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100BASE-T1-Ethernet –Die Entwicklung der Automobil-Netzwerke

| Autor / Redakteur: Donovan Porter / Benjamin Kirchbeck

100BASE-T1 ist der erste Automotive-spezifische Ethernet-Standard, der auf die Anforderungen von Fahrzeugnetzwerken ausgerichtet ist.
100BASE-T1 ist der erste Automotive-spezifische Ethernet-Standard, der auf die Anforderungen von Fahrzeugnetzwerken ausgerichtet ist. (Bild: Bosch)

Kfz-Bordnetze werden immer komplexer, und die Zahl der ECUs (Electronic Control Units) nimmt stetig zu. Da die ECUs in weit größerem Ausmaß Echtzeitdaten teilen, wachsen die Anforderungen an die Netzwerk-Bandbreite. Um dem Rechnung zu tragen, haben sich die Autobauer mit führenden IC-Herstellern und Systementwicklern zusammengetan. Ziel war die Schaffung eines völlig neuen, speziell für Kommunikations-Netzwerke in Kraftfahrzeugen ausgelegten Ethernet-Standards.

Die IEEE-Norm 802.3bw (auch unter der Bezeichnung 100BASE-T1 bzw. zuvor als BroadR-Reach bekannt) ist ein Automotive-Ethernet-Standard mit 100 MBit/s, der dafür gedacht ist, den Datendurchsatz zu steigern, den strengen Schadstoffausstoß-Vorschriften für Automobile gerecht zu werden und das Gewicht und die Kosten der Verkabelung von Automotive-Netzwerken zu senken. Per Superposition und mithilfe spezieller Codierungs- und Scrambling-Verfahren sorgt 100BASE-T1 für weniger elektromagnetische Interferenzen (EMI) und senkt das Gewicht, die Kosten und den Platzbedarf gegenüber den Ethernet-Standards 10BASE-T und 100BASE-TX.

Dass die Bordnetze der Automobile im Laufe der Jahre immer komplexer geworden sind, ist hauptsächlich auf die Fortschritte im Infotainment, bei den Fahrassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS), im Antriebsstrang und in der Karosserie-Elektronik zurückzuführen. Diese Systeme verlangen nach schnelleren Kommunikations-Netzwerken, da in heutigen Fahrzeugen eine enorme Menge an Echtzeitdaten und Firmware bzw. Software zwischen den ECUs geteilt wird. IEEE 802.3bw (100BASE-T1) ist ein neues PHY-Kommunikationsprotokoll (Physical Layer), das von Automobilherstellern gemeinsam mit führenden IC-Herstellern und Systementwicklern entwickelt wurde.

100BASE-T1 ist die richtige Lösung für erhöhten Bandbreitenbedarf bei Übertragungsraten von 100 MBit/s über ein ungeschirmtes Single-Twisted-Pair-Kabel. Mit Techniken wie zum Beispiel Superposition, Codierung und Scrambling (sowie einigen passiven Bauelementen) reduziert 100BASE-T1 das Gewicht, die Kosten und den Platzbedarf gegenüber traditionellen Fast-Ethernet-Lösungen (100BASE-TX). Der vorliegende Beitrag soll auf Basis der Datentypen in Automotive-Netzwerken mögliche Anwendungsfälle von 100BASE-T1 in Automotive-Systemen ausloten und zeigen, wie der Physical Layer im Unterschied zu früheren Ethernet-Standards ein Automotive-qualifiziertes Netzwerk ergibt.

Ethernet im Automotive-Bereich

Ethernet ist ein seit langem existierendes, populäres Kommunikations-Protokoll für kommerzielle und industrielle Anwendungen. Bis zur Einführung von 100BASE-T1 konnte es sich jedoch im Automobilbereich noch nicht nennenswert durchsetzen. In einigen Fahrzeugen kam 100BASE-TX für OBD-Auslesegeräte (On-Board Diagnosis) zum Einsatz, jedoch brachte es 100BASE-TX innerhalb des Automobil-Ökosystems zu keinem Wachstum, da es zwei Twisted-Pair-Kabel erfordert und nicht die strikten Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen gemäß CISPR 25 Klasse 5 erfüllt.

