Zentralisierte Architektur erfüllt die Anforderungen der Automobilindustrie an die Datenverarbeitung
Die zentralisierte Architektur bezieht sich auf Fahrzeugnetzwerke (IVN), bei denen das Ethernet eine dominante Position innerhalb des zentralen Knotens einnimmt und ist ein Netzwerkformat, das sich in intelligenten Fahrzeugen durchgesetzt hat. Die von autonomen Fahrzeugen geforderte höhere Datenübertragungskapazität und Computer-Leistung bedeutet, dass verteilte Architekturen die Anforderungen an Skalierbarkeit und Kommunikationsleistung nicht mehr erfüllen können.
Stattdessen wird erwartet, dass in naher Zukunft eine weitere Integration zwischen mehreren Domänencontrollern den Markt dominieren wird, was zu domänen- und domänenübergreifenden Architekturen führen wird, bis eine echte zentralisierte Architektur die Norm wird.
Damit die Architektur der Smart-Fahrzeuge dieses neue Bereich erreicht, müssen Automotive-Ethernet-Netze einschließlich zeitempfindlicher Netze (Time Sensitive Networks, TSN) der bestehenden Architektur überlagert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass niedrige Latenzzeiten und Zeitsynchronisation realisiert werden können, um Echtzeit-Computing und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zu ermöglichen. Werfen wir einen genaueren Blick auf die Komponenten der verteilten und zentralisierten Architektur, um zu verstehen, wie zukünftige Automobile gestaltet werden.
Die Evolution von verteilte zur zentralisierte Architektur
1. Verteilte Architektur
Jede Funktion korrespondiert mit der spezifischen Hardware, die für Wahrnehmung, Entscheidung und Ausführung zuständig ist. Dies führt zur mehr Kabelbäumen und komplexen Topologien, die Entlassungen in interne Kommunikationskanäle, die unnötige Rechenkraft verwenden, erstellen.
2. Domänenarchitektur
Die Architektur ändert sich von einer dezentralisierten und verteilten Architektur zu einer regionalen Konzentration mit weniger Knoten und einfachere Over-the-Air (OTA)-Upgrades. Jede Domain ist mit einem Controller, die eine hohe Rechenkraft und breitere Reichweite hat, vorhanden, die die Anzahl der Electronic Control Units (ECUs) reduziert, höhere Rechenkraft erzeugt und mehr flexible Netzwerk-Kommunikation ermöglicht.
3. Domänenübergreifende Architektur
Eine weitere Integration zwischen Domänencontrollern wird durch eine domänenübergreifende Steuerungsarchitektur erzwungen. Dadurch wird die elektronische Steuerung innerhalb eines Automobilsystems weiter zentralisiert, was die Leistung verbessert und die Kosten für Sicherheit, Energie und domänenübergreifende Ausführung senkt.
4. Zentralisierte Architektur
Eine wahre zentrale Rechenarchitektur besteht aus einer zentralen Recheneinheit, Cloud Computing, Sensoren, Aktoren und Information, die von der zentralen Recheneinheit kalkuliert wird. Durch das Optimieren des Prozesses kann die Nachfrage der Rechenkraft reduziert werden, während es möglich ist, die Informationen so schnell zu verarbeiten, dass eine niedrige Latenzzeit erreicht wird.
Die Geschichte der Bus-Technologien und was mit Automotive Netzwerke als nächstes passiert
CAN, LIN und FlexRay bordeigene Netzwerke
Bus-Technologien, die zurzeit in bordeigenen Netzwerken eingesetzt werden, beinhalten CAN, LIN, FlexRay, MOST, LVDS und Fahrzeug-Ethernet. CAN-Busse, ergänzt durch LIN-Busse, decken den Großteil des Marktes ab, wobei CAN das am weitesten verbreitete Standardprotokoll für die Übertragung von Daten in aktiven Fahrzeugnetzwerken ist. Auf der anderen Seite ist LIN ein preiswerter, universeller serieller Bus, der CAN mit Zusatzfunktionen in Türen, Schiebedächern, Sitzsteuerungen und mehr versorgt.
Jedoch nimmt FlexRay mehr Bekanntheit als die nächste Generation der Automotiven Control-Bus-Technologie nach CAN und LIN zu. Mit ihrer höheren Bandbreite kann FlexRay erfolgreich Bedienungssysteme in Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse bedienen. Da FlexRay zur Zeit nur von einem einzigen Hersteller entwickelt werden kann, sind die Entwicklungskosten leider hoch. Sowohl FlexRay als auch MOST sind erstklassige Kandidaten für die Multimedia-Datenübertragung im Fahrzeug, müssen aber wahrscheinlich in eine Standardorganisation integriert werden, wenn eine Massenverbreitung erreicht werden soll.
