GERT021A October   2023  – December 2025 DP83TC815-Q1 , DP83TD555J-Q1 , DP83TG720S-Q1

 

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    2.     Anforderungen an die Bandbreite in einer Zonenarchitektur
    3.     Multi-Gigabit-Ethernet in einer Zonenarchitektur
    4.     PHYs in einer Zonenarchitektur
    5.     Fazit
    6.     Weitere Ressourcen

Zonenarchitektur und Ethernet stellen die Zukunft von Fahrzeugnetzwerken dar. Neue Funktionen in Fahrzeugen sowie der Trend zur Aufnahme von Sensoren und Aktoren in Zonensteuermodule erfordern ein Kommunikationsnetz mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz im Fahrzeug. Eine Zonenarchitektur mit Ethernet bahnt dem wachsenden Trend zum softwaredefinierten Fahrzeug den Weg.

Die meisten Fahrzeuge werden heute mit einer Art von Architektur hergestellt, die Verkabelung und elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) umfasst und als Domänenarchitektur bezeichnet wird. Eine Domänenarchitektur kategorisiert ECUs unabhängig von ihrer physischen Position im Fahrzeug anhand bestimmter Funktionen in Domänen.

Im Gegensatz zu einer Domänenarchitektur organisiert eine Zonenarchitektur Kommunikation, Stromverteilung und Laststeuerung anhand ihrer Position statt ihrer Funktion, wie in Abbildung 1 gezeigt. Ein Zonensteuermodul fungiert als Netzwerkdatenbrücke zwischen dem Computersystem des Fahrzeugs und lokalen Edge-Knoten wie intelligenten Sensoren und ECUs. Um die Verkabelung im Fahrzeug zu verringern, verteilt ein Zonensteuermodul außerdem die Leistung an verschiedene Edge-Knoten (durch Implementierung intelligenter Halbleitersicherungen), übernimmt das Low-Level-Computing und steuert lokale Lasten wie Motoren und Beleuchtung.

Beispiel einer ZonenarchitekturAbbildung 1 Beispiel einer Zonenarchitektur

Zonen-Steuermodule übertragen Daten von verschiedenen Sensoren und ECUs über ein Edge-Knoten-Kommunikationsnetzwerk und leiten die kombinierten Sensordaten über die Backbone-Kommunikation an das zentrale Computersystem weiter. Gleichermaßen übertragen die Zonensteuermodule vom zentralen Computersystem erhaltene Daten mittels der Backbone-Kommunikation und über ein Edge-Knoten-Kommunikationsnetzwerk an verschiedene Aktuatoren. Diese bidirektionale Kommunikation zwischen dem zentralen Computersystem und den Zonensteuermodulen erfordert ein Kommunikations-Backbone mit hoher Bandbreite und kurzer Latenzzeit, um die große Menge an Daten zu verarbeiten, die von Funktionen wie mehreren Sensoren für fortschrittliche Fahrassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance System, ADAS), der Fahrzeugbewegungssteuerung und adaptivem Fernlicht erzeugt werden.

Anforderungen an die Bandbreite in einer Zonenarchitektur

Lassen Sie uns die Ethernet-Nutzung nach Anwendung aufschlüsseln, um den Mehrwert des Einsatzes von Ethernet in Fahrzeugen besser zu verstehen. Das neu definierte Single-Pair-Ethernet unterstützt Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s, definiert durch das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.3cg (10 Mbit/s), IEEE 802.3bw (100 Mbit/s), IEEE 802.bu (1 Gbit/s) und IEEE 802.3ch (10 Gbit/s). Alle diese neuen Ethernet-Technologien arbeiten über ein Single-Pair-Kabel und können über Entfernungen von bis zu 15 m kommunizieren, was ausreichend ist, um die längste Verbindung in einem Fahrzeug abzudecken. Ethernet kann zudem die Zeitsynchronisierung von Sensordaten mithilfe von Zeitstempeln nach IEEE 802.1AS ermöglichen, um eine kurze Latenzzeit zu erreichen.

