MOST Unterhaltung und Information im Auto – ein Blick in die Zukunft

Autor / Redakteur: Rainer Klos * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die dritte Generation von MOST, dem Netzwerkstandard für Unterhaltung und Information im Auto, wurde mit MOST150 in den Markt eingeführt. Nun stellt sich die Frage, was die Zukunft bringt.

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MOST150: Die jüngste Generation des Multimedia-Busstandards ist mittlerweile am Markt etabliert. Was kommt nun als nächstes?
MOST150: Die jüngste Generation des Multimedia-Busstandards ist mittlerweile am Markt etabliert. Was kommt nun als nächstes?
(Bild: MOST Cooperation/Daimler)

Nachdem MOST 150 nun am Markt etabliert ist, stellen sich eine ganze Reihe von Fragen: Was kommt als Nächstes? Wohin geht das Netzwerk? Wie definieren sich die zukünftigen Anforderungen an das Datennetzwerk im Auto, welche Funktionen werden benötigt? Wie flexibel sollte ein solches Kommunikationsnetzwerk sein?

Um zukünftige Anwendungen einfach und nahtlos zu integrieren, wird ein flexibles und erweiterbares Netzwerk benötigt, das ein solides und robustes Rückgrat bietet. Beispielsweise kommt der wachsenden Zahl an IP-basierten Applikationen immer größere Bedeutung zu. Den Bedarf an Bandbreite bestimmen die Anwendungen wie etwa schnelle Software-Updates von diversen Kontrollgeräten, schneller Datenzugriff auf Massenspeicher (HDD/SSD) an Bord, mobile oder mit USB angeschlossene Unterhaltungselektronikgeräte sowie über WLAN oder LTE angebundene Car-to-X-Anwendungen.

Fahrerassistenz-Kamerasysteme erfordern die unkomprimierte Übertragung von Videodaten, was zusätzlich hohe Transferraten voraussetzt. Es ist wichtig, dass übliche Datenformate unterstützt werden. Außerdem sollte das Netzwerk-Konzept in Bezug auf die Geschwindigkeit inhärent skalierbar und erweiterbar sein. Die Anzahl und Eigenschaften der Datenkanäle und applikationsspezifischen Schnittstellen sollten entsprechend gewählt werden.

Die Anwendungen im Auto befinden sich im Umbruch. Der Rahmen von Infotainment erweitert und optimiert sich ständig – wie beispielsweise die Fondunterhaltung in HD-Qualität mit Blu-ray. Die Herausforderung besteht darin, mit den Entwicklungen der Konsumerindustrie und den Ansprüchen der Nutzer mitzuhalten: Die Vielfalt der Unterhaltungsanwendungen vergrößert sich schnell und die heutigen Nutzer führen einen digitalen Lebensstil, bei dem sie ihre digitalen Unterhaltungssysteme ständig bei sich tragen. Es ist daher notwendig, diese externen Systeme und Services an das Fahrzeugnetzwerk anzubinden. Der Fokus liegt dabei auf der effizienten und innovativen Migration der Funktionen der Unterhaltungselektronik wie Internetradio und -video sowie Onlineverbindungen über WiFi, UMTS und LTE.

Seit über zehn Jahren baut die Automobilindustrie auf den MOST Standard für die Audio- und Videokommunikation. Das Netzwerk war von Beginn an für das Datenstreaming zu verschiedenen Geräten konzipiert, um die Unterhaltungssysteme im Auto zu entlasten. Für die Kommunikation der Außenwelt mit dem Auto bekommt das Internetprotokoll immer größere Bedeutung, indem Datenströme in der IT-Welt verschiedene IP-Paket-basierte Protokolle nutzen. Der MOST Ethernet-Kanal passt in das „Open Systems Interconnect“ (OSI)- Referenzmodell für die Netzwerkkommunikation der Internationalen Standardisierungsorganisation ISO.