100BASE-T1 wurde dagegen nach den Anforderungen von Automobil-Systemen entwickelt. Es benötigt nur ein ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel zum Senden und Empfangen von Daten mit 100 MBit/s über Entfernungen von mindestens 15 m. Das Emissionsprofil hält die Grenzwerte gemäß CISPR 25 Class 5 Annex G (Stripline-Methode) ein und erfüllt auch andere Emissions-Standards (z. B. TC8 der Open Alliance. 100BASE-T1 standardisiert das Bord-Ökosystem auf eine einzige Netzwerkarchitektur, vereinfacht damit die gesamte Kommunikation zwischen den ECUs und ermöglicht unter Umständen sogar den Verzicht auf ältere, weniger verbreitete Protokolle wie etwa MOST (Media Oriented Systems Transport) oder FlexRay.

100BASE-T1 ermöglicht die Übermittlung von Audio-, Video-, Connected-Car-, Firmware/Software- und Kalibrierdaten in Fahrzeugen mithilfe der Ethernet-Protokolle der AVB-Reihe (Audio Video Bridging) über ungeschirmtes Single-Twisted-Pair-Kabel. Die von der IEEE Time-Sensitive Networking Task Group entwickelten AVB-Protokolle warten mit einer geringen, deterministischen Latenz, synchronisierten Knoten und Traffic Shaping auf. Diese Aspekte sind wichtig für die Kommunikation der verschiedenen Arten von Informationen in Automobilsystemen und verleihen 100BASE-T1 die Fähigkeit zur Übertragung verschiedener Datentypen mit unterschiedlichen Prioritäten (niedrige Datenrate mit hoher Priorität bzw. hohe Datenrate bei geringer Priorität sowie Zeitsynchronisation).

Verwendung von Ethernet für Audio- und Videodaten

100BASE-T1 in Kombination mit AVB eignet sich für die Übertragung von Audio- und Videodaten, was Chancen für die Verwendung von Ethernet im Infotainment- und ADAS-Bereich eröffnet. AVB reserviert eine gewisse Bandbreite ausschließlich für Audio- und Videodaten. Der Umfang der partitionierten Bandbreite ist einstellbar und wird vom OEM (Original Equipment Manufacturer) festgelegt. In der Regel wird den Audio- und Video-Streams eine Bandbreite von 75 MBit/s zugewiesen, während die übrigen 25 MBit/s für Daten-Streams genutzt werden.

Tabelle 1 weist den Bandbreitenbedarf für Audio auf der Basis der Abtastrate und der Bittiefe für zwei Kanäle gemäß Gleichung 1 aus:

Tabelle 1: Benötigte Audio-Bandbreite für zwei Kanäle.
Tabelle 1: Benötigte Audio-Bandbreite für zwei Kanäle. (Bild: TI)

Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, erfüllt 100BASE-T1 mit Leichtigkeit den Audio-Bandbreitenbedarf bei Abtastraten von 44,1 kHz, 48 kHz und sogar 96 kHz mit Bittiefen von bis zu 32 Bit pro Sample. Zum Vergleich: eine typische CD weist eine Abtastrate von 44,1 kHz und eine Bittiefe von 16 Bit auf, während hochauflösende Audios häufig mit 96 kHz und einer Bittiefe von 24 Bit abgetastet werden. Beide werden von 100BASE-T1-Verbindungen somit uneingeschränkt unterstützt.

Deutlich mehr Bandbreite ist dagegen für die Videoübertragung nötig. In Tabelle 2 sind verschiedene Videoformate mit ihrem jeweiligen Bandbreitenbedarf aufgeführt. Außerdem finden sich in der Tabelle Schätzwerte für die erforderliche Videobandbreite bei verschiedenen Medienformaten, Auflösungen und Frameraten.