Zwar ist Ethernet in der Lage, extrem hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, diese Geschwindigkeiten sind jedoch nicht in jedem Kontext erforderlich. So benötigt beispielsweise die Kommunikation mit dem Türsteuermodul oder dem Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystem keine Datenrate von 100 Mbit/s. Ein Ethernet-PHY mit 10 Mbit/s wie der DP83TD555J-Q1 oder alternative Netzwerkprotokolle wie Controller Area Network (CAN) sind für Anwendungsfälle mit geringerer Geschwindigkeit und niedrigeren Anforderungen an die Bandbreite besser geeignet. So bleiben höhere Geschwindigkeiten der Übertragung aggregierter Kamera- und autonomer Fahrsensordaten von den Zonensteuermodulen an das zentrale Computersystem vorbehalten. Abbildung 2 zeigt, wo die verschiedenen Geschwindigkeiten von Ethernet in einer Zonenarchitektur verwendet werden können.

Ethernet in einer ZonenarchitekturAbbildung 2 Ethernet in einer Zonenarchitektur

Lassen Sie uns anhand von Abbildung 2 die Kommunikationsgeschwindigkeiten für Radar-, Lidar-, Kamera- und Karosserieanwendungen genauer betrachten. Wenn das Radar- oder Lidar-System-on-a-Chip (SoC) die Daten verarbeitet, werden die Lidar- oder Radardaten üblicherweise über CAN, Ethernet mit 10 Mbit/s oder Ethernet mit 100 Mbit/s an das Zonensteuermodul kommuniziert. Wenn nur Daten der ersten oder zweiten Schicht verarbeitet werden, werden die Radar- und Lidar-Daten per Ethernet mit 100 Mbit/s bis 1 Gbit/s an das Zonenmodul oder den zentralen Computer kommuniziert. Das Senden von Lidar- oder Radar-Rohdaten zur Verarbeitung an das zentrale Computersystem extrahiert durch die Fusion verschiedener Sensoren weitere Informationen. Die Übertragung einer solch großen Menge an Rohdaten erfordert eine höhere Bandbreite, in der Regel ein Serialisierer/Deserialisierer-Protokoll (SerDes) oder Ethernet mit mindestens 2,5 Gbit/s.

Bei Kameras ist ein SerDes wie Flat Panel Display Link (FDP-Link) das am besten geeignete Protokoll, wenn ein erhöhtes ADAS-Datenniveau alle Rohdaten der Frontkamera zur Nachverarbeitung erfordert.

Wenn die Daten von der Frontkamera komprimiert werden können und Sie dieses erhöhte Niveau von ADAS-Daten nicht benötigen, ist Ethernet mit 100 Mbit/s eine Alternative.

Karosserie-Domänenmodule wie Türgriffsensoren, Fensterheber-Steuermodule und Seitenspiegel-Steuermodule verwenden üblicherweise die CAN- und LIN-Protokolle (Local Interconnect Network) für die Kommunikation, da diese keine hohe Bandbreite benötigen. Obgleich Entwickler weiterhin CAN und LIN verwenden, schafft der vermehrte Einsatz von Ethernet in Fahrzeugen ebenfalls Raum für 10BASE-T1S-Multidrop-Ethernet mit 10 Mbit/s. Ethernet ist traditionell eine Punkt-zu-Punkt-Topologie, 10BASE-T1S-Ethernet ist jedoch der erste Ethernet-Standard, der Funktionen über eine Bus-Topologie ermöglicht.

