Сигурен пренос на данни в свързан автомобил – Гръбнакът на съвременната мобилност

Съвременните автомобили са се превърнали в свързани високотехнологични системи. Автономното шофиране в частност генерира големи количества данни, които трябва да се предават в реално време. Сигурният пренос на тези потоци от данни е от решаващо значение, тъй като отказ или грешка в комуникацията на данни може да има сериозни последици в критични за безопасността ситуации. За да избегнат това, производителите на автомобили и техните доставчици инвестират сериозно в надеждни технологии за пренос на данни. Но кои са те и какво ги прави толкова сигурни?

Поток от данни и нарастващи изисквания

Количеството данни, генерирани в един автомобил, нараства непрекъснато от години. Сензорите за системите за подпомагане на водача (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) – от камери до радари и лидари – генерират поток от данни в гигабитовия диапазон. Днешните тестови автомобили за високоавтоматизирано шофиране вече постигат скорости на пренос на данни от около 5 Gbit/s (ок. 625 MB/s). Отделните камери с висока резолюция могат да изискват ширини на честотната лента до 3,5 Gbit/s. Този огромен поток от данни трябва да се разпредели в автомобила без забавяне, така че централните контролери („Vehicle Computer“) да могат да вземат правилните решения за части от секундата. В същото време, новите функции изискват все по-голяма надеждност на каналите за данни: Критичната по отношение на времето информация, като например команди за спиране или предупреждения за сблъсък, не трябва да се губи или да пристига твърде късно. Следователно, ключовите изисквания към бордовите мрежи са: широка честотна лента, надеждност/сигурност и ниска латентност. За да отговорят на тези изисквания, съвременните автомобили все повече разчитат на единна, базирана на Ethernet бордова мрежа. В сравнение с предишни хетерогенни мрежи (CAN, LIN, FlexRay, MOST и др.), Ethernet предлага мащабируемост и – благодарение на новите разширения на протоколите – механизми за възможно най-добра латентност и надеждност. Днешните превозни средства понякога разполагат повече от 150 контролера, които обменят данни. Без мощна мрежа тази нарастваща сложност би била трудна за управление.

Проводници за данни и конектори

Проводниците за данни в автомобила са гръбнакът на съвременните бордови мрежови архитектури. Днес се използват предимно усукани медни кабели, които обикновено са изпълнени като Single Pair Ethernet (SPE). Twisted Pairs имат предимството, че външните влияния и кръстосаните смущения могат да бъдат значително намалени. Чрез избора между неекранирани и екранирани варианти може да се реализира подходяща концепция за EMC (електромагнитна съвместимост). В среди с високи нива на смущение (например в близост до електродвигатели) често се използват екранирани Twisted Pair кабели, докато в „по-спокойни“ зони неекранираните кабели спестяват тегло и разходи. Механичната устойчивост също е важна: Кабелите за автомобили трябва да издържат на вибрации, температурни колебания и влажност в продължение на много години, без да губят качеството на пренос. Конекторите са също толкова важни. Тук се решава дали връзките за пренос на данни остават стабилни постоянно, дори при вибрации. За разлика от строителния сектор, където обикновено се използват RJ45 конектори, автомобилната индустрия разчита на специални, здрави конекторни системи. Те разполагат с винтови връзки или заключващи механизми, които надеждно предотвратяват случайно разхлабване в случай на вибрации. Такива високопроизводителни конектори отговарят на всички действащи автомобилни стандарти и могат да се използват с различни видове кабели (STP, UTP и др.). При приложения, критични за безопасността (напр. функции за автономно шофиране), има допълнителни механизми за безопасност, като например Connector Position Assurance (CPA), който предотвратява случайното разхлабване на конектора и се фиксира само когато той е поставен докрай. Подобни хардуерни иновации на доставчиците гарантират, че каналите за данни остават стабилни постоянно, дори при тежки условия. Вече се дискутират бъдещи технологии за оптичен пренос на данни, които да са не само напълно подходящи за екстремни ширини на честотната лента, но да имат и огромна електромагнитна съвместимост.

Протоколи, стандарти и органи 

Ethernet се е утвърдил като комуникационен „език“ на автомобилните мрежи и е адаптиран към специфичните изисквания на автомобила. За разлика от класическия Ethernet, напр. в офиса (с четири двойки проводници), в автомобила се използва Single Pair Ethernet (SPE), т.нар. Automotive Ethernet – т.е. Ethernet само през една усукана двойка проводници, което спестява място и тегло и е особено подходящо за тесните и взискателни условия в автомобилите.

При това стандартите играят централна роля: Те осигуряват безпроблемното взаимодействие на компоненти от различни производители, определят задължителни критерии за производителност и проверка и позволяват надеждното мащабиране на новите технологии в масовото производство. Без международно признати стандарти, като например IEEE стандартите или тестовите спецификации на OPEN Alliance, единната, сигурна и оперативно съвместима Ethernet комуникация в автомобила едва ли би била осъществима – особено предвид кратките тактови времена и високите изисквания за качество на съвременните автомобили. Следователно тези стандарти са от съществено значение за OEM производителите и доставчиците, за да сведат до минимум рисковете, свързани с разработката, да преминат сертифицирането и да осигурят технологични инвестиции в дългосрочен план.

Освен това, тези стандарти гарантират, че критични системи, като асистентите за аварийно спиране, функциите за поддържане на лентата или решенията за автономно шофиране, могат да бъдат надеждно контролирани чрез стандартизирани, надеждни комуникационни канали – основен градивен елемент за функционалната безопасност и безпогрешността в критични за безопасността архитектури на автомобилите.