Tabelle 2: Bandbreitenbedarf von Videosignalen.
Tabelle 2: Bandbreitenbedarf von Videosignalen. (Bild: TI)

Gemäß Tabelle 2 müsste die von AVB gebotene Bandbreite von 75 MBit/s in Kombination mit 100BASE-T1 in der Lage sein, im Infotainmentbereich einige Videokanäle zu unterstützen. Allerdings kann es in ADAS-Anwendungen vorkommen, dass die unkomprimierten Videodaten der angeschlossenen Kameras eine Bandbreite von mehr als 1 GBit/s erfordern [8]. Hier kommt 100BASE-T1 also unter Umständen nicht in Frage, solange die Videodaten nicht vor der Übertragung komprimiert werden.

Hinzu kommt, dass die Video-Übertragung per Ethernet einen Mikrocontroller (MCU) erfordert, um die Video-Kompression vorzunehmen und einen MAC-Layer (Media Access Control) für die Ethernet-Kommunikation zu implementieren. Da die Kameras unkomprimierte Videodaten im Umfang von mehreren Gigabit an die Haupt-Recheneinheit übertragen, ist 100BASE-T1 hier nicht die richtige Lösung. Eine gangbare Option für die Videokommunikation ist 100BASE-T1 jedoch, wenn ein Mikrocontroller in die Kamera integriert ist (wie etwa im Fall einer intelligenten Rückfahrkamera).

Connected-Car-Anwendungen

100BASE-T1 ist keineswegs auf AVB-Applikationen beschränkt. Eine entscheidende Verbindung im Fahrzeug ist die Telematics Control Unit (TCU), die die drahtlose Verfolgung des Fahrzeugs und die Kommunikation mit ihm steuert. Die Kommunikation zwischen TCU und Automotive-Gateway (dieses dient als Brücke zwischen den unterschiedlichen Kommunikations-Bereichen im Fahrzeug, siehe Bild 1) ermöglicht den Zugriff auf die Cloud und erleichtert drahtlose Software- und Firmware-Updates für verschiedene ECUs.

Bild 1: Blockschaltbild des Gateways.
Bild 1: Blockschaltbild des Gateways. (Bild: TI)

Ein wichtiger Faktor, der beim Einsatz von 100BASE-T1 zu beachten ist, ist die Tatsache, dass einige in der TCU implementierte 4G-LTE-Modems mit bis zu 300 bis 400 MBit/s arbeiten können, sodass man hier um 1000BASE-T1 sowie Multi-Gigabit-Lösungen nicht herumkommt.

Firmware/Software und Kalibrierdaten

Firmware- und Software-Updates und Kalibrierungen laufen mit 100BASE-T1 schneller ab, sodass sich die für Fahrzeug-Updates notwendigen Standzeiten verkürzen. Die meisten Fahrzeuge besitzen einen auf 100BASE-TX basierenden OBD-Anschluss zum Auslesen von Diagnosedaten und zum Aktualisieren oder Flashen von Software und Firmware. Indem man verschiedene ECUs in einem Fahrzeug per 100BASE-T1 mit einem zentralen Gateway verbindet, das einen OBD-Port besitzt, lassen sich Updates zügiger vornehmen, als es bei existierenden Lösungen mit verschiedenen Kommunikations-Bussen möglich ist. CAN (Controller Area Network) arbeitet mit 1 MBit/s, CAN Flexible Data-Rate (CAN-FD) mit mehr als 2 MBit/s und FlexRay mit 10 MBit/s.

100BASE-T1 vereinfacht außerdem das Kalibrieren einer ECU kurz vor dem Abschluss des Produktionsprozesses. Die Datenübertragung mit 100BASE-T1 Ethernet trägt zur Beschleunigung des Kalibriervorgangs bei, wodurch sich die Gesamt-Produktionszeit verkürzt.