Bild 1: Modifiziertes OSI-Referenzmodell, das MOST und Ethernet beinhaltet
Bild 1: Modifiziertes OSI-Referenzmodell, das MOST und Ethernet beinhaltet
(Bild: MicroChip Technology)
Die neueste MOST Technologie verbindet Infotainment- und Daten-IP-Frames und entspricht den IEEE802.x-Spezifikationen (Bild 1). Mit MOST steht die passende Netzwerkarchitektur für eine große Bandbreite an aktuellen und zukünftigen IP-basierten Anwendungen wie beispielsweise der Unterstützung von Apps, Connected Services und allgemeinem Internetzugriff bereit. Das Netzwerk unterstützt sowohl Standards der Unterhaltungselektronik wie UPnP (Universal Plug-n-Play) und DLNA (Digital Living Network Alliance) als auch Fahrzeugdiagnose über IP (DoIP).

Fahrerassistenzsysteme werden immer beliebter

Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems – ADAS) werden immer beliebter und nach Aussage der euroFOT-Studie (Juni 2012) wird ihnen sogar eine positive Auswirkung auf das Fahrverhalten, die Kraftstoffeffizienz, die Verkehrssicherheit und Einsparungen bei den Gesamtkosten zugesprochen (www.eurofot-ip.eu). Die Zahl der Autos mit integrierten Fahrerassistenzfunktionen, wie Kamerasystemen, Abstandswarnungen und Spurhaltewarnungen, zusätzlich zu Informationsfunktionen wie Navigationssystemen, Verkehrsinformationen und Funktionswarnungen, wird schnell zunehmen.

Es besteht kein Zweifel daran, dass für die nahtlose Integration ein ADAS-Netzwerk notwendig ist. Auch besteht zwischen vielen OEMs und Tier 1-Zulieferern die Übereinstimmung, dass es im Elektrik-/Elektronik-ECO-System ein neues Cluster dafür geben wird. Ein flexibler Multikanal-Ansatz wie bei MOST bietet da eine ganzheitliche, optimale Systemlösung.

Die gegenwärtige MOST Technologie erfüllt bereits die Anforderungen für ein Verschmelzen von Infotainment mit der Fahrerassistenz und die zukünftigen Generationen werden noch wesentlich höhere Bandbreiten zulassen. Besonders Anwendungen, die die Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen, erfordern ein Netzwerk, das die einfache und nahtlose Integration in die Infotainment- und Fahrerassistenzdomänen unterstützt.

Anwendungen wie USB 3.0 brauchen hohe Bandbreiten

Wenn es um die Entwicklung neuer Funktionen und Merkmale, Geschwindigkeiten und Physical Layer geht, fließen in die Entscheidungen der MOST Cooperation immer die tatsächlichen Marktanforderungen einer breiten Nutzergruppe ein. Ziel ist dabei immer das technische und wirtschaftliche Optimum statt des technisch möglichen Extrems.

Die wahren Anforderungen definieren sich aus den Dateninhalten, von denen die Autohersteller erwarten, dass sie tatsächlich ins Auto eingebracht werden. Dazu müssen die gesamten Systemkosten betrachtet werden, einschließlich einem für Automotive qualifizierten Netzwerkschnittstellen-Controller, dem physischen Medium und dem Steckverbindersystem. Die Herausforderung besteht darin, die Balance zwischen der höchsten Datenrate, Robustheit und Kosten zu finden. Die Größe der Bandbreite resultiert hauptsächlich aus den Anforderungen für die unkomprimierte Übertragung von Kamerasignalen, Monitorinhalten und Hochgeschwindigkeits-Anwendungen wie USB 3.0. Als Konsequenz dieser Faktoren werden als Bandbreite für die nächste MOST-Generation 5 Gbit/s untersucht.

Zusätzlich zur Geschwindigkeit des Datennetzes müssen auch die Schnittstellen des Netzwerkschnittstellen-Controllers zur CPU oder GPU betrachtet werden: Ansteigende Datenraten, Flaschenhälse und folglich Datenstaus sind zu erwarten. Über effiziente allgemeine Schnittstellen wie USB oder PCI hinaus besteht für die Übertragung von unkomprimierten oder komprimierten Video- und Audiodaten Verbesserungsbedarf in Form von applikationsspezifischen Schnittstellen.

