Datenhighway fürs Auto

IAV untersucht in einem BMBF-Projekt den Einsatz von Ethernet im Fahrzeug

Neue Sensoren wie Videokameras oder 3-D-Laser erzeugen immer größere Datenmengen mit hohen Echtzeit-Anforderungen, die über den CANBus nicht übertragen werden können. Als Ergänzung oder möglicher Nachfolger bietet sich Automotive Ethernet an: Der Standard ermöglicht große Datenübertragungsraten, hat sich in der IT-Welt bewährt und könnte in Zukunft die Grundlage für die Vernetzung im Fahrzeug sein. Ein Versuchsfahrzeug zeigt, was die neue Technik leisten kann.

Bei einem Megabit pro Sekunde (Mbps) pro Segment hat der CAN-Bus spätestens sein Geschwindigkeitslimit erreicht. Schon heute reicht das nicht mehr aus, um eine große Zahl von Steuergeräten über einen einzigen Bus miteinander zu vernetzen – darum arbeiten in typischen Fahrzeugen wie dem VW Golf oder dem VW Passat rund ein halbes Dutzend separater CAN-Busse, die jeweils für verschiedene Fahrzeugdomänen wie den Motor, Chassis, Infotainment oder Fahrerassistenz zuständig sind. Der Großteil der Datenkommunikation verläuft innerhalb einer Domäne, der Rest wird über Gateways zwischen den Domänen abgewickelt.

In der jüngeren Vergangenheit haben zwar weitere Bus-Systeme wie MOST und FlexRay Einzug ins Fahrzeug gehalten, sie sind aber nicht so allgemein ausgelegt wie der CAN-Bus: Während FlexRay zum Beispiel für die Fahrwerk- oder Motorsteuerung eingesetzt wird, ist MOST auf den Umgang mit Infotainmentsystemen spezialisiert. Um die Begrenzungen der existierenden Bus-Systeme zu umgehen, setzen viele Automobilhersteller darum auf proprietäre Lösungen, mit denen sie neue Sensoren mit dem Fahrzeug verbinden können: „Teilweise werden Fahrerassistenzbaugruppen mit Kameras analog oder über LVDS (Low Voltage Differential Signaling) an das Fahrerassistenzsystem angebunden oder es wird Ethernet proprietär als Punkt-zu-Punkt-Verbindung verwendet“, erklärt René Röllig, Senior-Projektleiter für Fahrerassistenzsysteme bei IAV. „Besser wäre es allerdings, wenn es auch für hohe Datenraten einen einheitlichen Standard gäbe.“

Hohe Echtzeit-Anforderungen im Fahrzeug

Die Anforderungen an ihn sind klar: Der neue Standard muss hohe Datenraten weit oberhalb von einem Mbps erlauben sowie eine hohe Übertragungssicherheit und einen geringen Jitter aufweisen – dahinter verbergen sich unerwünschte Verzögerungen der Nachrichten gegenüber dem Systemtakt. Entscheidend ist es, ob das System die hohen Echtzeit-Anforderungen im Fahrzeug erfüllen kann: „Sicherheitsrelevante Signale an die Bremsen oder das Chassis müssen innerhalb von streng definierten zeitlichen Toleranzgrenzen übertragen werden“, so Röllig. „Der CAN-Bus kann in seiner Geschwindigkeitsklasse seit jeher damit umgehen: Dort setzt sich die wichtigste Nachricht durch. Ein Nachfolger muss dazu ebenfalls in der Lage sein.“

Ein aussichtsreicher Kandidat ist Automotive Ethernet, ein Ableger des aus der IT bekannten Übertragungsstandards. „Diese neue Technologie erwacht gerade“, berichtet Röllig. „Allerdings gibt es heute nur wenige Hersteller, die Chips dafür produzieren.“ Während im Computerumfeld derzeit Datenraten von mehr als zehn Gigabit pro Sekunde (Gbps) möglich sind, erreicht die aktuelle Version fürs Fahrzeug maximal 100 Mbps. Ursache dafür ist die einfache Zweidraht-Leitung für den Datentransport – in der IT kommen hingegen meist geschirmte Kabel mit vier oder acht Leitungspaaren oder Lichtwellenleiter zum Einsatz. Umgekehrt ist das aber auch ein großer Vorteil von Automotive Ethernet: Es kommt mit den gleichen Kabeln aus, die auch der CANBus nutzt. Oberhalb der physikalischen Übertragungsschicht sind die aus der Netzwerktechnik und dem Internet bekannten Protokolle IP (Internet Protocol, Netzwerkschicht) und TCP (Transport Control Protocol, Transportschicht) für den Datenaustausch verantwortlich.

Time-Triggered Ethernet mit garantierten Verzögerungen

Allerdings müssen die Kommunikationsprotokolle zuvor an die Echtzeit-Anforderungen im Fahrzeug angepasst werden: Denkbar sind kleinere Paketgrößen und ein Zeitmultiplex-Verfahren, das den Zugriff der einzelnen Steuergeräte auf den gemeinsamen Bus regelt. Durch verschiedene statische Regeln für Time-Division-Multiple-Access (TDMA) kann das Time-Triggered Ethernet (TTE) einen zuverlässigen Datentransfer und vorhersehbare Verzögerungszeiten garantieren. „Eine weitere zentrale Frage ist die Netzarchitektur“, sagt Röllig. „Denkbar ist eine Stern-Topologie, bei der Multiport-Switches die Daten verteilen. Alternativ könnte man aber auch jedes Steuergerät mit zwei Ports als Ein- und Ausgang ausstatten und alle hintereinanderschalten.“

Wie die Daten-Backbones in den Fahrzeugen der Zukunft aussehen könnten, untersucht IAV derzeit gemeinsam mit der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW). Im Rahmen des BMBF-Projekts RECBAR (Realtime Ethernet In-Car Backbones) haben die beiden Partner einen Golf 7 mit zusätzlichen Sensoren wie einer HD-Kamera und 3-D-Laserscannern ausgestattet, die über TTE mit dem Fahrzeug verbunden sind. „Ihre hohen Datenraten erzeugen großen Stress im System“, so Röllig. „So können wir feststellen, ob Automotive Ethernet diesen Anforderungen gewachsen ist.“ Über Gateways können Botschaften zwischen TTE und den CAN-Bussen ausgetauscht werden – so lässt sich auch untersuchen, ob sie mit ausreichender Priorität ihre Empfänger erreichen.

Simulationen bilden kritische Netzwerkzustände nach

Um das komplexe Netzwerk im Fahrzeug zu untersuchen, nutzen IAV und HAW aber auch Simulationen, die TTE-Komponenten nachbilden und die Kommunikation detailliert analysieren können. „Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass der Datenaustausch die grundsätzlichen Anforderungen erfüllen kann“, berichtet Röllig. „In Zukunft werden wir bewusst kritische Systemzustände anfahren und Konzepte untersuchen. Denkbar wäre beispielsweise, Daten über einen zusätzlichen redundanten Link zu routen und Ausfallszenarien durch das Abschalten bestimmter Dienste und Teilnehmer zu modellieren.“

Das Projekt läuft noch bis Mitte 2016. Mit dem ersten Serieneinsatz von Automotive Ethernet jenseits proprietärer Nischen rechnet Röllig frühestens 2018.