Más cables de datos y mayor velocidad de transmisión: la red de a bordo del futuro plantea exigentes requisitos para la transmisión de datos en el vehículo

Si se tienen en cuenta las megatendencias en la industria automovilística como, por ejemplo, los ADAS, la conducción autónoma o la «oficina móvil», se hace patente que los requisitos relativos al rendimiento de la red de a bordo del vehículo son cada vez mayores. Esto afecta, por una parte, a los requisitos de velocidad de transmisión de datos y, por otra, a la cantidad de cables que se requieren, ya que tienen que conectar entre sí los sensores, cámaras, pantallas y ordenadores centrales y zonales necesarios. Para que estas conexiones tengan la potencia adecuada, se plantea la cuestión de cómo ha de diseñarse el canal de transmisión de forma que cumpla estos requisitos.

Del centro de datos al vehículo

Actualmente, en los centros de datos ya se alcanzan velocidades de transmisión de hasta 1 Tbit/s. Esto es posible porque en estos edificios se han creado las condiciones ideales. Para la transmisión de datos a velocidades elevadas en los vehículos deben desarrollarse soluciones nuevas y más resistentes que soporten las duras condiciones de esta aplicación. Para ello, en el sector de la automoción se eligió en primer lugar la tecnología Ethernet, que se aplica de forma modificada como tecnología de dos hilos (eléctricamente a través de cobre). Gracias a la optimización de los microchips, los conectores y los cables, en el futuro será posible alcanzar una velocidad de transmisión de hasta 25 GBit/s. Además, al igual que en los centros de datos, también se ha establecido la transmisión óptica de datos, que en el futuro también estará disponible para las aplicaciones automovilísticas.

La creación de estándares y especificaciones para la industria automovilística

Los sistemas de transmisión de datos y las especificaciones correspondientes para la industria de automoción se elaboran en organizaciones de estandarización, en colaboración con los proveedores de la industria automovilística, las empresas de los diferentes niveles Tier y los fabricantes de microchips. Una organización conocida es el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), que está orientado a las necesidades del futuro. La industria automovilística colabora cada vez más con esta organización, ya que las tecnologías como, por ejemplo, Ethernet, también se utilizan de forma modificada en el vehículo. Desde la creación del grupo de trabajo para elaborar el nuevo estándar hasta el inicio de la producción en campo transcurren de media entre 6 y 8 años. En la siguiente tabla se puede ver un resumen de los estándares según las organizaciones IEEE, así como el estado actual.

^{1) Fuente: Matheus/Kaindl. Pág. 18}

De aquí se deduce que el estándar IEEE802.3ch especifica la transmisión de datos a través de una solución con cable de cobre hasta 10 GBit/s, lo cual permite un inicio de la producción por parte de los fabricantes automovilísticos a partir de 2026. A diferencia de los estándares Ethernet clásicos, para el sector de la automoción se ha especificado la transmisión a través de un cable de dos hilos. Para una velocidad de transmisión de hasta 25 GBit/s (IEEE 802.3cy), la finalización de este estándar está prevista para finales de 2023, pero el inicio de la producción está aún por determinar. El estándar basado en cables ópticos con una velocidad de transmisión de datos de hasta 50 GBit/s se aprobó en la primavera de 2023. La elaboración del estándar para la capa física comenzó en la Open Alliance a mediados de año.

Aplicaciones: ¿para qué se necesitan 25 GBit/s o más?

Las grandes impulsoras de estas velocidades de transmisión cada vez más elevadas son las aplicaciones de vídeo (cámaras, pantallas) y las arquitecturas zonales. Particularmente en el caso de las pantallas, ya existen formas de visión detalladas y posibilidades de aplicación concretas. La cantidad y la resolución de las pantallas y cámaras aumentarán drásticamente en el futuro. Si solo se tienen en cuenta las pantallas, su número podría aumentar hasta 6. En los vehículos autónomos, además de la pantalla del conductor, la pantalla central y la pantalla del copiloto, podrían instalarse otras pantallas en la zona trasera para crear una oficina sobre ruedas. Estas podrán desplegarse o, si no se usan, se podrán plegar de nuevo en el techo del vehículo. En concreto, una pantalla de 8k ya requiere una velocidad de transmisión de 25 GBit/s para la resolución mínima. Tanto las pantallas 3D como los head-up displays de alta resolución son un elemento importante, ya que también pueden programarse de forma flexible y pueden servir como tacómetro en estilo retro o como head-up display clásico.

Además, también se ha pensado en la integración de muchas cámaras para la conducción autónoma, lo cual requerirá una gran velocidad de transmisión de datos en tiempo real. Lo que aún no se sabe es cuándo pasarán a la fabricación en serie estos sistemas. La siguiente tabla muestra las velocidades de transmisión de datos posibles en función de la resolución de la pantalla, que también se pueden utilizar para aplicaciones de cámara (datos brutos).