Damit lassen sich die Daten ohne Protokoll-Overhead, zusätzliche CPU-Datenlast oder die Unsicherheiten von Software-Stacks direkt von einer Quelle zur Senke transportieren. Im Gegensatz zu den meisten Netzwerken benötigt MOST keine zusätzlichen Kommunikationsprozessoren, gewährleistet dafür aber den Transport von applikationsspezifischen Datenströmen mit garantierter Bandbreite und Latenz, die die Multiplexarchitektur inhärent bereitstellt.

Ein skalierbarer Physical Layer ist erforderlich

Mit der anvisierten Datenübertragungsrate von 5 Gbit/s über den optischen Physical Layer überschreiten wir die Grenzen der optischen Polymerfaser (POF), die MOST bisher eingesetzt hat. Daher untersuchen verschiedene Unternehmen bereits die Automobil-Tauglichkeit der Glasfasertechnologie, die in der Unterhaltungs- und Telekommunikationsindustrie bereits erfolgreich im Einsatz ist. Im elektrischen Bereich bietet der Koaxialstandard, der kürzlich für MOST vorgestellt wurde, einen skalierbaren Physical Layer.

Damit eröffnen sich auch neue Möglichkeiten im Automobilbereich und insbesondere für die Fahrerassistenz, da dieser Physical Layer die bidirektionale Kommunikation und Stromversorgung über dasselbe Kabel erlaubt. Koaxial ist das Standardkabel der Industrie für die Übertragung hochfrequenter Signale. Der Standard bietet inhärente Abschirmung sowie kostengünstige und standardisierte Kabel und Verbindungen. Die Symmetrie ermöglicht die automatisierte Steckermontage mit niedrigeren Montagekosten als bei geschirmten, verdrillten Kupferkabeln (STP). In Abhängigkeit von Bandbreite und der Kabel/Verbinder-Qualität ist es für Entfernungen bis 100 m reflexionsarm. Der Koaxialstandard funktioniert bereits bis zu mehreren Gigabit und ist voll in den INIC integriert. Damit bietet der Koaxialstandard den EMV-sicheren und kostengünstigen elektrischen Physical Layer für MOST (Bild 2).

Bild 2: Koaxialkabel sind voll symmetrische Leiter für gut kontrollierte Impedanz mit einem inneren Kabel und äußerer Abschirmung, was die automatisierte Steckermontage vereinfacht
Bild 2: Koaxialkabel sind voll symmetrische Leiter für gut kontrollierte Impedanz mit einem inneren Kabel und äußerer Abschirmung, was die automatisierte Steckermontage vereinfacht
(Bild: MicroChip Technology)
Das zukünftige Netzwerk im Fahrzeug benötigt eine leistungsstarke und skalierbare Multiplex-Architektur mit freier Topologie-Anordnung. Mit dem erweiterbaren Multiprotokoll-Ansatz können über die unterschiedlichen MOST Kanaltypen verschiedene Datenarten transportiert werden. Für jedes Protokoll stehen entsprechende Schnittstellen zur Verfügung, beispielsweise I2S, RGB, I2C, TSI, PCIe und USB. Darüber hinaus ist der Mechanismus flexibel und kann mit weiteren Kanälen für zukünftige Protokolle erweitert werden.