Grundlagen zum 100BASE-T1-PHY

Der Abschnitt „Ethernet im Automotive-Bereich“ ging auf die Vorteile von 100BASE-T1 und die Datentypen ein, die in einem Automotive-Netzwerk in der Regel übertragen werden. Im nächsten Abschnitt nun wird 100BASE-T1 aus der PHY-Perspektive im Detail beschrieben, um zu klären, auf welche Weise 100BASE-T1 die bei Automotive-Systemen bestehenden Forderungen nach geringem EMI-Aufkommen, niedrigen Kosten, reduziertem Kabelgewicht und größerer Bandbreite erfüllt.

100BASE-T1-Codierungsmethoden zur EMI-Reduzierung bei 100 MBit/s

100BASE-T1 arbeitet mit einem speziellen 4B3B- (4 Bit to 3 Bit), 3B2T (3 Bit to 2-Ternary Pair) und Drei-Pegel-Pulsamplitudenmodulations- (PAM3) Codierungsverfahren, um die Emissionen gegenüber Fast Ethernet zu verringern. Ein 100BASE-T1-PHY übernimmt alle notwendigen Scrambling- und Codierungs-Maßnahmen vor der Übertragung über ein ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel. 100BASE-T1 ist aus Sicht des MAC insofern transparent, als sich das bestehende Media Independent Interface (MII) nicht ändert. Derzeit sind für 100BASE-T1 hauptsächlich die folgenden vier xMMIs in Gebrauch:

MII

  • 4 Bit breites Daten-Interface
  • Empfangs- und Sendesteuerung
  • Empfangs- und Sendetakte

Reduced Media Independent Interface (RMII)

  • 2 Bit breites Daten-Interface
  • Empfangs- und Sendesteuerung
  • Eine einzige Taktreferenz

Reduced Gigabit Media Independent Interface (RGMII)

  • 4 Bit breites Daten-Interface
  • Empfangs- und Sendesteuerung
  • Empfangs- und Sendetakte

Serial Gigabit Media Independent Interface (SGMII)

  • Zweiadriger LVDS-Empfangspfad (Low-Voltage Differential Signaling)
  • Zweiadriger LVDS-Sendepfad

Bild 2 verdeutlicht die Signalisierung eines MAC und PHY abhängig vom jeweiligen Interface. Nachdem er Daten vom MAC empfangen hat, übernimmt der Ethernet-PHY die Codierung, das Scrambling und die Serialisierung der Daten. Diese Prozesse bereiten die Daten für das analoge Frontend des PHY vor, das die Daten anschließend über das ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel an die jeweilige Gegenstelle sendet.

Bild 2: Schematische Darstellung verschiedener MIIs.
Bild 2: Schematische Darstellung verschiedener MIIs. (Bild: TI)

Zum Beispiel empfängt ein 100BASE-T1-PHY, der per RGMII mit einem MAC kommuniziert, vier parallele, mit 25 MHz getaktete Bits (also insgesamt 100 MBit/s). Der PHY konvertiert diese vier Bits in drei Bits und hebt gleichzeitig die Taktfrequenz auf 33 1/3 MHz an, um die Bitrate von 100 MBit/s beizubehalten. (Sollte ein Frame nicht durch drei teilbar sein, fügt der PHY Füll-Bits ein, damit eine korrekte Umwandlung möglich ist. Diese Füll-Bits werden von der Gegenstelle wieder entfernt, bevor die Weitergabe an den MAC erfolgt.) Aus jeder 3-Bit-Gruppe wird vom PHY gemäß der in Tabelle 3 wiedergegebenen Symboltabelle ein ternäres Paar (2T) gebildet.

