Технология на бъдещето? От електрически към оптичен пренос на данни в автомобила

Оптичен пренос на данни: Това, което вече е част от ежедневието в центровете за данни, ще революционизира преноса на данни в автомобилния сектор

Ethernet технологията от години навлиза все повече и повече в света на автомобилите, което води до сериозни промени в архитектурата на бордовата мрежа. Причините за това са постоянно нарастващите количества данни от ADAS, автоматизираното и автономно шофиране, както и нарастващият брой сензори, камери и екрани в автомобила. Промяната в начина на ползването на превозните средства в процеса на въвеждане на автономното шофиране също изисква съответните количества данни. Така например превозното средство на бъдещето ще може да се използва като офис или всекидневна. Друга причина за използването на Ethernet технологията е да се намали сложността на кабелния сноп и той да може да се произвежда автоматизирано.

От дълго време наблюдаваме тенденцията в големите центрове за данни в света класическите Ethernet системи да се заменят с оптичен пренос на данни. Това вече е много напреднало в сферата на телекомуникациите.

Това повдига въпроса защо класическите Ethernet системи се заменят с оптичен пренос на данни, по какво се различават тези системи и какви са предимствата и недостатъците, както и границите на двете системи. Точно с тези въпроси се занимаваме в тази статия от блога.

Оптични или медни технологии за пренос и техните физически характеристики

Ако разгледате структурата на канала за пренос, ще откриете значителни разлики във функцията на съответната технология за пренос. Докато при електрическия пренос на данни електроните са отговорни за преноса на различните стойности на напрежението, при оптичния пренос на данни фотоните са тези, които изпращат вид „морзова азбука“, при която източникът на светлина се включва и изключва с много висока честота.

Ако разгледаме скоростта на пренос, с 230 000 km/s електромагнитният пренос на данни би могъл да достигне по-висока скорост от оптичния, тъй като скоростта на светлината в оптичното влакно е по-ниска – само 200 000 km/s. Погрешна мисъл, тъй като физичните ефекти играят голяма роля в електромагнитния пренос на данни.

Важен фактор е затихването, което се увеличава свръхпропорционално спрямо честотата на пренос при електрическия пренос на данни. Като допълнителен фактор роля играе дължината на преносната връзка, която допълнително засилва този ефект. Следователно е необходимо да се ограничи дължината на линията при скорости на данните над 10 Gbit/s за електрически пренос (напр. 10 Gbit/s до 15 m или 25 Gbit/s до 11 m). Използват се също възможностите за компресиране на така наречената импулсно-амплитудна модулация (PAM 4 – PAM16) за пренос на данни с по-висока скорост, за да могат да се изпращат необходимите количества данни чрез линиите за пренос.

Освен това е необходимо да се ограничи броят на така наречените Inline връзки. Индустрията за производство на чипове в момента се опитва да намери решения за подобряване на интегритета на сигнала, за да се предотврати Multi-Laning (няколко паралелни линии) при скорости на данните >25 Gbit/s. Тук се прилагат теми от Digital Signal Processing (DSP), като еквалайзер, Common Mode Choke, DC блок, EMI филтър и ESD безопасни пътища, за да се направи възможен интегритетът на сигнала чрез действията на контролера. Тези действия се отразяват чрез по-високата скорост на пренос на данните върху необходимата площ на платката, податливостта на електромагнитни смущения, а с това и върху разходите.

Ако разгледате оптичния пренос на данни, бързо става ясно, че физичните закономерности отварят широко поле, което вече се използва в центровете за данни. Поради ниското затихване, например на влакнесто-оптичните линии, е възможен пренос с 25 Gbit/s на поне 40 m при NRZ (non Return to Zero). Това означава, че преносът може да се извърши без компресия. Това намалява сложността на предаването към контролера, тъй като усилията за DSP и PAM модулация не са необходими при тази скорост на данните. Друго предимство е, че чрез премахването на тези действия може да се спести място върху контролера. В допълнение оптичният пренос на данни има предимство и в областта на електромагнитната съвместимост (EMC), тъй като както пластмасата, така и стъклото не позволяват въздействие от електрически и магнитни полета. Следователно тази технология е идеална за употреба в чувствителни зони в превозното средство, като системите за управление на акумулатора, за използване при галванично разделяне или в областта на HF антените.

Оптичният пренос на данни като технология на бъдещето в автомобила?

С всички плюсове и минуси възниква въпросът кога би било разумно да се мисли за промяна на парадигмата в автомобилния пренос на данни.

