Kommunikasjon i neste generasjons biler

Biler endrer seg stadig raskere og blir både tryggere, sikrere og grønnere. Tilkoblet, delt, autonom og elektrifisert er de store temaene som driver bilindustrien i dag. For at biler skal kunne ta komplekse beslutninger kreves det store mengder data som samles inn fra sensorer på utsiden av kjøretøyet og deretter behandles eller vises på innsiden. For at beslutninger skal tas og utføres i sanntid er det derfor nødvendig med ultra-høyhastighets tilkoblingsløsninger. I denne artikkelen vurderer vi potensialet til ulike eldre og nåværende nettverksteknologier i bilbransjen for bruk i denne sikkerhetskritiske applikasjonen ved å undersøke deres evne til å oppfylle noen av de viktigste tekniske kravene.

Eldre tilkoblingsløsninger

Avanserte førerassistansesystemer (ADAS) fungerer ved å behandle bilder fra flere kameraer og på samme tid kombinere disse med andre data fra LiDAR, RADAR og ultrasoniske sensorer (figur 1).

Denne informasjonen må overføres til flere elektroniske kontrollenheter (ECU-er) som er fordelt rundt kjøretøyet, via kabler på opptil 15 meter. Viktige krav til transporteringen av disse dataene inkluderer:

· Latenstid: Ettersom kjøretøyet blir mer autonomt, blir latens og datafeil uakseptabelt. Signaler fra flere sensorer og kameraer kombineres for å skape en tredimensjonal representasjon av det eksterne miljøet i sanntid. Forsinkelser og/eller feil i datastrømmen fra selv en liten sensor kan gjøre det vanskelig for en ECU å identifisere det omkringliggende miljøet fullt ut, noe som kan få potensielt katastrofale følger for kjøretøyet, passasjerene og dem som er i nærheten.

· Pålitelighet og robusthet: Det begrensede fysiske rommet i et kjøretøy gjør elektromagnetisk interferens (EMI) til et reelt problem. Når antallet elektroniske komponenter øker, blir plassen en utfordring, og når komponenter og kabler plasseres tettere sammen, blir de sårbare for crosstalk.

· Redundans: Akkurat som med fly, krever høyt automatiserte og autonome kjøretøy feilsikre systemer som automatisk kan omdirigere data rundt feilpunkter for å tillate at kjøretøyet fortsetter å fungere normalt eller stopper kontrollert.

· Båndbredde: ADAS-data må transporteres med datahastigheter på over ti gigabit per sekund.

Noen bilnettverksteknologier har eksistert i flere tiår og brukes fremdeles i dag fordi de fungerer enkelt, rimelig og pålitelig. Disse inkluderer vanligvis Local Area Internet Network (LIN), som opererer ved hastigheter på titalls kilobit per sekund, Controller Area Network (CAN) med hastigheter opptil 1 Mb/s og dens etterfølger CAN_FD (opptil 12 Mb/s). FlexRay ble adoptert av noen high-end originale utstyrsprodusenter for sikkerhetskritiske applikasjoner og støtter datahastigheter opptil 10 Mb/s. Ingen av disse kommer imidlertid i nærheten av å imøtekomme multi-gigabit båndbreddekravene til dagens ADAS-applikasjoner, noe som eliminerer disse eldre bilnettverksløsningene som potensielle kandidater for å møte denne utfordringen.

Ethernet i bil

Ethernet ble utviklet i 1973 og standardisert av Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) i 1985 som IEEE802.3 før det senere ble den nesten universelle protokollen for datakommunikasjon i lokale nettverk. Ethernet-signaler kan overføres over koaksial-, fiberoptiske og uskjermede tvunnede parkabler, med hastigheter fra 10 Mb/s i begynnelsen til over 1000 Gb/s i dag. Etter hvert som datateknologien begynte å bli brukt i bilutstyr, begynte industrien å undersøke den velkjente Ethernet-protokollen som en datakommunikasjonsløsning. I 2016 publiserte IEEE den første standarden for Ethernet i bil, 100Base-T1 i IEE802.3bw. Selv om det finnes likheter (begge versjoner bruker uskjermede tvunnede parkabler med to kobberledninger tvunnet sammen langs kabellengden for å redusere elektromagnetisk stråling og crosstalk), er det noen forskjeller.