Tabelle 3: Idle-Symboltabelle in 100BASE-T1.
Tabelle 3: Idle-Symboltabelle in 100BASE-T1. (Bild: TI)

Abschließend wird das ternäre Vektorpaar (TA, TB) per Drei-Pegel-Pulsamplitudenmodulation (PAM3) mit einer Grundfrequenz von 66 2/3 MHz gesendet. Die Umwandlung der Daten vom MII zum Medium Dependent Interface (MDI) über den PHY ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: GPHY-Datenkonvertierung vom MII zum MDI.
Bild 3: GPHY-Datenkonvertierung vom MII zum MDI. (Bild: TI)

Bei der Betrachtung des PAM3-Signals ist einfach erkennbar, dass jede Periode des 33 1/3-MHz-Signals drei Datenbits repräsentiert, sodass die Übertragung mit 100 MBit/s erfolgt. Gesendet wird dieses Signal mit drei Spannungspegeln (+1 V, 0 V und -1 V), wodurch der Spannungshub kleiner als 2,2 V ist (gemessen mit einem differenziellen Abschlusswiderstand von 100 Ω). Das PAM3-Signal wird am MDI gesendet.

Dieses umfasst den Steckverbinder des Kabels und das Twisted-Pair-Kabel selbst sowie etwaige passive externe Bauelemente für die Tiefpassfilterung und Gleichtaktunterdrückung. Die Kombination aus MDI-Steckverbinder und ungeschirmtem Twisted-Pair-Kabel muss bestimmte elektrische Spezifikationen (z. B. Rückflussdämpfung, Umwandlungsverlust und Fehlertoleranz) erfüllen, die in Abschnitt 96.8 der MDI-Spezifikation des 100BASE-T1-Standards vorgegeben sind.

Ethernet-Protokolle enthalten je nach der vorgesehenen Anwendung unterschiedliche Spezifikationen für das Scrambling, die Serialisierung und das Codieren der Daten. Als Vergleich werden die Daten bei 100BASE-TX bei 125 MHz mit dem MLT-3-Verfahren (Multi-Level Transmit) übertragen. Die Grundfrequenz ist somit höher als bei 100BASE-T1 (66 2/3 MHz), und es ist ein separates Twisted-Pair-Kabel für jede Übertragungsrichtung erforderlich. 100BASE-T1 benötigt mit 33,3 MHz nur ungefähr die halbe Bandbreite von 100BASE-TX, sodass ein Kabel von geringerer Qualität verwendet werden kann, das folglich preisgünstiger ist.

Gleichzeitig ergibt sich eine bessere Filterung mit dem Resultat eines günstigeren Emissions- und Störimmunitäts-Verhaltens, was in Automotive-Anwendungen von großer Bedeutung ist. Die bei 100BASE-T1 verwendete 3B2T-Signalzuordnung und die PAM3-Modulation ergeben ferner eine höhere Spektraleffizienz als bei der MLT-3-Codierung von 100BASE-TX. Da zum Übertragen der gleichen Datenmenge somit weniger Bandbreite benötigt wird, reduzieren sich die Störaussendungen.

Senden und Empfangen von Daten über ein einziges ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel

100BASE-T1 ist ein physisches Vollduplex-Interface, d. h. die Daten werden auf demselben Leiterpaar gesendet und empfangen. Im Gegensatz dazu ist bei 10BASE-T und 100BASE-TX für jede Übertragungsrichtung ein eigenes Leiterpaar vorhanden. Die Nutzung eines Übertragungsmediums für beide Richtungen senkt das Gesamtgewicht der im Fahrzeug verbauten Kabel, was nicht nur die Materialkosten verringert, sondern sich auch günstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Die physische Vollduplex-Übertragung wird nach dem Prinzip der Superposition erreicht.

100BASE-T1-PHYs besitzen integrierte Hybridschaltungen und nutzen die Echokompensation, um ihr eigenes gesendetes Signal zu entfernen und die von der Gegenstelle empfangene Information zu extrahieren. Zu diesem Zweck wird ein PHY als Master und der andere als Slave deklariert. Wenn sich zwei 100BASE-T1-PHYs verbinden, durchlaufen sie einen Training-Prozess, in dessen Verlauf der Prüfling und die Gegenstelle Informationen mit identischer Frequenz und Phasenlage senden. Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Hybridschaltung und der Echokompensation in jedem PHY ist in Bild 4 zu sehen.

