Повече проводници за данни и по-високи скорости на пренос – Бордовата мрежа на бъдещето поставя високи изисквания към преноса на данни в автомобила

Ако погледнем мегатенденциите в автомобилната индустрия, като напр. ADAS, автономно шофиране или мобилен офис, става ясно, че изискванията към производителността на автомобилната бордова мрежа нарастват. От една страна, това се отразява на изискванията за скоростта на пренос на данни и, от друга страна, на броя на необходимите проводници, тъй като те трябва да свързват необходимите сензори, камери, дисплеи, както и централните и зоновите компютри. За да се направят тези връзки съответстващо ефективни, възниква въпросът как каналът за пренос може да бъде проектиран за тези изисквания.

От центъра за обработка на данни до автомобила

Скорости за пренос на данни до 1 Tbit/s вече се използват в центровете за обработка данни. Това е осъществимо, защото в такива сгради са създадени идеални условия. За преноса на данни с висока скорост в автомобилите трябва да се разработят нови, по-стабилни решения, които да издържат на тежките условия в тях. За тази цел в автомобилния сектор първоначално беше избрана Ethernet технология, която се използва в модифицирана форма като двупроводна технология (електричество по мед). Чрез оптимизации на чипа, щекера и проводниците ще бъде възможно да се пренасят до 25 GBit/s в бъдеще. В допълнение, както в центровете за обработка на данни, се е наложил оптичният пренос, който ще бъде достъпен и за автомобилни приложения в бъдеще.

Появата на стандарти и спецификации за автомобилната индустрия

Системите за пренос на данни и съответните спецификации за автомобилната индустрия се разработват в комисии по стандартизация в сътрудничество с автомобилни доставчици, Tier нивата, както и производителите на чипове. Добре позната комисия е IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), който е ориентиран към нуждите на бъдещето. Автомобилната индустрия все повече работи с тази комисия, тъй като технологии като напр. Ethernet, се използват и в автомобилите в модифицирана форма. Средно са необходими ок. 6 – 8 години от стартирането на работната група за разработване на нов стандарт до началото на производството в сферата. Преглед на стандартите според комисиите на IEEE и текущото състояние могат да бъдат открити в следващата таблица.

^{1) Източник: Матеус/Кайндл. S.18}

От това следва, че стандартът IEEE802.3ch е специфицирал пренос на данни до 10 GBit/s чрез решение с меден проводник, което ще позволи на производителите на автомобили да започнат производство от 2026 г. За разлика от класическите Ethernet стандарти, за автомобилния сектор е специфициран пренос чрез двужилен проводник. Завършването на стандарта за пренос на данни до 25 GBit/s (IEEE 802.3cy) е планирано за края на 2023 г., но планираният старт на производството все още не е определен. Стандартът, базиран на оптични проводници със скорост на пренос на данни до 50 GBit/s беше приет през пролетта на 2023 г. Разработването на стандарта за Physical Layer стартира в Open Alliance в средата на годината.

Приложения – За какво са ми нужни 25 GBit/s или повече?

Големите двигатели за все по-високи скорости за пренос на данни са видео приложенията (камери, дисплеи) и зоновите архитектури. Вече има детайлни визии и конкретни възможности за приложения, особено що се отнася до дисплеите. Броят и разделителната способност на дисплеите и камерите ще се увеличат драстично в бъдеще. Ако разглеждаме само дисплеите, броят може да нарасне до 6. При автономните превозни средства, в допълнение към дисплея за водача, централния дисплей и дисплея за пътниците, могат да бъдат инсталирани няколко дисплея в задната част, за да се създаде „офис на колела“. Те могат да бъдат изведени и прибрани обратно в облицовката на покрива, когато не се използват. Най-вече 8 k дисплеят изисква пренос на данни дори при минимална разделителна способност с 25 GBit/s. Както 3D дисплеите, така и Head-Up дисплеите с висока разделителна способност са тема за размисъл, тъй като те могат да бъдат програмирани и гъвкаво и могат да служат като скоростомер в ретро стил или като класически Head-Up дисплей.