Vorteile der Automotive Etherne
Mit mehr automobile Elektronik im Markt als es je gab, die Anzahl der ECUs innerhalb ein Fahrzeug hat sich von ein Durchschnitt von 20 zu 30 bis zu mehr als 100 erhöht, mit den manche Fahrzeug-Kabelbäume, die eine Reichweite von bis zu 2,5 Meilen erreichen. Unter diesen Umständen werden die Grenzen von CAN-Bus deutlich. Da er nur eine Halbduplex-Kommunikation und niedrige Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglicht, ist der CAN-Bus für Hochgeschwindigkeits-, Echtzeit- und bidirektionale Datenwege, wie sie in modernen Kfz-Netzwerken benötigt werden, nur bedingt geeignet.
Automotive Ethernet soll in der Zukunft die Schlüsseltechnologie für Automotive-Netzwerke sein, da sie eine hohe Bandbreite, einen leichten Kabelbaum besitzen und kosteneffektiv sind. Anders als traditionelle Automotive-Netzwerke stellt Ethernet Datenübertragungen, die hoch genug sind, um bandbreit-intensive Applikationen zu erfüllen, zur Verfügung. Andere technische Vorteile, die es mit sich bringt, sind die hohe automotive Zuverlässigkeit, angemessene Bandbreitenzuweisung sowie geringe elektromagnetische Strahlung, Stromverbrauch, Latenzzeit und Gewicht des Hardwares.
Ein Überblick der Automotive Ethernet-Hardware und -Software
Hardware-Struktur der Automotive Ethernet
Automotive Ethernet arbeitet mit paar Kupferübertragungskanäle, die eine gute mechanische Festigkeit, einen kleinen Biegeradius und eine gute Beständigkeit gegen raue Wetterbedingungen aufweisen. Sie können auch direkt ohne photoelektrische Umwandlungsgeräte verwendet werden, was sie zur idealen Wahl für die Datenübertragung der "letzten Hundert" macht. Nach Angaben von Ethernet-Verband liegt die derzeitige Übertragungsrate von kupferbasierte Ethernet zwischen 10Mb/s und 10Gb/s. Es wird erwartet, dass dieser Wert mit dem Aufkommen neuer Ethernet-Designs steigen wird.
Heutige Mainstream-Ethernet-Standard
Ethernet hat bisher viele Netzwerke ersetzt, um die am meisten genutzte LAN-Technologie auf der Welt zu sein. Mit über 50 Jahren von Entwicklung und hartem Arbeiten stieg die Ethernet-Geschwindigkeit von Standard-Ethernet (10Mbps) zu schnellem Ethernet (100Mbps), die jetzige Gigabit-Ethernet. In den letzten Jahren wurden neue Rate-Standard wie 2.5GE, 5GE, 25GE und 50GE erstellt, um in verschiedenen Anwendungsszenarien und Kostenfaktoren zu helfen. Gigabit Ethernet 1000BASE-T ist die derzeitige Mainstream-Ethernet-basierte Twisted-Pair-Technologie, die ihrerseits auf dem 802.3ab-Standard basiert und 1000Mb/s-Datenströme auf Twisted-Pair-Leitungen der Kategorie 5 mit mehr als 100M übertragen kann.
Wie Ethernet sich in der Zukunft entwickeln wird
Während sich die Kommunikationslösung mit den schnellsten Datenübertragungsraten bei allen Bustypen entwickelt, wird es vermutet, dass die Ethernet-Anwendungen von lokalisierten Anwendungen wie Smart-Cockpits bis hin zum Rückgrat der bordeigenen Kommunikation verbreitet:
- Förderung und Anwendung von DoIP (Diagnostics Over Internet Protocol): Dieses ermöglicht sowohl On-Board-Diagnosesysteme und eine ECU-Software-Erfrischung als auch Fahrassistenz-Systeme, die IP-Kameras benutzen.
- Integration von Subsystemen: Kombinieren von Applikationen wie Multimedia-, Fahrassistenz- und Diagnose-Interface.
- Ethernet als ein IVN-Backbone: TSN wird langsam vorgestellt und das domänenübergreifende Automotive-Netzwerk wird erstellt.
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