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Das Nervensystem des vernetzten Fahrzeugs Hohe Datenraten und große Zuverlässigkeit dank Automotive Ethernet

| Autor / Redakteur: Alex Bormuth / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Automotive Ethernet bietet sich für die Automobilindustrie an, weil die Technik sich in der IT bereits bewährt hat und zudem die Anforderungen der Industrie in Bezug auf Übertragungsraten, Fehlertoleranz und vor allem Sicherheit erfüllt. Zudem gilt Ethernet als zukunftssichere Technologie – was gerade im Hinblick auf das autonome Fahren wichtig ist.

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Auch im Fahrzeug setzt man auf Ethernet – genauer gesagt auf Automotive Ethernet.
Auch im Fahrzeug setzt man auf Ethernet – genauer gesagt auf Automotive Ethernet.
(Bild: Molex)

Der Mensch ist ein komplexes Wesen – er kann Signale, die er von außen bekommt, über das Nervensystem ans Gehirn weitergeben und so auf sie reagieren. Zudem ist er in der Lage, mit seiner Umwelt zu kommunizieren und eigene Bedürfnisse mitzuteilen. Daran orientiert sich das vernetzte Fahrzeug, das ähnlich agieren soll. Dazu benötigt es – neben den Gehirnen in Form leistungsstarker, im Fahrzeug verteilter Rechner – ein Nervensystem, das Signale zuverlässig und schnell weiterleitet. Zudem muss eine Kommunikationsmöglichkeit nach „außen“ bestehen, um Signale zu empfangen und abzugeben. Automotive Ethernet sowie 5G-Kommunikationsmodule leisten dieses.

Automotive Ethernet – sicher, schnell und zuverlässig muss es sein

Eine Anforderung an das voll- und hochautomatisierte Fahrzeug ist, dass es Sicherheitseigenschaften mit seiner eigenen Sensorik und Aktorik bewältigen muss, ohne auf Daten anderer Verkehrsteilnehmer oder der Infrastruktur zurückzugreifen. Es benötigt daher Daten von Sensoren sowie ein agiles Nervensystem, das die Daten an die im Fahrzeug verteilten Recheneinheiten weitergibt. Dieses steht in Form des Automotive Ethernet zur Verfügung.

Für den Gebrauch im vernetzten Fahrzeug muss das Automotive Ethernet in der Lage sein, hohe Datenraten innerhalb des Fahrzeugs zu übertragen. Denn eine hohe Bandbreite und schnelle Signalverarbeitung sind gerade im Hinblick auf das autonome Fahren essenziell. Derzeit sind automobile Datennetzwerke von 10 Gbps verfügbar.

Neben der Übertragung spielen auch Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit des Ethernets eine wichtige Rolle. Um dies zu erreichen, setzen Hersteller beispielsweise auf redundante Kabelstränge, die einen Teilausfall kompensieren und den Weiterbetrieb des Gesamtsystems sicherstellen. Auch eine ringförmige Anordnung der Kabel ist eine Methode, um die Zuverlässigkeit des Ethernets zu erhöhen. Denn so können einzelne Komponenten auch im Fall eines Komplettausfalls an einem Punkt des Ringes miteinander kommunizieren.

Eine dritte Anforderung an das Automotive Ethernet betrifft die schnelle und zuverlässige Lieferung von sicherheitskritischen Daten an die Recheneinheiten, damit das Fahrzeug zukünftig beispielsweise selbstständig im städtischen Verkehr agieren kann.

Verbindung zur Umwelt sicherstellen mit 5G Kommunikationssystemen

Neben den Daten der eigenen Sensoren benötigt das vernetzte Fahrzeug auch die Daten anderer Verkehrsteilnehmer und der Infrastruktur, um vor allem eine Erhöhung des Fahrkomforts zu gewährleisten. Diese Daten empfängt das Auto über die Antennen, die bereits heute ein wichtiger Bestandteil des Connected Cars sind. Auch an sie werden bestimmte Anforderungen gestellt, damit externe Daten schnell an die im Fahrzeug verteilten Rechner geliefert werden.

Die empfangenen Daten werden dann von außen über die Antennen an eine Konnektivitätsplattform und von dort per Ethernet an die verteilten Rechner des Autos geliefert. Mit dieser so genannten vorverarbeiteten Sensorik kann das Fahrzeug mit seiner Umwelt kommunizieren und Signale empfangen und aussenden. Sie dient hauptsächlich der Komforterhöhung, etwa wenn ein vorausfahrendes Fahrzeug per Funk einen Bremsvorgang meldet und so in den nachfolgenden Autos eine frühzeitige und sanftere Bremsung eingeleitet werden kann. Ein weiteres Beispiel ist ein Rettungswagen, der vorausfahrenden Autos per Funk sein Kommen meldet, damit diese frühzeitig eine Rettungsgasse bilden können.