Освен това се обмисля интегрирането на много камери за автономно шофиране, което също изисква пренос на данни с висока скорост в реално време. Все още не е известно кога подобни системи ще влязат в серийно производство. Следващата таблица показва възможните скорости на пренос на данни в зависимост от разделителната способност на дисплея, които могат да се използват и за приложения за камера (необработени данни).

^{1) Източник: Матеус/Кайндл. S.28}

Въз основа на зоновата архитектура, която ще се използва в бъдещите платформи за автомобили за подготовка за автономно шофиране, броят на проводниците в бордовата мрежа или в автомобила ще се увеличи поради значително нарастващия брой сензори и камери. Например, ако погледнете автомобилите с функции за автономно управление, броят на необходимите сензори може да нарасне до над 100. Не само броят на сензорите обаче е важен параметър, но и преносът в реално време, тъй като по-високите времена на латентност не са приемливи за автономни приложения. Друг акцент е върху обработката на видеосигнали за камери и дисплеи, които в момента се използват в HD качество, но ще се изискват значително по-високи резолюции в бъдеще, за да се гарантира точно откриване на участници в движението, препятствия и др. Експертите вече говорят за разделителни способности до 8 K за тези приложения, което драстично ще увеличи скоростта на пренос на данни. В зависимост от честотата на опресняване, тя се увеличава до над 25 Gbit/s.

Друг аспект, който идва с автономните автомобили, е, че става възможно разработването на самоуправляващи се офиси и трябва да бъде реализирана допълнително бърза интернет връзка чрез употребата на 5G или 6G. Това също допринася за общото увеличаване на скоростите за пренос на данни.

Например немският Бундестаг вече проправи пътя за ниво 4 на автономно шофиране през 2021 г. със съответния закон. Пионери в тази технология ще бъдат предимно луксозните модели на производителите на автомобили.

Технически решения за пренос на 25 GBit/s

Има два начина за достигане на скорост на пренос на данни от 25 Gbit/s, единият чрез медни кабели, а другият чрез оптични проводници.

Разпространените и достъпни Ethernet системи за пренос използват щекерни системи,на медна основа, които в бъдеще ще могат да достигат скорост на пренос на данни от 25 GBit/s с помощта на двойка данни (специални компоненти на метър). Има различни видове проводници на медна основа, Shielded Twisted Pair (STP) и Shielded Parallel Pair (SPP). Тези два вида проводници се различават по своята структура.

При проводника Shielded Twisted Pair двойката жила е усукана с определено разстояние помежду им и е обградена от екранировка.

При Parallel Pair компонентите на метър двойката жила са прокарани успоредно възможно най-дълго. С тази структура е възможно да се покрие по-висока честотна лента, за да се изместят така наречените „Suck-out“ ефекти (спад/внезапно увеличаване, напр. на загубата при добавяне при определени честоти) във възможно най-високия честотен диапазон. Ако това е успешно, може да се постигне пренос от 25 Gbit/s. Този тип проводници в момента все още се разработва от потенциални производители.

^{1) Източник: Матеус/Кайндл. S.143}

Освен чрез компонентите на метър на медна основа има и възможност за постигане на скорост на пренос на данни до 50 GBit/s и чрез оптичен кабел. Разработката на трансивъри, както и съответните конектори и кабели в момента е в разгара си. Все още обаче не е дефиниран стандартизиран интерфейс с конектори.

Предимства и недостатъци, както и технически пречки пред различните подходи за решение

Предимството на системите на медна основа са стандартните Ethernet интерфейси, вече дефинирани в автомобилната среда, които позволяват до 25 GBit/s. Базата за това са специални проводници, чиято употреба трябва да бъде внимателно обмислена по отношение на дължини, радиуси на огъване и т.н. Ако разгледаме по-отблизо стандарта за пренос на 25 GBit/s ще забележим, че използването на 2 кабелни нишки е необходимо при скорост за пренос на данни над 25 GBit/s което е известно в специализираните кръгове като „multilaning“. Международната комисия за спецификация на преноса на данни IEEE създаде работна група IEEE 802.3cy за преноса с 25 Gbit/s в автомобилния сектор. Тази комисия работи с компании от индустрията по спецификацията на канал за пренос. Поради физическите ограничения на преноса на данни на медна основа е необходимо ограничение на дължината на кабела, което е определено на максимална дължина от 11 метра с 2 вътрешни линии. Това се различава от предходния стандарт IEEE 802.3ch, при който каналът за пренос беше определен на 15 метра с 4 вътрешни връзки. Освен това трябва да се вземе предвид влиянието на смущения като ЕМС и заземителни вериги, като се намали или избегне чрез подходящи решения.

