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High-Speed-Netzwerklösungen für die nächste Connected-Car-Generation

| Autor / Redakteur: Simon Holt / Benjamin Kirchbeck

Jedes Ethernet-basierte Netzwerksystem in einem Fahrzeug erfordert automobilfähige Gateways mit Zugang zu Cloud-Konnektivitäts-Plattformen für die Integration diverser Hardware- und Software-Elemente mit älteren Automobilprotokollen.
Jedes Ethernet-basierte Netzwerksystem in einem Fahrzeug erfordert automobilfähige Gateways mit Zugang zu Cloud-Konnektivitäts-Plattformen für die Integration diverser Hardware- und Software-Elemente mit älteren Automobilprotokollen. (Bild: Clipdealer)

Die Integration von immer mehr Bordsensoren in Kombination mit einer Vielzahl an neuen datenintensiven Multimedia-Technologien wird enorme Herausforderungen für die Netzwerk-Hardware in Fahrzeugen mit sich bringen. Das betrifft nicht nur die erforderliche Bandbreite, sondern auch das Gewicht, die System-Komplexität und die Kosten.

In den 1980er-Jahren enthielt ein Auto im Durchschnitt nur eine Handvoll elektronischer Steuereinheiten (Electronic Control Units, ECUs). Heute können es dagegen über Hundert sein. Die Entwicklung von Fahrassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) und Infotainment-Systemen in Fahrzeugen (In-vehicle Infotainment, IVI) hat die datenbezogenen Fahrzeugkosten bereits in die Höhe getrieben. Zuerst wurden diese Lösungen vor allem in Luxusmodelle integriert, doch mittlerweile sind sie auch in Mittelklassewagen und Economy-Fahrzeugen gängig. In Abbildung 1 wird der heute erwartete Funktionsumfang dargestellt.

Durch die Fortschritte beim semi-autonomen Fahren werden die ursprünglich verfügbaren ADAS-Funktionen durch eine weitaus größere Vielfalt an Features ergänzt. Und das ist erst der Anfang. In Kürze wird eine große Bandbreite neuer Funktionen erforderlich sein – besonders in Bezug auf die vermehrte Nutzung von Kameras (mit immer höheren Auflösungen) und anderen Arten von Bildtechnologie (wie LiDAR) sowie verschiedenen Mechanismen zur Erkennung von Verkehrsschildern. Hinzu kommen zahlreiche Drahtlosprotokolle für V2V- und V2I-Konnektivität (Vehicle-to-Vehicle bzw. Vehicle-to-Infrastructure). Diese Entwicklungen werden enorme Datenanforderungen für das unterstützende Kommunikationsnetzwerk mit sich bringen.

Die komplexe Natur modernen Fahrzeugdesigns.
Die komplexe Natur modernen Fahrzeugdesigns. (Bild: Mouser)

Fahrzeuge enthalten eine Reihe von kritischen Systemen. Falsches Timing kann zu potenziell lebensbedrohlichen Situationen führen. Fahrzeugstabilitätssteuerung und Kollisionsvermeidung sind klassische Beispiele, bei denen die zeitgerechte Übertragung von Informationen unerlässlich ist, um die Sicherheit des Fahrers und anderer Verkehrsteilnehmer zu gewährleisten.

Man sollte auch bedenken, dass Kabelbäume heute nicht nur das zweitschwerste Teil in einem modernen Fahrzeug sind (nach der Karosserie selbst), sondern auch eines der teuersten. Eine Reduzierung von Gewicht und Kosten kann sich positiv auf den Fahrzeugpreis und die Kraftstoffeffizienz auswirken, und dadurch wird wiederum die Attraktivität eines Fahrzeugs für Kunden erhöht. Gleichzeitig können so die zunehmend strengen Umweltvorschriften einfacher eingehalten werden. Fahrzeugingenieure realisieren immer häufiger, dass eine optimierte Datenkommunikationsinfrastruktur enorme betriebliche Vorteile bietet. Im Idealfall steht im Zentrum ein einzelnes allumfassendes Protokoll (eine Entwicklung, die jedoch noch in der Zukunft liegt). Aufgrund der schnellen Datenübertragung und des deterministischen Betriebs etabliert sich Ethernet zunehmend als gängigstes Protokoll für zukünftige Netzwerkaktivität in Fahrzeugen.

Die Ausbreitung von Ethernet im Automobilbereich

Ethernet ist ein Kommunikationsbus, der seit über 30 Jahren das Rückgrat der IT-Welt ist. In den letzten Jahren wurde er aus den bereits genannten Gründen langsam auch in der globalen Automobilindustrie in Designs integriert – immerhin unterstützt er Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s (mit dem Potenzial, dies in Zukunft noch zu steigern). Mithilfe von einzelnen ungeschirmten verdrillten Kabelpaaren liefert Ethernet eine leichte, kosteneffiziente und skalierbare Lösung, was es für den Automobilbereich sehr attraktiv macht.