Bild 4: Blockschaltbild von Echokompensation und Hybridschaltung.
Bild 4: Blockschaltbild von Echokompensation und Hybridschaltung. (Bild: TI)

Zusätzliche Bauteile

Bevor das PAM3-Signal auf die Leiterplatte kommt oder sie verlässt, wird es von mehreren Bauteilen für den Empfang bzw. für die Sendung aufbereitet. Diese externen Bauteile dienen der Isolation des MDI, um Masseschleifen und DC-Fehler des Treibers zu unterbinden, das Ausfiltern von Gleichtaktstörungen zu verbessern und unter Wahrung einer hohen Störimmunität die abgestrahlten Störaussendungen einzudämmen.

Ausfiltern von Gleichtaktstörungen

Eine stromkompensierte Drossel filtert Gleichtaktstörungen am MDI aus. Es ist wichtig, Gleichtaktstörungen so weit wie möglich einzudämmen, da sie den Empfänger eines PHY beeinträchtigen können. Außerdem führen Gleichtaktstörungen zu erhöhten Störaussendungen, da es sich bei ihnen um eine massebezogene Energiequelle handelt. In Tabelle 4 ist zu sehen, welche Anforderungen eine stromkompensierte Drossel für den Einsatz in einem 100BASE-T1-PHY mitbringen muss.

Tabelle 4: Anforderungen an eine stromkompensierte Drossel laut 100BASE-T1-Standard.
Tabelle 4: Anforderungen an eine stromkompensierte Drossel laut 100BASE-T1-Standard. (Bild: TI)

DC-Isolation

Aus Bild 5 ist zu entnehmen, wie sich die nötige DC-Isolation für 100BASE-TX und 100BASE-T1 erreichen lässt.

Bild 5: DC-Isolation bei 100BASE-TX und 100BASE-T1.
Bild 5: DC-Isolation bei 100BASE-TX und 100BASE-T1. (Bild: TI)

Bei 100BASE-TX-PHYs kommen in der Regel Übertrager zum Einsatz, deren Mittelabgriff (auf der PHY-Seite) mit einer vom PHY abhängigen Gleichspannung verbunden sind. Außerdem wird bei den Übertragern ein Bob-Smith-Abschluss verwendet (d. h. der Mittelabgriff auf der Steckverbinderseite ist über einen Widerstand mit Masse verbunden), um beim Ausfiltern von Gleichtaktstörungen zu helfen.

Bei 100BASE-T1 wird ein einfacherer Ansatz mit nur zwei Kondensatoren benutzt, die für die DC-Isolation sorgen und gegenüber einem Konzept mit Übertrager zu kleineren Lösungsabmessungen führen. Eine typische Schaltungs-Implementierung für 100BASE-T1 ist in Bild 6 zu sehen.

Bild 6: Typische Implementierung für 100BASE-T1.
Bild 6: Typische Implementierung für 100BASE-T1. (Bild: TI)

Fazit

100BASE-T1 ist der erste Automotive-spezifische Ethernet-Standard, der auf die Anforderungen von Fahrzeugnetzwerken ausgerichtet ist. Er baut auf den mit 10BASE-T, 100BASE-TX und 1000BASE-T gemachten Erfahrungen auf, um die strikten Störaussendungs-Vorgaben im Automotive-Bereich und die dort geltenden Anforderungen an das Kabelgewicht, die Kosten und den Platzbedarf zu erfüllen.Den Automobilherstellern obliegt die Entscheidung, wie und wo sie 100BASE-T1 in ihren Fahrzeugen einsetzen. Insgesamt aber ist 100BASE-T1 eine Gateway-Technologie, die dem Einsatz von Bordnetzwerken in Fahrzeugen den Weg ebnet und damit die Voraussetzungen für die weitere Entwicklung der Automotive-Systeme schafft.

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* Donovan Porter arbeitet als Systems Engineer bei Texas Instruments

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