За разлика от това оптичният пренос на данни чрез оптични влакна може да се използва за скорости на пренос на данни, по-високи дори от 50 Gbit/s, чрез проводник. За оптичния пренос на данни IEEE основа работна група IEEE802.3cz за определяне на максималната дължина на проводника на канала за пренос. Тя беше определена на максимум 40 m и 4 вътрешни връзки. Оптичните решения имат негативен имидж от времето на технологиите Polymer Optical Fiber (POF), тъй като се предполага, че работата с тях може да бъде проблематична поради радиусите на огъване. За да се отговори на високите изисквания на оптичния мулти-гигабитов пренос днес, е необходимо използването на технология с оптични влакна, тъй като тя позволява много малки радиуси на огъване и има висока механична якост. Тъй като система за пренос все още е в процес на разработка, съответните конектори и кабели също са все още във фаза на разработка, но досегашните резултати са много обещаващи.

Какви са последиците за бордовата мрежа на бъдещето?

Ако разгледате всички тези влияния, става ясно, че бордовата мрежа на бъдещето ще трябва да се промени, тъй като тези големи количества връзки към приложенията (сензори, дисплеи, камери и т.н.) не могат да бъдат поместени в автомобила както преди. Големият брой работни групи, занимаващи се с тази тема, стигнаха до извода, че броят на индивидуалните контролерите трябва да бъде драстично намален и в резултат на това трябва да бъде въведена така наречената зонова архитектура. Това ще окаже значително влияние върху количеството, дължината и производителността на проводниците в бордовата мрежа.

Как MD се подготвя за това развитие?

MD ELEKTRONIK от много години работи с иновативни технологии, за да разработи подходящи конектори и кабели за тези нови изисквания. За тази цел се насърчава сътрудничеството с партньори от индустрията за производство на чипове, както и интензивното сътрудничество с доставчици от Tier1, за да се адаптират технологиите на бъдещето към техните изисквания. В допълнение, MD разработва и реализира свои собствени производствени процеси и технологии, за да осигури необходимата гъвкавост, прецизност и големи обеми в своите глобални производствени обекти.

Обобщение и заключение: С утвърдени технологии до 25 GBit/s и с нови иновации отвъд тях.

Приложенията за скорости за пренос на данни над 25 Gbit/s вече се разработват или предстои да бъдат въведени. Първият подход е да се използват решения на базата на мед за тези приложения, тъй като те вече са широко достъпни и като цяло са подходящи за използване при скорости до 25 Gbit/s. В зависимост от приложението е препоръчително да проверите внимателно дали те могат да се използват за критични сфери на приложение, като например сферата на EMC. Ако скоростта за пренос на данни е над 25 GBit/s, трябва да проверите дали алтернативен тип пренос би имал смисъл.

Алтернатива, например, е оптичният пренос на данни, който предлага много значителни предимства в критичната среда в автомобила, но чиято технология все още трябва да бъде разработена до серийно производство. MD ELEKTRONIK се занимава интензивно с технологиите на бъдещето, за да може да предложи правилното решение.

Тъй като често е трудно да се идентифицират предимствата и недостатъците на съответните преносни системи и различните технологии идват на дневен ред в зависимост от приложението, ние ще се радваме да предложим възможността за лична консултация за Вашето приложение.

Свържете се с нашия търговски екип сега, за да получите допълнителна информация!

_{Източници:}

_{1) Матеус, К./Кайндл, М. (2023 г.): Automotive High Speed Communication Technologies. Мюнхен: Ханзер Ферлаг.}