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In diesem Dokument werden vier Kommunikationsprotokolle für die Automobilindustrie und ihre Koexistenz untersucht, um die Fahrzeugsicherheit und -autonomie zu verbessern.
1 Ethernet | Ethernet ermöglicht Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen durch das gesamte Fahrzeug |
2 FPD-Link-Technologie | Flat Panel Display (FPD)-Link optimiert Daten von Kameraeingängen mit unkomprimierten Echtzeitdaten. |
3 CAN-Bus | Controller Area Network (CAN) priorisiert Daten von verschiedenen elektronischen Steuergeräten (ECUs). |
4 PCIe-Technologie | Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) erfüllt die Leistungsanforderungen mit hoher Bandbreite und extrem geringer Latenz. |
Elektrische Komponenten in Fahrzeugen wurden erstmals im Jahr 1915 eingeführt, als Ford Motor Co. elektrische Lichter und ein elektrisches Horn in seinem Modell T-Automobil eingeführt. Seitdem nimmt die Abhängigkeit von elektrischen und elektronischen Systemen in Automobilen stetig zu. Die anfänglichen Systeme waren in der Regel lokal und unabhängig – ein Schalter, der die direkt an die Batterie angeschlossenen Scheinwerfer steuerte, oder ein Relais, das einen monotonen Lautsprecher steuerte.
Mit der Weiterentwicklung der Architekturen haben sich auch die Mechanismen weiterentwickelt, durch die verschiedene Subsysteme innerhalb des Fahrzeugs kommunizieren. Da das Fahrzeug beispielsweise reduziertes Umgebungslicht außerhalb des Fahrzeugs erkennt, aktiviert es möglicherweise automatisch die Scheinwerfer, aber das ist noch nicht alles. Es würde wahrscheinlich die Helligkeitsniveaus auf allen Displays anpassen, den Weißabgleich aller Kameras optimieren, den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug erhöhen und den Bremsmodulen mehr Gewicht verleihen, um ein sichereres Fahrerlebnis zu schaffen.
Mit dem Streben nach autonomen Fahrzeugen steigt der Kommunikationsaufwand, um sicher und in Echtzeit wie möglich zu sein. Diese Herausforderung wird nur noch dadurch verschärft, dass die Menge der gesendeten und empfangenen Daten nicht mehr in Hunderten Kilobits pro Sekunde, sondern in Dutzenden Gigabits pro Sekunde liegt.
In diesem Dokument werden vier Kommunikationsprotokolle für die Automobilindustrie untersucht: Ethernet, FPD-Link-™ Technologie (ein proprietäres Automobil-Serializer/Deserializer (SerDes)-Protokoll), CAN-Bus und PCIe-Bus. Sie zeigen die Kernnuancen jeder Technologie und bieten Beispiele und Funktionen, bei denen diese Technologien moderne ADAS-Architekturen (Automobil-Fahrerassistenzsysteme) unterstützen, wie dargestellt in Abbildung 1.
Ethernet ist eine der am weitesten verbreiteten Hochgeschwindigkeitsschnittstellen zu Hause und im Büro und entwickelt sich zu einem vorherrschenden Kommunikationsprotokoll für Fahrzeuge. Einige Fahrzeuge verwenden Ethernet zur Übertragung einer Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsdaten; Automobilanwendungen wie Radar- und Lidar-Module verwenden Single-Pair-Ethernet-Technologie. Single-Pair-Ethernet verwendet den Ethernet-Standard, aber die Daten werden über ein einziges verdrilltes Leiterpaar übertragen, was ein geringeres Kabelgewicht und niedrigere Kosten im Fahrzeug ermöglicht.
Ethernet ist ein paketisiertes System, bei dem Pakete zwischen Knoten auf verschiedenen Teilen der Netzwerkinformationen übertragen. Ethernet ist ebenso wie ein CAN-Bus bidirektional, und die Geschwindigkeit jeder einzelnen Verbindung nimmt mit steigender Anzahl von Knoten im System ab. Bei Single-Pair-Ethernet ist die Geschwindigkeit jeder einzelnen Verbindung auf eine bestimmte Geschwindigkeit (10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s) begrenzt, und es dürfen keine dynamischen Geschwindigkeitsänderungen auf der Verbindung auftreten. Dennoch kann Single-Pair-Ethernet Daten über eine Verbindung bis zu 1.000-mal schneller als ein CAN-Bus übertragen. Der Wechsel zu Single-Pair-Ethernet würde die Datenübertragungsgeschwindigkeit über einen CAN-Bus optimieren. Da Ethernet jedoch höhere Kosten pro Knoten hat, wird es wahrscheinlich keinen CAN-Bus ersetzen – sondern erweitern.
In einigen Fahrzeugen wird heutzutage Single-Pair-Ethernet für datenintensive Anforderungen wie Backup-Kameras und Radar verwendet. So sind beispielsweise der DP83TC812S-Q1 und der DP83TG720S-Q1 von Texas Instruments (TI) Single-Pair-Ethernet-Physical-Layer (Phys), die gemäß den Automobilstandards Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.3bw und 802.3bp des Automotive Council-Q100 der Güte 1 und 2 abgeschirmt sind und einen Loopback-Testmodus zur Erleichterung der Systemdiagnose enthalten. Um Video über ein Ethernet-Netzwerk zu übertragen, muss das Video, selbst wenn nur ein Videokanal übertragen wird, an der Quelle komprimiert und dann am Ziel dekomprimiert werden, um im Gegensatz zur FPD-Link™ -Technologie, die den unkomprimierten Transport von Videodaten ermöglicht, eine Überschreitung der Ethernet-Bandbreitenbeschränkungen zu vermeiden. Bei Anwendungen wie Backup-Kameras muss die Kamera mit einem Prozessor mit relativ hoher Leistung ausgestattet sein, der das Bild ausreichend komprimiert, um es in das Ethernet-Netzwerk einzubinden.
Der Bedarf an einem leistungsstarken Prozessor wiederum bedeutet, dass die Kamera physisch größer und teurer wird. Die Kamera weist eine höhere Verlustleistung auf als ein Ansatz, bei dem nicht viel Bildverarbeitung erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, dass die Videokomprimierung und -Dekomprimierung die Latenzzeit der Verbindung erhöhen. Wenn mehrere Kameras oder andere Videoquellen das gleiche Ethernet-Netzwerk nutzen, besteht ein Kompromiss zwischen dem Komprimierungsgrad (und der entsprechenden Videoqualität) und der Anzahl der unterstützten Videokanäle. Es ist möglich, diese Einschränkung zu verringern, indem mehrere Netzwerke innerhalb des Fahrzeugs in einer hierarchischen Konfiguration eingerichtet werden. Es gibt ein Netzwerk, das sich ausschließlich mit Motorsteuerung und Diagnose beschäftigt, ein zweites Netzwerk, das das Rücksitzunterhaltungsprogramm und das Audiosystem übernimmt, und ein anderes Netzwerk, das Fahrerassistenzfunktionen wie Bildverarbeitungskameras übernimmt. Letztlich bietet Single-Pair-Ethernet eine höhere Kapazität als der CAN-Bus zur Übertragung von Daten wie Radar und Lidar, was zu Lasten der größeren Komplexität geht. Es ist jedoch immer noch schwer, Anwendungen mit der höchsten Bandbreite wie Video zu verarbeiten.