Multi-Gigabit-Ethernet in einer Zonenarchitektur

Wie sieht eine mögliche Weiterentwicklung der Zonenarchitektur aus? Sie beginnt mit der Aggregation von Karosserie-Domänendaten, der Integration der Energieverteilung und der Zentralisierung des Computings. Im Laufe der Zeit werden Zonenarchitekturen mit der Aggregation von Daten aus anderen Domänen wie ADAS und Infotainment beginnen. Das Ziel besteht darin, alle Domänen in die Zonenarchitektur zu integrieren. Unabhängig davon, zu welcher Domäne die Daten gehören, nutzen das Zonensteuermodul und zentrale Computersystem weiterhin dasselbe Backbone-Kommunikationsnetzwerk zur Datenübertragung. Audio ist ein vorrangiges Ziel für den Umstieg auf Zonensteuerungsmodule, da es möglich ist, Audiodaten unter Verwendung von Standards für Audio-Video-Bridging über Ethernet zu übertragen.

Karosserie-Domänenfunktionen erfordern in der Regel 10 Mbit/s oder weniger. Da ADAS- oder Fahrzeug-Infotainment-Funktionen wie Radar, Lidar, Audio und Kameras jedoch in die Zonenarchitektur integriert werden, müssen die Anforderungen an Geschwindigkeit und Bandbreite steigen bzw. kann sich die Ethernet-Backbone-Topologie von stern- zu ringförmig ändern, um die Menge an sicherheitskritischen und zeitkritischen Sensordaten aufzunehmen.

Audio erzeugt ca. 1,5 Mbit/s pro Kanal; ein Radarsensor erzeugt in der Regel 0,1 Mbit/s bis 15 Mbit/s. Lidar erzeugt 20 Mbit/s bis 100 Mbit/s. Kameras erzeugen mit 500 Mbit/s bis 3,5 Gbit/s die größten Datenmengen. Moderne Fahrzeuge verfügen in der Regel über vier bis sechs Radarsensoren, einen bis fünf Lidar-Sensoren, zwölf bis 20 Audiolautsprecher, zwölf bis 16 Audiomikrofone und sechs bis zwölf Kameras. Tabelle 1 zeigt den Bereich der von den einzelnen Typen generierten Daten an.

Tabelle 1 In einer Zonenarchitektur generierte Daten
Typ Generierte Daten Anzahl von Sensoren Niedrig Mittel Hoch
Audio-Lautsprecher 1,5 Mbit/s 12 bis 20 3,2 Mbit/s 24 Mbit/s 30 Mbit/s
Audiomikrofon 1,5 Mbit/s 12 bis 16 3,2 Mbit/s 21 Mbit/s 24 Mbit/s
Radar 0,1–15 Mbit/s Vier bis sechs 0,4 Mbit/s 35 Mbit/s 90 Mbit/s
Lidar 20–100 Mbit/s Eins bis fünf 20 Mbit/s 100 Mbit/s 500 Mbit/s
Kamera 500 Mbit/s – 3,5 Gbit/s Sechs bis zwölf 3 Gbit/s 9 Gbit/s 42 Gbit/s

Die Summe der erzeugten Daten ist für die Tendenz zu Ethernet mit 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s bei Erstausrüstern (Original Equipment Manufacturers, OEMs) verantwortlich. Die Zonenarchitektur benötigt ein Backbone-Kommunikationsnetzwerk, das die enormen Datenmengen, die von ADAS-Sensoren erzeugt werden, an das zentrale Computersystem übertragen kann. Unkomprimierte Kameradaten gehen bereits über die aktuellen Fähigkeiten von Ethernet hinaus, und die Auflösung sowie Pixelanzahl von Kameras wächst auch weiterhin kontinuierlich. Mit zunehmender Autonomie der Fahrzeuge werden immer mehr Sensoren eingesetzt. Somit wächst auch die Bandbreite, die zur Unterstützung einer höheren Kameraauflösung sowie der Sensoren erforderlich ist.