^{1) Fuente: Matheus/Kaindl. Pág. 28}

En base a la arquitectura zonal que se va a emplear en las plataformas de vehículos del futuro para preparar la conducción autónoma, aumentará el número de cables de la red de a bordo o del vehículo, como consecuencia del considerable aumento de sensores y cámaras. Si se tienen en cuenta, por ejemplo, los vehículos con funciones de conducción autónoma, el número de sensores requeridos puede dispararse hasta más de 100. No obstante, no solo el número de sensores es un parámetro importante, sino también la transmisión en tiempo real, ya que unos tiempos de latencia mayores no son aceptables para las aplicaciones autónomas. Otro aspecto central es el procesamiento de las señales de vídeo para las cámaras y las pantallas, que hoy se utilizan en calidad HD, pero en el futuro se requerirán resoluciones notablemente mayores para garantizar la detección precisa de los usuarios de la vía pública, los obstáculos, etc. En los círculos especializados se habla ya de resoluciones de hasta 8K para estas aplicaciones, lo cual incrementará drásticamente las velocidades de transmisión de datos. Según la frecuencia de refresco, pueden aumentar hasta más de 25 GBit/s.

Otro aspecto que traen consigo los vehículos autónomos es que será posible desarrollar una oficina que conduzca sola, y además hay que implementar una conexión rápida a internet que vaya más allá de 5G o 6G. Esto también contribuye a un aumento general de la velocidad de transmisión de datos.

Por ejemplo, el Parlamento alemán aprobó en el año 2021 una ley que allanaba el camino para la conducción autónoma de nivel 4. Los pioneros de esta tecnología serán sobre todo los modelos de gama alta de los fabricantes de vehículos.

Soluciones técnicas para la transmisión de 25 GBit/s

Existen dos posibilidades para la transmisión de datos a 25 GBit/s: con cables de cobre o con cables de fibra de vidrio.

Los sistemas de transmisión Ethernet habituales y disponibles emplean sistemas de enchufe de cobre, que en un futuro podrán transmitir datos a una velocidad de hasta 25 GBit/s con ayuda de un par de datos (producto por metros especial). Existen diferentes tipos de cables de cobre: los cables de par trenzado con blindaje (Shielded Twisted Pair, STP) y los cables de par paralelo con blindaje (Shielded Parallel Pair, SPP). Ambos tipos se distinguen por su estructura.

En el caso de los cables de par trenzado con blindaje, el par de hilos se trenza entre sí y se recubre con un blindaje.

En los cables de par paralelo, el par de hilos se dispone en paralelo durante la máxima longitud posible. Con esta estructura se puede cubrir una banda de frecuencia mayor para desplazar lo que se denominan efectos «suck out» (descenso/aumento brusco, por ejemplo, de la pérdida de inserción en determinadas frecuencias) a un rango de frecuencia lo más alto posible. Si se consigue, es posible alcanzar una transmisión de 25 GBit/s. Actualmente, este tipo de cable aún está siendo desarrollado por los potenciales fabricantes.

^{1) Fuente: Matheus/Kaindl. Pág. 143}

Además del producto por metros en cobre, también existe la posibilidad de alcanzar una velocidad de transmisión de datos de hasta 50 GBit/s a través de un cable de fibra de vidrio. El desarrollo de transceptores y de los conectores y cables correspondientes está actualmente en pleno auge. Sin embargo, aún no se ha definido una interfaz estandarizada con conectores.

Ventajas, inconvenientes y dificultades técnicas de los distintos enfoques de solución

La ventaja de los sistemas de cobre son las interfaces Ethernet estándar que ya están definidas en el entorno automovilístico, y que permiten alcanzar hasta 25 GBit/s. La base para ello son los cables especiales, cuya manipulación debe considerarse de forma precisa en lo que se refiere a la longitud, los radios de flexión, etc. Al observar detenidamente el estándar para la transmisión de 25 GBit/s, llama la atención que para una velocidad de 25 GBit/s sea necesario utilizar 2 líneas de cable, lo que se denomina «Multilaning» en los círculos especializados. La organización internacional para la especificación de la transmisión de datos IEEE ha fundado el grupo de trabajo IEEE 802.3cy para la transmisión de datos de 25 GBit/s en el ámbito del automóvil. Esta organización trabaja conjuntamente con empresas del sector en la especificación de un canal de transmisión. Debido a los límites físicos de la transmisión de datos basada en cobre, es necesario limitar la longitud de los cables, y este límite se ha establecido en una longitud máxima definida de 11 metros con 2 inlines. Esto se diferencia del estándar anterior IEEE 802.3ch, en el cual se especificaba el canal de transmisión con 15 metros y 4 conexiones inline. Asimismo, también deben tenerse en cuenta perturbaciones como las de tipo CEM y los bucles de masa, y reducirlas o evitarlas a través de soluciones adecuadas.

