im Fahrzeug steigen beständig.

  • 1. Steigende Anzahl der ADAS-Sensoren: Kameras von etwa 10 auf 20 oder mehr für die Level 3 und 4 der Automatisierung.
  • 2. Unkomprimierte Rohdaten der Kameras. Komprimierte Daten führen zu einem Verlust der Bildqualität und erhöhter Latenzzeit. Das sorgt für höhere Kosten und belastet die Sensoren mit mehr Wärme.
  • 3. Steigende Auflösung der einzelnen Kameras von 720 auf 1.080 p und sogar 4K.
  • 4. Erhöhte Bildrate von 30 auf 60 fps.
  • 5. Erhöhte Farbtiefe von 8 auf 16, 20 und sogar 24 Bit/Pixel.

Bei einer Auflösung von 4K und mehr und einer Farbtiefe von 8 Bit wird Multi-Gig-Ethernet unumgänglich sein (siehe Tabelle).

Hres Vres fps 8 Bit [GBit/s] 12 Bit [GBit/s] 16 Bit [GBit/s] 20 Bit [GBit/s] 24 Bit [GBit/s]
3.840 2.160 30 1,99 2,99 3,98 4,98 5,97
3.840 2.160 60 3,98 5,97 7,96 9,95 11,95

Sensoren, Bordnetze und autonomes Fahren in Europa

Die Automobilindustrie trägt mit mehr als sieben Prozent des BIP der EU bei. Europäische Firmen und Forschungseinrichtungen investieren jährlich rund 61 Mrd. in Forschung und Entwicklung im Automobilsektor. Das entspricht 28 Prozent der gesamten Ausgaben für Forschung und Entwicklung in der gesamten EU. Europa führt zudem bei der Zahl der Patentanmeldungen im Automobilbau. Seit 2011 stammen mehr als 37 Prozent aller Anmeldungen aus der EU. Zum Vergleich: 34 Prozent kommen aus den USA, 13 Prozent aus Japan und drei Prozent aus China [1].

Ein gutes Projekt, um den Überblick über Sensoren und IVN-Anforderungen auf dem Automobilmarkt zu behalten, ist das auf drei Jahre angelegte und mit 51 Mio. Euro dotierte Projekt der EU mit dem Namen Prystine [2]. Das Projekt wird aus dem EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizont 2020 finanziert und umfasst 60 Partner, darunter Automobilhersteller wie BMW, Ford und Maserati sowie Halbleiterunternehmen wie Infineon Technologies und NXP Semiconductors.

Das Projekt nutzt die Sensorfusion von Radar und Lidar und die Integration von Signalverarbeitung und KI, um sicheres automatisiertes Fahren in komplexen Verkehrsszenarien zu ermöglichen – sowohl in städtischen als auch in ländlichen Umgebungen. Ziel ist es, von einem Fail-Safe-System zu einem Fail-Operational-System überzugehen und die Sicherheit aller in zukünftigen Fahrzeugen integrierten Komponenten wie Sicherheitssteuerungen, Sensoren, Radar, Lidar, Kameras und Computerplattformen zu verbessern.

Das Fahrzeug wacht über den Fahrer

In der EU sind bei 22 Prozent der tödlichen Verkehrsunfälle Fußgänger und bei acht Prozent Radfahrer beteiligt. Die von den Prystine-Anbietern entwickelten Anwendungen nutzen 360-Grad-Videoverarbeitung mit Surround-Kameras, um tote Winkel zu eliminieren, so dass gefährdete Verkehrsteilnehmer bereits gesehen werden, bevor sie in das direkte Sichtfeld des Fahrers gelangen.

Die Systeme im Fahrzeug sind damit in der Lage, den Fahrer rechtzeitig zu warnen. Damit wird sich die Zahl der Verkehrsunfälle weiter verringern. Außerdem wird sich das Verkehrsbewusstsein der Fahrer verbessern. Informationen aus der Verkehrsüberwachung, den Daten von fahrenden Autos und die Daten der Kameras zur Verkehrszeichenüberwachung wandern in ein Verkehrsmanagement-System. Dazu notwendig sind Hochgeschwindigkeitsnetze mit hoher Bandbreite und geringer Latenz. Hier sind Standards wie Multi-Gig-Ethernet entscheidend.

Ein Ausblick: ein Mensch, ADAS und Multi-Gig-Ethernet

Der US-Wirtschaftswissenschaftler Warren Bennis sagte einmal: „Die Fabrik der Zukunft wird nur zwei Mitarbeiter haben – einen Mensch und einen Hund. Der Mensch wird dazu da sein, den Hund zu füttern. Der Hund wird dafür da sein, den Mensch davon abzuhalten, die Maschinen anzufassen.“

Bennis könnte ähnliche Worte über das Auto der Zukunft gesagt haben: „Es wird nur drei Elemente haben – ein Mensch, ADAS und Multi-Gig-Ethernet. Der Mensch wird dazu da sein, das ADAS einzuschalten. ADAS wird dafür da sein, die Person vom Fahren des Autos abzuhalten. Und Multi-Gig-Ethernet wird dazu da sein, das ADAS zu vernetzen.“

Automatisiertes Fahren in fünf Stufen

Level 1: Das assistierte Fahren

- Der Fahrer beherrscht ständig sein Fahrzeug
- Der Fahrer muss den Verkehr ständig im Blick behalten
- Für Verkehrsverstöße und Schäden haftet der Fahrer
- Einzelne Assistenzsysteme unterstützen bei bestimmten Fahraufgaben

Level 2: Teilautomatisiertes Fahren

- Der Fahrer beherrscht ständig sein Fahrzeug
- Der Fahrer muss den Verkehr ständig im Blick behalten
- Der Fahrer haftet für Verkehrsverstöße und Schäden
- Unter definierten Bedingungen hält das Fahrzeug die Spur, bremst und beschleunigt

Level 3: Hochautomatisiertes Fahren

- Der Fahrer darf sich vorübergehend von Fahraufgabe und Verkehr abwenden
- In vom Hersteller vorgegebenen Anwendungsfällen fährt der Pkw selbstständig
- Der Fahrer muss auf Anforderung durch das System kurzfristig übernehmen

Level 4: Vollautomatisiertes Fahren

- Der Fahrer kann die Fahrzeugführung komplett abgeben und wird zum Passagier
- Das Fahrzeug bewältigt Fahrten auf bestimmten Strecken (Autobahn, Parkhaus) völlig selbstständig. Es darf dann auch ohne Insassen fahren
- Die Passagiere dürfen schlafen, ihr Smartphone verwenden oder Zeitung lesen
- Das System erkennt seine Grenzen so rechtzeitig, dass es regelkonform einen sicheren Zustand erreichen kann
- Die Passagiere haften während der vollautomatisierten Fahrt nicht für Verkehrsverstöße oder Schäden

Level 5: Autonomes Fahren

- Es gibt nur noch Passagiere ohne Fahraufgabe
- Fahrten ohne Insassen sind möglich
- Die Technik im Auto bewältigt alle Verkehrssituationen

Referenzen

[1] Driving Mobility for Europe. Facts about the automobile industry. Abgerufen am 26. August 2021.

Prystine. Programmable Systems for Intelligence in Automobiles. Abgerufen am 26. August 2021.

* Alan A. Varghese ist bei Keysight Technologies für Automotive Technology and Marketing verantwortlich.

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