Bild 3: MOST der nächsten Generation: einfach erweiterbar
Bild 3: MOST der nächsten Generation: einfach erweiterbar
(Bild: MicroChip Technology)
Auch in Bezug auf die Topologie ist alles möglich: Von Stern über Kette bis Baum können unterschiedliche Topologien zusammengestellt und auch miteinander kombiniert werden (Bild 3). Der Multiport-Schnittstellencontroller von Microchip weist jedem Zweig die wirkliche, volle Bandbreite zu. Mit bis zu acht MOST150 Netzwerk-Ports und voll unterstützten 150 Mbit/s Datenströmen pro Port steht bereits heute eine Gesamtbandbreite von bis zu 1,2 Gbit/s bereit. Es ist eine zusätzliche Standard-Hochgeschwindigkeitsschnittstelle integriert, die zu allen modernen Schnittstellen kompatibel ist, die von leistungsstarken Mediaprozessoren in Multimedianwendungen oder Fahrerassistenz benutzt werden. Die verschiedenen Zweige können dann in Ringen oder Reihe aufgebaut werden und können hot-plugged oder unterbrochen werden, ohne die Datenkommunikation im Rest des Systems zu beeinflussen.

Bild 4: Der Multiport-Schnittstellencontroller weist jedem Zweig die wahre, volle Bandbreite zu
Bild 4: Der Multiport-Schnittstellencontroller weist jedem Zweig die wahre, volle Bandbreite zu
(Bild: MicroChip Technology)
Eine solche Architektur eignet sich auch für Anwendungen wie Fahrerassistenz, die eine reine Sternarchitektur erfordern (Bild 4). Um das Netzwerk weiter zu vereinfachen, ist eine neue „Remote Control“-Funktion implementiert. Damit ist es möglich, die Zahl der Mikrocontroller und Speicher in kleinen und mittleren Systemen zu reduzieren, da sie in Peripheriegeräten wie etwa Displays und Kameras oder auch Verstärkern entfallen können. Die äußeren Knoten können von einem zentralen Mikrocontroller beispielsweise in der Headunit ferngesteuert werden. Der Verzicht auf die weiteren Mikrocontroller und Speicher reduziert die Systemkosten wesentlich. Sitzt die gesamte Steuerung in der Headunit, vereinfacht sich zudem auch der Entwicklungsprozess bedeutend, da nur eine Software entwickelt werden muss.

Bild 5: Fernsteuerungsfunktion macht Mikrocontroller und Software in äußeren Knoten überflüssig
Bild 5: Fernsteuerungsfunktion macht Mikrocontroller und Software in äußeren Knoten überflüssig
(Bild: MOST Cooperation)
Diese Art der Gerätearchitektur senkt die Kosten auf der Seite der ferngesteuerten Geräte signifikant und unterstützt die Optimierung in den Bereichen der Systempartitionierung, dem Platzbedarf auf den Leiterplatten oder sogar der Verlustleistung in den Geräten (Bild 5).

Netzwerkarchitektur für die gesamte Kommunikation im Auto

Wie sähe es aus, wenn die zukünftige Netzwerkarchitektur im Auto wieder von Anfang an entwickelt werden würde? Die Evolution von MOST begann mit der Übertragung von Audiodaten. MOST ist ein synchrones Netzwerk, weil diese Architektur die höchste Audioqualität bei minimalem Aufwand liefert. Die erste MOST Generation startete als Unterhaltungsnetzwerk und wurde nach ein paar Jahren zu einem Infotainment-Netzwerk erweitert, weil Navigationssysteme entwickelt und Autos mit dem Internet verbunden wurden.

Mit dem Ziel, eine Netzwerkarchitektur für die gesamte Kommunikation im Auto und nicht nur den Transport von Internetdaten zu definieren, sollten einige Echtzeit-Fähigkeiten ergänzt werden. Angenommen, einige Ereignisse oder Befehle müssen in Echtzeit über das Netzwerk verschickt werden, werden diese kurzen Kontrollmitteilungen im Kommunikationskanal in eine Warteschlange gestellt, wobei die Latenz wahrscheinlich länger wird, als es für solche Kontrollaufgaben akzeptabel ist. Folglich benötigt man Mechanismen, um größere Pakete aufzuteilen, damit Echtzeitnachrichten zwischendurch in den Kommunikationskanal gelassen werden, um eine akzeptable Latenz zu ermöglichen.