Die von OEMs geforderten Ethernet-Geschwindigkeiten unterscheiden sich wahrscheinlich aufgrund der Übergangszeitpläne für die Integration verschiedener Funktionen in das Zonensteuermodul. Die Audiowiedergabe auf Innenlautsprechern ist einer der ersten domänenübergreifenden Datentypen, die für den Einsatz auf dem Ethernet-Backbone übernommen wurden. Dies ist wahrscheinlich auf eine vergleichsweise geringere Datengenerierung zurückzuführen, da 20 Audiolautsprecherkanäle etwa 30 Mbit/s erzeugen. Ein bestehendes Ethernet-Backbone mit 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s kann Audiowiedergabedaten problemlos aufnehmen. Insgesamt gilt: je mehr höhere Datenfunktionen in Zonensteuermodulen, desto höher die Anforderungen an die Bandbreite.

Der Einsatz von Ethernet als Backbone für eine Zonenarchitektur ermöglicht es Fahrzeugen, mehr Daten über das interne Fahrzeugnetzwerk zu übertragen, wenn eine Verbindung zum Internet oder zu Remote-OEM-Servern hergestellt wird. Dies ermöglicht abonnementbasierte Dienste und Fahrzeugdiagnosen durch aus der Ferne durchgeführte Firmware-Over-the-Air-(FOTA)-Aktualisierungen. FOTA-Aktualisierungen ermöglichen verschiedene Hardware- und Software-Aktualisierungszyklen, die aufgrund der Unabhängigkeit der Sensoren und Aktoren vom zentralen Rechenknoten asynchron sein können. Eine FOTA-Aktualisierung kann auch zusätzliche Funktionen und Sicherheitsverbesserungen übermitteln, ohne dass auf ein neues Modell gewartet oder das Fahrzeug in die Werkstatt gebracht werden muss. Sowohl der OEM als auch Kunde profitieren hiervon, da der OEM die Kontrolle über die Aktualisierung des Fahrzeugs mit zusätzlichen Funktionen nach der Einführung hat und der Kunde weniger durch Fahrten zu einem Händler zur Aktualisierung der Firmware belästigt wird.

PHYs in einer Zonenarchitektur

Ethernet erfordert den Einsatz von PHYs zum Senden und Empfangen von Hochgeschwindigkeitsdaten. Ethernet-PHYs für die Automobilindustrie beseitigen viele der Probleme von Ethernet als Backbone der Verkabelung in Fahrzeugen, wie z. B. eine schlechte Signalqualität in einer solch volatilen Umgebung. Ethernet-PHYs von Texas Instruments (TI) können in einem Temperaturbereich von –40 °C bis 125 °C gemäß den Standards des Automotive Electronics Council Q100 Grade 1 betrieben werden.

Ethernet-PHYs müssen außerdem die Ethernet-Konformitätsstandards einhalten und sicherstellen, dass sie bestimmte Interoperabilitäts- und Zuverlässigkeitsstandards in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit und elektromagnetische Störungen sowie die IEEE-Konformität gemäß den Standards Open Alliance TC1 und TC12 für den Einsatz in Fahrzeugumgebungen erfüllen. Mit fortschrittlichen Diagnosefunktionen wie Signalqualitätsanzeige, Zeitbereichsreflektometrie und Sensoren für elektrostatische Entladung können PHYs erkennen, wenn Fehler auftreten, diese Fehler identifizieren und es dem Hostsystem ermöglichen, proaktiv zu reagieren. Im Falle einer elektrostatischen Entladung (Electrostatic Discharge, ESD) sendet die PHY beispielsweise ein Interrupt-Signal an das SoC und den Media Access Control, um das Ereignis an diese zu melden, und überprüft im Anschluss andere Teile im System.

