Více datových kabelů a vyšší přenosové rychlosti – palubní síť budoucnosti má vysoké požadavky na přenos dat ve vozidle

Při pohledu na megatrendy v automobilovém průmyslu, jako je ADAS, autonomní řízení nebo mobilní kancelář, je zřejmé, že nároky na výkon palubní sítě v automobilech rostou. To má vliv na požadavky na rychlost přenosu dat, a také na počet potřebných kabelů, protože ty musí propojit potřebné senzory, kamery, displeje a centrální a zónové počítače. Aby bylo možné realizovat tato spojení s odpovídajícím výkonem, vyvstává otázka, jak vytvořit přenosový kanál, tak aby splňoval tyto požadavky.

Z datového centra do vozidla

Ve výpočetních centrech se již dnes přenášejí data rychlostí až 1 Tbit/s. To je ale možné, protože v těchto budovách byly vytvořeny ideální podmínky. Pro přenos vysokých rychlostí přenosu dat ve vozidlech je třeba vyvinout nová, robustnější řešení, která vydrží i tyto náročnější podmínky. V automobilovém průmyslu byla pro tento účel nejdříve vybrána technologie Ethernet, která se v modifikované podobě používá jako dvouvodičová technologie (elektrický měděný kabel). Optimalizací čipu, konektorů a kabelů bude v budoucnu možné přenášet data rychlostí až 25 GBit/s. Osvědčil se i optický přenos dat, například ve výpočetních centrech. V budoucnu bude k dispozici i pro aplikaci v automobilovém průmyslu.

Vznik standardů a specifikací pro automobilový průmysl

Systémy přenosu dat a příslušné specifikace pro automobilový průmysl jsou vyvíjeny ve standardizačních orgánech ve spolupráci s dodavateli automobilového průmyslu na úrovních Tier a výrobci čipů. Jednou ze známých organizací je IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), která se orientuje především na potřeby budoucnosti. Automobilový průmysl s tímto orgánem spolupracuje stále častěji, protože technologie, jako je Ethernet, se v modifikované podobě používají i v automobilech. Od založení pracovní skupiny přes novou normu až po zahájení výroby v reálném provozu uplyne přibližně 6–8 let. Přehled norem podle výborů IEEE a jejich současný stav je uveden v následující tabulce.

1) Zdroj: Matheus/Kaindl. s.18

Z toho vyplývá, že standard IEEE802.3ch specifikuje přenos dat měděným kabelem rychlostí až 10 GBit/s, což umožní výrobcům automobilů zahájit výrobu od roku 2026. Na rozdíl od klasických standardů Ethernetu byl pro automobilový průmysl specifikován přenos dvouvodičovým kabelem. Dokončení standardu pro přenos dat rychlostí až 25 GBit/s (IEEE 802.3cy) je naplánováno na konec roku 2023, ale plánované zahájení výroby je zatím otevřené. Standard založený na optických vláknech s přenosovou rychlostí až 50 Gbit/s byl přijat na jaře 2023. Vývoj standardu pro fyzickou vrstvu byl v Open Alliance zahájen v polovině roku.

Aplikace – K čemu potřebuji 25 Gbit/s nebo víc?

Nejvyšší nároky na stále vyšší přenosové rychlosti mají video aplikace (kamery, displeje) a zónové architektury. Právě v případě displejů již existují podrobné vize a konkrétní možnosti použití. Počet a rozlišení displejů a kamer se v budoucnu výrazně zvýší. Pokud bychom vzali v úvahu pouze displeje, mohl by tento počet vzrůst až na 6 kusů. V autonomních vozidlech by kromě displeje řidiče, středového displeje a displeje pro cestující mohlo být vzadu umístěno několik dalších displejů, které by vytvořily kancelář na kolech. Ty mohou v případě potřeby vyjet a když se nepoužívají, lze je opět skrýt ve stropním dílu. Zejména 8K displej vyžaduje rychlost přenosu dat 25 GBit/s i při minimálním rozlišení. Otázkou jsou 3D displeje i head-up displeje s vysokým rozlišením, které lze také flexibilně programovat a mohou sloužit jako tachometr v retro stylu nebo jako klasický head-up displej.

Kromě toho se pro autonomní řízení plánuje integrace mnoha kamer, což rovněž vyžaduje přenos vysokých rychlostí dat v reálném čase. Zatím ovšem není známo, kdy se tyto systémy dostanou do sériové výroby. Následující tabulka uvádí možné rychlosti přenosu dat v závislosti na rozlišení displeje, které lze použít i pro kamerové aplikace (surová data).