Важни стандарти са:

➔100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) – 100 Mbit/s чрез двоен меден проводник. Вече се използва от няколко години в серийни автомобили, напр. за данни от камери и сензори.

➔1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp) – 1 Gbit/s чрез двоен меден проводник. Служи като гигабитов гръбнак на автомобила, позволявайки на множество контролери (ECU) да комуникират помежду си с висока скорост. Гигабитовият Ethernet вече се използва напр. за централни информационно-развлекателни мрежи и сливане на сензори на ADAS.

➔2,5/5/10GBASE-T1 (IEEE 802.3ch) – 2,5/5/10 Gbit/s чрез двоен меден проводник. Служи като мултигигабитов гръбнак на автомобила, позволявайки на множество контролери (ECU) да комуникират помежду си с висока скорост.

➔10BASE-T1S (IEEE 802.3cg) – 10 Mbit/s чрез двоен меден проводник с Multidrop функция на шината. Този стандарт позволява свързването на множество сензори/изпълнителни механизми към общ проводник, спестявайки окабеляване и тегло. 10BASE-T1S е особено подходящ за единични сензори/изпълнителни механизми в зонови архитектури, така че не всеки малък възел да се нуждае от собствен кабел към централния суич.

Друг важен стандарт е ISO 26262 (Functional Safety): Този международен стандарт регулира функционалната безопасност на електрическите и електронните системи в пътните превозни средства и определя как рисковете трябва да бъдат систематично идентифицирани, оценявани и минимизирани. Мрежовите компоненти за функциите, критични за безопасността, трябва да бъдат класифицирани според така наречените ASIL-Levels (Automotive Safety Integrity Levels) – от ASIL A (нисък риск) до ASIL D (най-висок риск). NXP, водещ световен производител на полупроводници със силен фокус върху автомобилните приложения, например, предлага съвместим с ASIL-B 1000BASE-T1 трансивър – тоест Ethernet предавател за гигабитова комуникация чрез една-единствена усукана медна двойка – който е специално проектиран за използване в критични за безопасността архитектури на автомобили и поддържа разширени функции за диагностика и безопасност, като интегрирана отказоустойчивост и мониторинг на състоянието. Такива компоненти са важни за безопасността, защото гарантират надеждния пренос на жизненоважни данни – например за управление, спиране или избягване на сблъсък – дори в случай на неизправности. Безпроблемната комуникация между системите е основна предпоставка за откриване на неизправни функции и прекъсване на пътищата на грешките.

Редундантност и функционална сигурност

Само високите скорости на пренос на данни не са достатъчни – мрежите трябва да бъдат и отказоустойчиви. Съгласно ISO 26262, нито една единична грешка не бива да води до загуба на критична за безопасността функция. Поради това в E/E архитектурата се използват концепции за редундантност. Един от подходите е физическата редундантност: Критични сензори или изпълнителни механизми (напр. Steer-by-Wire) са свързани с контролерите чрез два независими проводника за данни. Ако едната връзка се повреди, втората поема функцията. Освен това има протоколни редундантности, напр. чрез Frame Replication: Всеки пакет данни, критичен за сигурността, се изпраща едновременно по два различни пътя в мрежата (дефинирани в IEEE 802.1CB на Time-Sensitive Networking Extensions). Приемникът използва първия пакет без грешки и отхвърля дубликатите. Time-Sensitive Networking (TSN), разширение на стандарта IEEE 802.1 за детерминиран пренос на данни, при който времето е от критично значение, позволява детерминистична комуникация с много ниска латентност чрез времева синхронизация, управляван от времето пренос на данни и контрол на потока. Това означава, че функциите за спиране или управление могат също да се изпълняват чрез Ethernet без забавяния или загубени пакети да водят до опасни ситуации.

Зоновата архитектура като модел на бъдещето

Друга тенденция е зоновата E/E архитектура. Вместо множество разпределени контролери (за двигател, шаси, каросерия и др.), фокусът е върху няколко централни високопроизводителни компютъра и така наречените зонови контролери в зоните на автомобила (отпред, отзад, отляво, отдясно). Тези зонови контролери обединяват сензорите и изпълнителните механизми на своя регион и комуникират с централния компютър чрез високопроизводителни проводници за данни. Автомобилният Ethernet е ключовата технология за свързване на зоните към централния компютър (често като гигабитова гръбначна мрежа). В същото време единична 10BASE-T1S шина свързва локалните сензори и изпълнителните механизми в зоната. Тази комбинация значително намалява не само дължината, сложността и теглото на окабеляването, тъй като вече не е необходимо всеки сензор да има собствен кабел към контролния център. Освен това, зоновата архитектура има важен принос към функционалната безопасност: Локалните грешки – като дефектен сензор или повредена връзка – остават ограничени до съответната зона и не засягат цялата мрежа на автомобила. Ясното разделение на отговорностите в рамките на зоните позволява по-добра диагностика и изолиране на грешките и по този начин по-бърза реакция при повреди. Освен това, редундантността може да се осъществи целенасочено, чрез целево обезпечаване на критични за безопасността функции в няколко зони. Тази модуларизация гарантира, че автомобилът може да бъде преведен в безопасно състояние по контролиран начин в случай на повреда – ключово изискване в контекста на ISO 26262 и автономното шофиране.