En el otro lado se encuentra la transmisión óptica de datos a través de fibra de vidrio, que se puede emplear para obtener una mayor velocidad de transmisión de datos, superando los 50 GBit/s a través de un cable. Para la transmisión óptica de datos, la IEEE ha creado el grupo de trabajo IEEE802.3.cz con el fin de establecer la longitud de cable máxima para el canal de transmisión. Esta longitud se ha definido con un máximo de 40 m y 4 conexiones inline. Las soluciones ópticas aún se asocian a una imagen negativa desde los tiempos de las tecnologías de fibra óptica polimérica (Polymer Optical Fiber, POF), ya que parece ser que su manipulación puede ser problemática debido a los radios de flexión. Por eso, para estar a la altura de los elevados requisitos de la transmisión óptica multi-gigabit, hoy en día es necesario el uso de la tecnología de fibra de vidrio, ya que permite radios de flexión muy pequeños y posee una gran resistencia mecánica. Dado que este sistema de transmisión aún se encuentra en fase de desarrollo, los conectores y cables correspondientes también están en esta fase, aunque los resultados obtenidos hasta ahora son muy prometedores.

¿Cuáles son las consecuencias para la red de a bordo del futuro?

Si se tienen en cuenta todos estos factores de influencia, resulta evidente que la red de a bordo del futuro tiene que cambiar, ya que estas enormes cantidades de conexiones para las aplicaciones (sensores, pantallas, cámaras, etc.) no se pueden instalar en el vehículo como hasta ahora. Un gran número de grupos de trabajo que se ocupan de este tema llegaron a la conclusión de que el número de dispositivos de control individuales debe reducirse drásticamente y, como consecuencia de ello, se implantará lo que se denomina arquitectura zonal. Esto influirá notablemente en la cantidad, la longitud y la potencia de los datos de la red de a bordo.

¿Cómo se prepara MD para esta evolución?

MD ELEKTRONIK trabaja desde hace muchos años en innovadoras tecnologías para desarrollar los conectores y cables para estos nuevos requisitos. También se han incrementado las colaboraciones con socios de la industria de los microchips y se trabaja de forma intensiva con proveedores Tier1 para adaptar las tecnologías del futuro a sus necesidades. Además, MD desarrolla e implementa sus propias tecnologías y procesos de fabricación para ser capaz de garantizar la flexibilidad y la precisión necesarias, así como los grandes volúmenes de los pedidos en las plantas de producción de todo el mundo.

Resumen y conclusión: las tecnologías establecidas permiten alcanzar hasta 25 GBit/s y mucho más gracias a las recientes innovaciones.

Las aplicaciones para alcanzar velocidades de transmisión superiores a 25 GBit/s ya se encuentran en desarrollo o incluso están a punto de introducirse en los vehículos. En principio, para estas aplicaciones se prevén soluciones basadas en cobre, ya que ya se encuentran ampliamente disponibles y en general son adecuadas para su uso hasta 25 GBit/s. En función de la aplicación, es recomendable comprobar exactamente si estas soluciones se van a poder utilizar para ámbitos críticos como el CEM. Si la velocidad de transmisión es superior a 25 GBit/s, deberá verificarse si es recomendable utilizar un tipo de transmisión alternativa.

Por ejemplo, una alternativa sería la transmisión óptica de datos, que ofrece ventajas considerables en el entorno crítico del vehículo, pero esta tecnología aún debe desarrollarse para su fabricación en serie. MD ELEKTRONIK trabaja intensamente en las tecnologías del futuro para poder ofrecer la solución adecuada.

Dado que a menudo es difícil detectar las ventajas y los inconvenientes de cada sistema de transmisión y, según la aplicación, se plantean diferentes tecnologías, estaremos encantados de asesorarle personalmente para su aplicación.

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Helmut Pritz

Helmut Pritz es mánager de producto para la transmisión óptica de datos en MD Elektronik. Con sus más de 20 de años en el sector, aporta una enorme experiencia para impulsar esta tecnología del futuro. Su vocación es desarrollar soluciones innovadoras para la industria automotriz, trabajando codo con codo con los clientes, con startups, con los fabricantes de unidades de control y los proveedores. Tras su actividad como jefe de proyecto, en la que fue responsable del desarrollo de componentes enchufables y las instalaciones de automatización correspondientes, en su puesto de Manager Development RF Technology creó un departamento de desarrollo que trabajaba principalmente con la tecnología de alta frecuencia. El variado contacto con los clientes, proveedores y el equipo global de MD están entre las actividades que valora especialmente de su puesto.

Tobias Hartl

Tobias Hartl forma parte del equipo de Application Engineering del departamento de Ventas Internacionales de MD. Sus objetivos son continuar desarrollando los clientes ya existentes y reforzar el contacto del departamento de Engineering con los clientes OEM y Tier 1, así como vincular a las nuevas empresas OEM y startups con un buen servicio al cliente, y crecer junto con ellas. Tobias ya trabaja en MD desde hace más de cuatro años y, gracias a su experiencia en el trato con los clientes y nuestros socios externos, en el futuro se encargará de reforzar el departamento de Technical Product Management en el área de Multi Core Cables. Antes de comenzar su andadura en MD, acumuló 6 años de valiosa experiencia en el ámbito de Mobile Media Headunits, una experiencia que puede aplicar con éxito en su trabajo diario. A Tobias le motiva especialmente el contacto con los clientes globales y la implementación de nuevas tecnologías en colaboración con un equipo internacional.

_Fuentes:

_{1) Matheus, K./Kaindl, M. (2023): Automotive High Speed Communication Technologies. Múnich: Hanser Verlag.}