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Anforderungen und Aufbau – Automotive Ethernet als Nervensystem des vernetzten Autos

| Autor / Redakteur: Alex Bormuth / Benjamin Kirchbeck

Eine hohe Bandbreite und eine schnelle Signalverarbeitung sind für das autonome Fahren essentiell. Ebenfalls relevant sind die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit des Ethernets.
Eine hohe Bandbreite und eine schnelle Signalverarbeitung sind für das autonome Fahren essentiell. Ebenfalls relevant sind die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit des Ethernets. (Bild: ©vege - stock.adobe.com)

Die Reihe „Automotive Ethernet im vernetzten Fahrzeug“ dreht sich um die Möglichkeiten, die das Automotive Ethernet für das vernetzte Fahren bietet. Der erste Teil rückt den Aufbau und die Anforderungen in den Fokus.

Es gilt als eines der ambitioniertesten Zukunftsprojekte der Welt und als Hoffnung einer ganzen Branche: Das autonom fahrende Auto. Selbstfahrende Fahrzeuge sollen schon bald die Straßen bevölkern und sowohl die Sicherheit als auch den Fahrkomfort erhöhen. Autohersteller und Zulieferer weltweit arbeiten derzeit an Konzepten, um diese Vision umzusetzen.

Eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass die Fahrzeuge eigenständig agieren und auf Verkehrssituationen wie bremsende Fahrzeuge oder Streckensperrungen reagieren können. Denn nur dann können Insassen wahrhaftig ihre Augen vom Straßenverkehr lösen und müssen nicht mehr aufpassen, um notfalls die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen. Entwickler haben sich, um dieses Ziel zu erreichen, inspirieren lassen – und zwar vom Menschen.

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Denn wir sind komplexe Wesen, die dank der Signale, die über das Nervensystem an unser Gehirn weitergegeben werden, auf Umweltreize reagieren und mit der Außenwelt interagieren können. So teilen wir anderen unsere Bedürfnisse mit und können einander verstehen und in unsere Überlegungen mit einbeziehen. Diese Anforderungen soll auch das autonome Fahrzeug erfüllen. Die Voraussetzung dafür ist neben den Gehirnen – in Form leistungsstarker, im Fahrzeug verteilter Rechner – ein Nervensystem, das Signale zuverlässig und schnell weitergibt.

Eine weitere Herausforderung: Die Kommunikation mit der Umwelt durch das Senden und Empfangen relevanter Signale. Das Automotive Ethernet und 5G-Kommuniktionsmodule sind die Mittel für die Automobilindustrie, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Sicherheit von innen und außen

Eine Anforderung an das Automotive Ethernet betrifft die Sicherheit – und zwar sowohl die interne als auch die externe. Wie auch beim menschlichen Organismus muss das autonome Fahrzeug von innen heraus sicher sein und eigenständig funktionieren. Damit es automatisiert fahren kann, muss das Auto Sicherheitseigenschaften mit seiner eigenen Sensorik und Aktorik selbstständig bewältigen, ohne auf Daten von anderen Verkehrsteilnehmern oder der Infrastruktur angewiesen zu sein.

Die Daten, die es von eigenen Sensoren erhält, müssen also ausreichen, damit das Auto sicher fahren und eigenständige, sicherheitsrelevante Entscheidungen treffen kann. Dafür benötigt es sowohl Sensordaten als auch ein agiles Nervensystem, das diese Daten an die im Fahrzeug verteilten Recheneinheiten verteilt. Hier kommt das Automotive Ethernet ins Spiel: Es bietet sich für Automobilhersteller als Nervensystem an. Denn zum einen hat sich die aus der IT stammende Technologie dort bereits über die letzten Jahrzehnte bewährt.

Die Anforderungen der Automobilbranche vor allem in Bezug auf Übertragungsraten, Fehlertoleranz und Sicherheit erfüllt sie. Zum anderen gilt es durch die Skalierbarkeit? zukunftssicher. Das ist gerade im Hinblick auf das autonome Fahren wichtig.

Kriterien für das Automotive Ethernet

Eine Eigenschaft, die das Automotive Ethernet erfüllen muss, ist die Übertragung von hohen Datenraten innerhalb des Fahrzeugs. Derzeit wird daran gearbeitet, dass Verbindungen (Channel) und Chipsätze von bis zu 25 Gbps über ein einzelnes, geschirmtes Twisted-Pair-Kabel unterstützt werden. Das ist wichtig, um nicht nur höhere Geschwindigkeit und eine Kostenreduzierungen der Verbindung zu ermöglichen, sondern auch die Sicherheitsanforderungen zu adressieren, um ein Automotive Safety Integrity Level (ASIL) bis hin zu Level D zu unterstützen.

Eine hohe Bandbreite und eine schnelle Signalverarbeitung sind für das autonome Fahren essentiell. Ebenfalls relevant sind die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit des Ethernets. Um dies zu erreichen, setzen Hersteller beispielsweise auf redundante Kabelstränge, die einen Teilausfall kompensieren und den Weiterbetrieb des Gesamtsystems sicherstellen. Eine ringförmige Anordnung der Kabel ist eine weitere Methode, um die Zuverlässigkeit des Ethernets zu erhöhen. Einzelne Komponenten können so auch im Falle eines Komplettausfalls an einem Punkt des Ringes miteinander kommunizieren.

Für das autonome Fahren werden jedoch nicht nur Daten von den eigenen Sensoren benötigt. Auch Daten anderer Verkehrsteilnehmer und der Infrastruktur sollen vor allem für die Erhöhung des Fahrkomforts eingesetzt werden. Sie kommen von den Antennen des Autos, die bereits heute ein wichtiger Bestandteil des vernetzten Fahrzeugs sind. Welche Anforderungen sie erfüllen müssen, um externe Daten schnell und sicher an die Rechner im Fahrzeug zu liefern, wird im zweiten Teil der Reihe behandelt werden.

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