100Base-TX bruker to par ledninger – ett par for å bære det sendte signalet i én retning, mens det andre paret bærer det mottatte signalet i motsatt retning. Ethernet i bil bruker bare ett enkelt par med ledninger (SPE) for sending og mottak, noe som gjør kabelen lettere og billigere. Standarden for 100Base-TX spesifiserer en maksimal kabellengde på 100 meter, mens Ethernet i bil spesifiserer en makslengde på bare 15 meter – en avstand som passer bedre til størrelsen og skalaen til et kjøretøy. En annen forskjell er kodingsmetoden som brukes til å redusere EMI og crosstalk. 100 Mb/s IEEE802.3bw-versjonen av Ethernet-standarden har blitt bredt adoptert i bilindustrien. Denne hastigheten er imidlertid ikke nok til å samtidig overføre data fra flere sensorer og høyoppløselige kamerastrømmer til en ECU og videre til en skjerm.

IEEE 802.3bp, eller 1000Base-T1, tillater gigabit-hastigheter over en tvunnet kabel, men den opererer ved 600 MHz, noe som medfører ulempen med å gjøre kabler mer mottakelige for crosstalk, og ytterligere kompliserer oppgaven med å håndtere elektromagnetisk støy. I 2020 produserte IEEE 802.3ch, som muliggjør multi-gigabit Ethernet med standardhastigheter på 2,5 Gb/s, 5 Gb/s og 10Gb/s over kabler på opptil 15 meters lengde. Mens fremtidige versjoner av Ethernet kan ha høyere datahastigheter, er dagens Ethernet i bil et utmerket alternativ for funksjonene utført av eldre tilkoblingsløsninger. Det oppfyller likevel ikke båndbreddekravene til ADAS-systemer og skjermer med høy oppløsning.

Serielle forbindelser

Å koble et kamera med høy oppløsning til en skjerm kreves ikke en fullstendig symmetrisk dataforbindelse som Ethernet. Asymmetriske «SerDes»-systemer, som bruker en serialiseringsbrikke på sendersiden og en deserialiseringsbrikke på mottakersiden, blir nå ofte brukt av originale utstyrsprodusenter for å overføre høyhastighets video- og sensordata. Tidlige løsninger inkluderte APIX III (Inova), GMSL (Maxim Integrated), og FPD III-Link (Texas Instruments) som tilbød datahastigheter på opptil 3 Gb/s over en enkelt koaksial- eller differensialkabel. Andre generasjon av denne teknologien økte datahastighetene til opptil 6 Gb/s på én kanal (eller 12 Gb/s med to kombinerte kanaler). Sammenlignet med Ethernet i bil, bruker et SerDes-system en asymmetrisk forbindelse, noe som betyr at datahastighetene i én retning (nedstrømsforbindelsen) er mye høyere enn for den andre (oppstrøms). For video- og sensorapplikasjoner er dette tilstrekkelig, da kameraer primært er en kilde til høyhastighetsdata og bare mottar kontrollsignaler med mye lavere hastigheter. Skjermer mottar også høyhastighetsdata, men sender bare av og til kontrolldata til ECU-en, for eksempel når en finger berører en berøringsskjerm. Denne asymmetriske tilnærmingen forenkler fysisk kompleksitet og reduserer kanalbehovet, slik at originale utstyrsprodusenter kan skreddersy et mer kostnadseffektivt system enn det som var mulig med en full duplex, symmetrisk Ethernet-basert implementering med samme hastighet.

MASS

For å imøtekomme behovet for et enkelt, enhetlig, høyhastighets fysisk lag-grensesnitt for bruk med serielle forbindelser i biler, gikk medlemmene i Mobile Industry Processor Interface (MIPI)-alliansen i gang med å utvikle MIPI Automotive SerDes Solution (MASS). Dette førte til utgivelsen av A-PHY v1.0 i september 2020, den første leverandøragnostiske, høyhastighets, langtrekkende SerDes-løsningen med fysisk lag for bilapplikasjoner som også ble adoptert av IEEE. Denne standarden inkluderer en handlingsplan for hvordan man på sikt skal oppnå datahastigheter på opptil 32 Gbps, noe som gjør den godt egnet til å møte økningen i båndbreddekravene når flere elektroniske systemer blir integrert i biler i fremtiden.

Konklusjon

Ettersom biler beveger seg raskt mot autonomi, vil antallet ADAS-systemer og hastigheten der de transporterer og behandler data øke dramatisk. Eldre nettverksløsninger i biler er altfor trege til å bli betraktet som levedyktige løsninger for å møte den økende tilkoblingsutfordringen. Selv om Ethernet i bil nærmer seg de nødvendige datahastighetene, kommer den til kort når det gjelder båndbredden som kreves for bruk med høyoppløselige skjermer. For øyeblikket tilbyr asymmetriske, serielle forbindelser den beste løsningen for multi-gigabit datakommunikasjon, og etableringen av bransjestandarden APHY v1.0 for denne teknologien byr på en handlingsplan som sikrer dens anvendelse i fremtiden.