Eine typische Herangehensweise, die in einer Zahl von industriellen Ethernetversionen eingesetzt wird, ist die Aufteilung der Übertragungszeit in Zeitfenster und die weitere Unterteilung dieser in Bereiche für Echtzeit- und bestmöglicher Kommunikation. Damit ist die Kommunikation immer noch Paket-basiert, aber es gibt klar definierte Zeiten zwischendurch, in denen Echtzeitkommunikation möglich ist. Damit ist garantiert, dass Echtzeit-Kontrollnachrichten eine Chance haben, um durch den Kanal zu gelangen und eine garantierte maximale Latenz wird erreicht.

Ist die Übertragung in Zeitframes aufgeteilt dann ist es naheliegend einen weiterern Bereich für synchrones und isochrones Datenstreaming zu definieren. Das bietet den einfachsten und effektivsten Weg, um Audiodaten in höchster Qualität zu übertragen oder um garantierte Bandbreite für Videoströme bereitzustellen.

Im MOST Netzwerk der nächsten Generation wird die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht, aber die zugrundeliegenden Architekturprinzipien werden beibehalten. Der Basis-Zeitrahmen bleibt bei 20 µs, aber die Zahl der Bytes pro Rahmen wird entsprechend der Netzwerkgeschwindigkeit erhöht. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 5 Gbit/s werden die MOST Frames mehr als 10 KByte enthalten. Das erlaubt die Erweiterung bestehender Kanäle und die Ergänzung neuer Kanäle.

Weitere Audio- und Videokanäle mit viel höherer Bandbreite können für die Übertragung unkomprimierter Videodaten ergänzt werden. Denkbare Erweiterungen der bestehenden Kanäle könnten beispielsweise ein zweiter Kontrollkanal sein, der für Systemmanagement reserviert ist, oder ein separater Ethernetkanal, um vertrauenswürdigen und nicht vertrauenswürdigen IP-Verkehr in einem vollkommen geschützten und Hacker-sicheren Bereichen voneinander zu trennen.

Die nächste MOST Generation wird auch zwei weitere einmalige Eigenschaften von MOST beibehalten und erweitern: Routing-Fähigkeiten und applikationsspezifische Schnittstellen. Applikations- und datenspezifische Schnittstellen wie I2S für Audio oder TSI für Video erlauben die Datenübermittlung an Geräte auf höchst effektive Art und Weise. Keine CPU muss Pakete filtern und keine Software-Stacks sind dazwischen.

Die kommenden Schnittstellencontroller werden alle geläufigen datenspezifischen Schnittstellen unterstützen und sie werden zudem Mehrzweck-Schnittstellen wie PCIe, USB oder MediaLB haben. Für neue Datentypen werden Applikationsschnittstellen für unkomprimiertes Video, wie beispielsweise YUV oder MIPI, MII/GMII Schnittstellen für die Ethernet-Kommunikation ergänzt. Die kommenden Netzwerk-Controller werden auch flexible Routing-Fähigkeiten zwischen Schnittstellen und Netzwerk, aber auch zwischen unterschiedlichen Schnittstellen haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die zukünftige Netzwerkkommunikation in Fahrzeugen mit einer Netzwerkgeschwindigkeit von 5 Gbit/s an die steigenden Bandbreite-Anforderungen anpassen wird. Für den Physical Layer stehen dem Hersteller optische und elektrische Varianten zur Auswahl. Für den optischen Physical Layer wird Glasfaser in Betracht gezogen. Als elektrischer Physical Layer ist Koaxialkabel die bevorzugte Lösung, da es neue Funktionalitäten wie die bidirektionale Datenübertragung und Stromversorgung über dasselbe Kabel bietet. Dank der Multiplex-Architektur mit leistungsfähigen Schnittstellen, Multiprotokoll-Kanälen, Synchronizität und niedriger Netzwerklatenz ist die MOST Architektur bereit für die Zukunft.

* Rainer Klos ist Director Engineering bei Microchip Technology und Administrator der MOST Cooperation. Er arbeitet seit 1995 an der Entwicklung von Netzwerkstandards, ICs, Software und Tools für MOST.

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