1) Zdroj: Matheus/Kaindl. s. 28

Na základě zónové architektury, která bude použita v budoucích platformách vozidel v rámci přípravy na autonomní řízení, se počet kabelů v palubní síti a ve vozidle zvýší v důsledku výrazného nárůstu počtu senzorů a kamer. Vezmeme-li v úvahu například vozidla s funkcí autonomního řízení, může počet potřebných senzorů vzrůst až na více než 100. Důležitým parametrem je však nejen počet senzorů, ale také přenos dat v reálném čase, protože vyšší latence jsou pro autonomní aplikace nepřijatelné. Další pozornost je věnována zpracování videosignálů pro kamery a displeje, které se v současnosti používají v kvalitě HD, ale v budoucnu budou vyžadovány ve výrazně vyšším rozlišení, aby bylo možné přesně rozpoznat účastníky silničního provozu, překážky atd. Odborníci v případě těchto aplikací hovoří již o rozlišení až 8K, což výrazně zvýší rychlosti přenosu potřebných dat. V závislosti na obnovovací frekvenci se tato rychlost zvyšuje až na více než 25 GBit/s.

Dalším aspektem, který souvisí s autonomními vozidly, je možnost vyvinout samostatně řídící kancelář, a také realizovat rychlé internetové připojení pomocí 5G nebo 6G. To také přispívá k celkovému zvýšení rychlosti přenosu dat.

Například německý Bundestag již připravil cestu pro autonomní řízení úrovně 4 příslušným zákonem v roce 2021. Průkopníky této technologie budou především luxusní modely od renomovaných výrobců automobilů.

Technická řešení přenosové rychlosti 25 GBit/s

Existují dva způsoby přenosu dat rychlostí 25 GBit/s, jeden prostřednictvím měděných kabelů, druhý prostřednictvím kabelů optických.

Současné a dostupné přenosové systémy Ethernet využívají měděné konektorové systémy, které budou v budoucnu schopny přenášet data rychlostí až 25 Gbit/s pomocí datového páru (special bulk stock). Existují různé druhy kabelů s měděnými vodiči, například stíněný kroucený pár (STP) a stíněný paralelní pár (SPP). Tyto dvě řady se liší svým konstrukčním řešením.

Ve stíněném krouceném páru je pár vodičů stočen k sobě v určité vzdálenosti a obklopen stíněním.

U paralelního párového kabelu je dvojice vodičů vedena paralelně po co nejdelší dobu. Při tomto nastavení je možné pokrýt vyšší frekvenční pásmo, aby se takzvané „suck-out“ efekty (například pokles/skok ve vložném útlumu na určitých frekvencích) přesunuly do co nejvyššího frekvenčního rozsahu. Pokud se to podaří, lze realizovat přenos rychlostí 25 GBit/s. Tento typ kabelu v současné době potenciální výrobci stále vyvíjejí.

1) Zdroj: Matheus/Kaindl. s.143

Kromě kabelu s měděným vodičem je možné dosáhnout rychlosti přenosu dat až 50 Gbit/s také pomocí kabelu z optických vláken. Vývoj transceivrů a příslušných konektorů a kabelů je v současné době v plném proudu. Standardizované rozhraní s konektory však dosud nebylo definováno.

Výhody, nevýhody a technické překážky různých řešení

Výhodou systémů založených na mědi jsou standardní rozhraní Ethernet, která jsou již definována v automobilovém prostředí a umožňují rychlost až 25 GBit/s. Základem jsou speciální kabely, u nichž je ale třeba pečlivě zvážit manipulaci z hlediska délky, poloměrů ohybu atd. Při bližším pohledu na normu pro přenosovou rychlost 25 Gbit/s zjistíme, že přenosová rychlost nad 25 Gbit/s vyžaduje použití dvou kabelových vláken, což se v odborných kruzích označuje jako „multilaning“. Mezinárodní výbor pro specifikaci přenosu dat IEEE založil pracovní skupinu IEEE 802.3cy pro přenos rychlostí 25 GBit/s v automobilovém průmyslu. Tento výbor spolupracuje na specifikaci přenosového kanálu se společnostmi z oboru. Vzhledem k fyzikálním limitům přenosu dat na bázi mědi je nutné omezit délku kabelů na maximální definovanou délku 11 metrů se 2 inline spojeními. Tím se liší od předchozího standardu IEEE 802.3ch, ve kterém byl přenosový kanál specifikován na 15 metrů a 4 inline spojení. Kromě toho je třeba vzít v úvahu rušivé vlivy, jako jsou elektromagnetická kompatibilita a zemní smyčky, a pomocí vhodných řešení je omezit nebo jim zabránit úplně.

Na druhé straně existuje optický přenos dat prostřednictvím optických vláken, který lze použít pro vyšší přenosové rychlosti dat než 50 Gbit/s jedním kabelem. Pro optický přenos dat zřídila organizace IEEE pracovní skupinu IEEE802.3cz, která pro přenosový kanál stanovuje maximální délku kabelu. Délka může být maximálně 40 metrů a s 4 inline spojeními. Optická řešení mají stále negativní image z dob technologií polymerových optických vláken (POF), protože manipulace s nimi může být údajně problematická kvůli poloměrům ohybu. Pro splnění vysokých nároků na optický přenos multigigabitovými rychlostmi je proto dnes nutné použít technologii optických vláken, která umožňují velmi malé poloměry ohybu a mají vysokou mechanickou pevnost. Vzhledem k tomu, že systém přenosu je stále ve fázi vývoje, jsou i příslušné konektory a kabely stále ve fázi vývoje, ale dosavadní výsledky jsou velmi slibné.