Neben dem Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten und der Eignung für die bereits erwähnten Kosten-, Platz- und Gewichtsbeschränkungen ist Ethernet zudem eine ausgereifte und stabile Technologie. Sie wurde über die Jahre von einer Vielzahl an System- und Komponentenanbietern durch Fortschritte in den Bereichen Datenkommunikation in Unternehmen und Fabrikautomatisierung immer weiterentwickelt. Aufgrund seiner großflächigen Verwendung in Rechenzentren und industriellen Umgebungen wurden im Laufe der Zeit zahlreiche Sicherheitsfunktionen und Authentifizierungsalgorithmen ergänzt, von denen Ingenieure heute profitieren, wenn es darum geht, die strengen Anforderungen im Zusammenhang mit Netzwerken im Fahrzeugbereich zu erfüllen.

In einigen Aspekten unterscheidet sich Ethernet im Automobilbereich von konventionellen Ethernet-Lösungen. Es wird in raueren Umgebungen verwendet als traditionelle Ethernet-Implementierungen und ist beispielsweise hohen Temperaturen und elektromagnetischen Interferenzen (EMI) ausgesetzt. Hinzu kommt, dass es Vibration, Stößen oder hohen Feuchtigkeitsgraden standhalten muss.

Ethernet-basierte Architektur für Automobilsysteme.
Ethernet-basierte Architektur für Automobilsysteme. (Bild: Mouser)

Jedes Ethernet-basierte Netzwerksystem in einem Fahrzeug erfordert automobilfähige Gateways mit Zugang zu Cloud-Konnektivitäts-Plattformen für die Integration diverser Hardware- und Software-Elemente mit älteren Automobilprotokollen (wie LIN, CAN, FlexRay, LVDS etc.). Die Multi-Gigabit-Technologien von Molex gewährleisten den reibungslosen und sicheren Datenfluss in Fahrzeugen und bei Anschluss an die Cloud und eliminieren so Engpässe im Netzwerk. Auf dieser Grundlage können Ethernet-Netzwerk-Systeme mit 10 Gbit/s die nötige V2V-/V2I-Konnektivität bereitstellen, um nicht nur die enorme Menge erfasster Sensordaten zu verarbeiten, sondern gleichzeitig 4K-Videoinhalte auf die Rear-Seat-Displays eines Fahrzeugs zu übertragen. Diese Systeme umfassen Ethernet-Gateways von Molex (mit integrierter Unterstützung für ältere Protokolle wie CAN, LIN, LVDS etc.) und Medienmodule in Kombination mit IP 67-/IP 69K-klassifizierten, EMI-geschützten Steckverbindern und Kabeln.

Mit der umfassenden Vernetzung von Fahrzeugen entstehen mehr potenzielle Angriffsflächen. Die Sicherheitsalgorithmen des Systems werden von einer Blackberry QNX-Suite verwaltet. Diese umfasst eine Mikrokernel-Architektur mit Certicom Krypto-Systemen auf Basis elliptischer Kurven (Elliptic Curve Cryptographic, ECC) zur Kommunikation zwischen Bordsystemen und verbundenen Cloud-Services. Fortschrittliche Public-Key-Verschlüsselung stellt die sichere und authentifizierte Kommunikation zwischen allen ECUs und Peripherieelementen innerhalb des Netzwerks sicher und schützt so vor möglichen DoS-Angriffen (Denial of Service) oder anderen Sicherheitsverletzungen.

Fazit

Aktuelle Netzwerkarchitekturen im Automobilbereich können die enormen Anforderungen, die heute an sie gestellt werden, schlicht nicht erfüllen. Traditionelle Protokolle werden den Bandbreitenanforderungen der zahlreichen Sensoren und Subsysteme nicht gerecht, die für ADAS und IVI benötigt werden. Je näher wir dem autonomen Fahrzeug kommen, desto offensichtlicher werden ihre Defizite. Angesichts dessen, dass Kamera-, Radar- und LiDAR-Funktionen immer mehr Daten generieren, von denen ein nicht unwesentlicher Bestandteil Echtzeit-Reaktionen erfordert, gilt Ethernet heute als Lösung erster Wahl.

Die Entwicklung des autonomen Fahrens erfordert eine neue Architektur, um die steigenden Bandbreitenanforderungen immer höherer Sensorauflösung und zunehmender Fahrzeugvernetzung zu erfüllen. Zudem müssen alle kritischen Komponenten und Subsysteme redundant sein, um die Sicherheit der Fahrzeuginsassen kontinuierlich zu gewährleisten. Die Molex-Netzwerkplattformen mit 10 Gbit/s bilden die Grundlage für das umfassende Produktportfolio, das gezielt auf die neue Generation vernetzter Fahrzeuge ausgerichtet ist.

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