Ethernet-PHYs können zudem Remote-ECUs über das Single-Pair-Ethernet-Kabel mithilfe der Wake- und Sleep-Technologie der OpenAlliance-TC10-Spezifikation aktivieren. So wird keine separate Leitung benötigt, um die ECUs aus dem Ruhemodus aufzuwecken. IEEE 802.1AE Media Access Control Security (MACsec) könnte ebenfalls eine wichtige Technologie sein, um die Authentifizierung von Netzwerk-ECUs zu ermöglichen und Daten zu verschlüsseln/entschlüsseln. So könnten Cyberangriffe vermieden werden, welche die größte Bedrohung für Fahrzeugnetzwerke darstellen.

Zusätzliche Ethernet-PHYs umfassen:

  • Die 100BASE-T1-PHYs DP83TC812-Q1, DP83TC815-Q1 und DP83TC814-Q1 von TI verfügen über Funktionen der nächsten Generation, die für Luxusfahrzeuge geeignet sind, während der kleinere 100BASE-T1-PHY DP83TC813-Q1 für Fälle attraktiv sein kann, in denen der Platz auf der Leiterplatte knapp ist. Der DP83TG720-Q1 und DP83TG721-Q1 können Zonenmodule mit datenintensiven Funktionen wie dem zentralen Computersystem und der Telematik-Steuereinheit verbinden, sodass Reserven für die Aufnahme zusätzlicher Funktionen in spätere Modelle zur Verfügung stehen, ohne intensive Änderungen am Kabelbaum vorzunehmen. Gemeinsam öffnen diese PHYs die Tür für fortschrittlichere und leistungsfähigere Fahrzeuge auf der Straße.
  • Das Portfolio von Single-Pair-Ethernet-PHYs von TI ist so konzipiert, dass es mit den 100BASE-T1- und 1000BASE-T1-PHYs von TI Footprint- oder Pin-zu-Pin-kompatibel ist. Ein Design mit einer einzigen Platine ermöglicht Upgrades des Funktionsumfangs oder der Bandbreite bei zukünftigen Entwicklungen ohne Veränderungen der Hardware. Dieses Konzept trägt dazu bei, die Entwicklungszyklen zu beschleunigen, die Anforderungen verschiedener OEMs zu erfüllen und die Markteinführungszeit zu verkürzen, wodurch Kosten für F&E eingespart werden.
  • Der 10BASE-T1S-MAC-PHY DP83TD555J-Q1 für serielle Peripherieschnittstellen lässt sich nahtlos in bestehende Ethernet-Backbone-Netzwerke integrieren, wodurch Gateways zur Protokollkonvertierung und die entsprechende Latenz sowie der damit verbundene Verarbeitungsaufwand bei der Verbindung herkömmlicher CAN/LIN-Edge-Knoten eliminiert werden. Der Baustein unterstützt Power over Data Line und liefert sowohl Strom als auch 10 Mbit/s Daten über ein einziges Twisted-Pair-Kabel, was das Kabelgewicht und die Systemkosten reduziert. Die integrierte PHY-Kollisionsvermeidung erlaubt deterministische Planung mit garantierten Übertragungsmöglichkeiten für jeden Netzwerkknoten und gewährleistet so ein vorhersehbares Kommunikations-Timing. Die größeren Ethernet-Frame-Nutzlasten erlauben die Extraktion größerer Datenmengen und vielfältigerer Datentypen aus ECUs in der Peripherie des Fahrzeugs. Dies ermöglicht erweiterte Diagnosefunktionen und Over-the-Air-Aktualisierungen unter Beibehaltung der Echtzeitleistung.

Fazit

Fortschritte in der Ethernet-Technologie für die Automobilindustrie werden es Automobilherstellern ermöglichen, mehr Funktionen und Fähigkeiten für neue Fahrzeuge bereitzustellen. Eine Zonenarchitektur mit Ethernet trägt dazu bei, den Übergang zu softwaredefinierten Fahrzeugen zu beschleunigen, indem sie die Datenkapazität bereitstellt, die für die nächste Welle autonomer Funktionen benötigt wird – für sicherere und intelligentere Fahrzeuge auf der Straße.

Weitere Ressourcen