Според вътрешно проучване на MD сред експерти мненията все още са много различни, тъй като само няколко компании на пазара в момента се занимават с тази технология. В проучването се сравняват точки от областта на техническите усилия, разходите и приемането от страна на клиентите при нива на скоростите за пренос на данни от IEEE 10 Gbit/s, 25 Gbit/s и 50 Gbit/s.

Резултатите относно техническите усилия се определят въз основа на необходимите мерки за EMC, граничните стойности (напр. затихване, смущения), сложността на чипа, броя inline конектори, проектантските усилия за минимизиране на отраженията и постигането на необходимата честота на пренос. Постижимата дължина на връзките също е включена в оценката.

За оценяване на разходите се разглежда оценката на финансовите разходи за дадената преносна връзка. Това включва връзката Chip-to-Chip, включително всички необходими мерки върху платката, които позволяват сигурния пренос на данни за всяка скорост при необходимите условия.

Друга важна точка от оценката е приемането от страна на клиентите, което се изразява в цифри чрез приемането на технологията за пренос и чрез приложимостта при производителите на оригинално оборудване (OEM) и операторите от Tier1. Това включва оценка на необходимите усилия, например за тестове за одобрение, разходите за одобрение и усилията при инсталацията в превозните средства.

От тези запитвания се определят средни стойности за отделните диаграми, които биват използвани в последствие. Има сравнително точно твърдение относно точката, в която разходите за електрически пренос на данни надвишават тези за оптичен пренос – и най-късно тогава автомобилната индустрия ще пренасочи курса си към оптичния пренос на данни.

Разходи за скорост на пренос на данни

Причината за това е, че в диапазона между 10 и 25 Gbit/s разходите за постигане на качество на сигнала нарастват експоненциално. Дори е възможно те да надхвърлят разходите за въвеждане на нова технология в средносрочен план. Това ще се случи най-късно след скоростта от 25 Gbit/s, тъй като от този момент нататък за функционираща медна връзка са необходими 2 линии (напр. H-MTD проводници) паралелно.

Разходи за скорост на пренос на данни

Важен момент за въвеждането на оптичния пренос на данни е приемането от страна на клиента. Ако разгледаме проучването (вижте фиг. 3), става ясно, че оптичната технология все още се нуждае от повече популяризиране, за да се подготви тя за серийна употреба в автомобилния сектор. Ако приемем, че внедряването ще се случи при 25 Gbit/s, времето за създаване на регулирано стартиране на серийно производство изтича, тъй като одобрението на нова технология отнема малко повече време от одобрението на познати технологии.

Приемане на технологиите за съответните скорости за пренос на данни

Ранното приемане може да бъде постигнато само чрез демонстриране на многобройните предимства като механична надеждност, EMC независимост, лесно галванично разделяне, както и спестяване на място за инсталиране и тегло.

Медта – оскъден ресурс

Друг съществен момент за промяната на парадигмата е наличието на ресурси като медта, които стават оскъдни много по-рано от очакваното поради нарастващото търсене. Причината за това е изключително нарастващото търсене на бордовата мрежа за пренос на енергия, което налага да се обмислят алтернативи на бордовата система за пренос на данни. Оптичният пренос на данни би бил оптималното решение тук, тъй като не съдържа никакви медни компоненти, което означава, че бордовата мрежа ще бъде независима от този проблем.

Кога оптичният пренос на данни ще се наложи в автомобилите?

И накрая възниква въпросът кога би могъл да бъде възможният момент за въвеждането на оптичния пренос на данни в автомобилите. Тази тема също е засегната в проучването и резултатът е малко изненадващ, тъй като мненията по този въпрос са много различни. От анализа на най-ранните инстанции на приложение може да се види на фиг. 4, че колкото по-висока е скоростта на пренос на данни, толкова повече запитаните разчитат на оптичното решение. Може да се предположи, че използването на оптичен мултигигабитов пренос ще започне през 2026 г. с първи серии приложения и че след това тази технология постепенно ще завладее пазара.

Кога оптиката ще се наложи като среда за пренос в автомобилната бордова мрежа?

Заключение

Имайки предвид всички тези факти, човек бързо стига до извода, че времето до началото на употребата на оптиката като нова технология няма да е дълго, защото необходимостта от решаване на всички тези проблеми нараства. Също и стандартизацията на IEEE802.3cz ще бъде завършена в началото на 2023 г. Тогава ще стартира Physical Layer на Open Alliance, така че стандартизацията на оптичния мултигигабитов пренос вероятно ще бъде фиксирана през 2024 г.

Поради тази причина MD ELEKTRONIK вече се занимава интензивно с оптичния пренос на данни в превозни средства и работи върху решения за бъдещите технологии на утрешния ден.