Jaké důsledky to má pro palubní síť budoucnosti?

Pokud vezmeme v úvahu všechny tyto vlivy, je zřejmé, že palubní systém vozidla budoucnosti se bude muset změnit, protože tak velké množství spojení k aplikacím (senzory, displeje, kamery atd.) nelze do vozidla nyní umístit. Řada pracovních skupin, které se tímto tématem zabývaly, dospěla k závěru, že počet jednotlivých řídicích jednotek musí být drasticky snížen a že v důsledku toho bude zavedena tzv. zónová architektura. To má značný vliv na množství, délku a výkon kabelů v elektrickém systému vozidla.

Jak se MD připravuje na tento vývoj?

Společnost MD ELEKTRONIK se již mnoho let zabývá inovativními technologiemi a pracuje na vývoji vhodných konektorů a kabelů pro tyto nové požadavky. Za tímto účelem se zintenzivňuje spolupráce s partnery z čipového průmyslu a intenzivní spolupráce s dodavateli kategorie Tier 1 s cílem přizpůsobit technologie budoucnosti jejich požadavkům. Kromě toho MD vyvíjí a realizuje vlastní výrobní procesy a technologie, aby zajistila potřebnou flexibilitu, přesnost a vysoké objemy produkce ve svých globálních výrobních závodech.

Shrnutí a závěr: Se zavedenými technologiemi až do rychlosti 25 GBit/s a dalšími novými inovacemi

Aplikace pro přenos dat rychlostí vyšší než 25 GBit/s se již vyvíjejí nebo se chystají k uvedení na trh. V prvním případě se pro tyto aplikace počítá s řešeními na bázi mědi, která jsou již široce dostupná a obecně vhodná pro použití až do rychlosti 25 Gbit/s. V závislosti na aplikaci je vhodné pečlivě ověřit, zda je lze použít pro kritické aplikace, jako jsou oblasti EMC. Pokud je rychlost přenosu dat vyšší než 25 GBit/s, je nutné ověřit, zda má smysl použít alternativní způsob přenosu.
Jednou z alternativ je například optický přenos dat, který nabízí mnoho významných výhod v kritických prostředích vozidel, ale jehož technologie musí být teprve vyvinuta do fáze, kdy bude schopna sériové výroby. Společnost MD ELEKTRONIK intenzivně pracuje na technologiích budoucnosti, aby byla schopna nabídnout správné řešení.

Protože je často obtížné rozpoznat výhody a nevýhody jednotlivých přenosových systémů a v závislosti na aplikaci lze uvažovat o různých technologiích, rádi vám nabídneme osobní poradenství pro vaši aplikaci.

Pro více informací kontaktujte náš prodejní tým!

Helmut Pritz

Helmut Pritz je produktový manažer pro optický přenos dat ve společnosti MD Elektronik. S více než dvacetiletou praxí v oboru přináší pro rozvoj této pokrokové technologie velké množství odborných znalostí. Jeho profesním cílem je vyvíjet inovativní řešení pro automobilový průmysl ve spolupráci se zákazníky, startupovými firmami, výrobci řídicích jednotek a dodavateli. Po svém působení v roli projektového manažera, kde byl zodpovědný za vývoj zásuvných komponent a souvisejících automatizačních systémů, vybudoval jako manažer vývoje RF technologií vývojové oddělení, které se zabývalo především vysokofrekvenčními technologiemi. Mezi činnosti, kterých si na své pozici obzvláště cení, patří široký kontakt se zákazníky, dodavateli a globálním týmem MD.

Tobias Hartl

Tobias Hartl je členem týmu aplikačních inženýrů v oddělení mezinárodního prodeje v MD. Jeho cílem je dále prohlubovat spolupráci se stávajícími zákazníky a posilovat technologické kontakty s výrobci OEM a zákazníky Tier 1. Ale také navázat kontakt s novými výrobci OEM a začínajícími podniky, poskytnout jim podporu a růst společně s nimi. Tobias pracuje ve společnosti MD již více než čtyři roky a díky svým zkušenostem v jednání se zákazníky a s externími partnery v budoucnu posílí technický produktový management v divizi vícežilových kabelů. Před nástupem do MD získával šest let cenné zkušenosti v oboru mobile media headunit, které úspěšně uplatňuje ve své každodenní práci.

Zdroje:

1) Matheus, K./Kaindl, M. (2023): Automotive High Speed Communication Technologies. München: Hanser Verlag.