Hohe Datenströme machen Ausweitung des Frequenzbereiches notwendig

Sensordaten werden heute noch stark vorverarbeitet übertragen, da derzeit noch nicht genügend Bandbreite zur Verfügung steht. Denn die aktuell nutzbare Bandbreite liegt nur bei wenigen hundert Kilobit pro Fahrzeug, was nicht für die Komforterhöhung des Fahrzeugs reicht. Dazu müssen Fahrzeuge Sensordaten teilweise unvorverarbeitet empfangen können. Die Idealvorstellung ist, dass Autos Sensordaten in dem Maße empfangen können, in dem Daten vorhanden sind – also quasi ein Rohdatenversand möglich ist.

Jeder OEM wird hier seine eigenen Algorithmen für den Zugriff auf Sensorrohdaten implementieren – sowohl für eigene als auch für Sensoren in der Umgebung. Dafür werden jedoch signifikant höhere Datenströme bis hinein in den Gigabit-Bereich benötigt. Auch für andere Szenarien, wie die Navigation anhand tagesaktueller, hochauflösender Karten, die bspw. auch Tagesbaustellen und Streckensperrungen berücksichtigen, benötigt das autonome Fahrzeug hohe Datenströme.

Um diese Bandbreite anbieten zu können, müssen Antennen einen größeren Frequenzbereich abdecken. Dazu wird derzeit ein neuer Standard namens 5G V2X entwickelt. Er soll einige 100 MBit, im Idealfall sogar einige Gigabit/s an Bandbreite ermöglichen, damit Autos die relevante Datenmenge zur Komforterhöhung empfangen und senden können. Die Standardisierung und Definition der Anwendungsbeispiele ist laut Experten in den nächsten zwei bis drei Jahren abgeschlossen, sodass dann auch erste Produkte im Markt erscheinen werden. Ab circa 2025 rechnet man damit, dass automatisiertes Fahren in abgegrenzten Bereichen unterstützt wird.

Eine Herausforderung für 5G V2X, die derzeit noch im Raum steht, ist der Frequenzbereich, der genutzt werden soll. Denn unterhalb von 60 GHz gibt es weltweit keinen freien und kostenlosen Frequenzbereich mehr, der diese Datenmenge übertragen kann. Im Bereich von 60 GHz stoßen Entwickler jedoch auf ein physikalisches Problem. Denn hier liegt die Resonanzfrequenz des Sauerstoffmoleküls. Wird dieses in Schwingung versetzt, entzieht es den Funkwellen Energie, was dazu führt, dass die Reichweite auf wenige Meter sinkt. Das hat zur Folge, dass Anwendungen wie die Kommunikation verschiedener Fahrzeuge und der Infrastruktur dann nicht mehr möglich sind.

Antennentechnik zur Lösung der Frequenzproblematik

Die Antennentechnik bietet eine Lösung für dieses Problem. Statt einer rundumstrahlenden Antenne, die ihre Funkwellen ringförmig ausbreitet, verwenden Hersteller mehrere gerichtete Antennen. Diese können ihre Wellen kontinuierlich in eine Richtung lenken und so die Reichweite auch während der Fahrt erhöhen sowie Signale anderer Verkehrsteilnehmer empfangen und eigene senden. Die Antennen müssen dazu untereinander und mit den Rechnern des Fahrzeugs vernetzt sein, wofür wiederum das Automotive Ethernet benötigt wird, das die entstehenden Daten schnell überträgt.

Fazit

Ziel der Hersteller ist es, dass Endkunden das automatisierte System nicht bewusst wahrnehmen, da es im Hintergrund arbeitet. Durch den Einsatz des Ethernets im Auto – die Technologie kennen viele Verbraucher bereits aus dem Alltag im Büro oder Zuhause – werden Datenströme, die beim Fahren produziert werden, zuverlässig weitergeleitet. So kann das Fahrzeug Entscheidungen treffen und schlussendlich auch autonom fahren.

Alex Bormuth.
Alex Bormuth.
(Bild: Axel Wascher - Fotografie & Fotodesign Wuppertal / Molex)

Antennen werden bidirektional, d.h. in beide Richtungen zur Signalübertragung genutzt, an mehreren Stellen positioniert und ermöglichen so die Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern wie auch der Infrastruktur. Erste OEMs haben bereits Testreihen mit autonomen Fahrzeugen im Straßenverkehr gestartet. Die durch diese Kommunikation erzielte Komforterhöhung wird dabei, so die Vermutung der Automobilindustrie, auch wesentlich zur Akzeptanz des autonom fahrenden Autos beitragen.

Über den Autor

Alex Bormuth ist Director Business Development bei Molex.

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