«Software defined Vehicle (SWdV)» y sus repercusiones en la red de a bordo

De la arquitectura de dominio a la arquitectura zonal: el Software Defined Vehicle (SWdV) y los requisitos para los cables de datos del futuro

Actualmente, cuando leemos artículos especializados de automoción, nos topamos inevitablemente con dos términos: por una parte, continuamente aparece la denominada «arquitectura zonal», y en ese contexto, también el concepto de «Software defined Vehicle (SWdV)».

¿En qué consisten estos dos términos? ¿Qué consecuencias tienen para las futuras generaciones de vehículos? Estas son justamente las cuestiones de las que nos ocuparemos en este artículo.

Una mirada al pasado: cableado complejo y peso elevado

 ¿En qué consisten los términos «arquitectura zonal» y «software defined Vehicle (SWdV)»? ¿Qué consecuencias tienen para las futuras generaciones de vehículos? Para poder dar respuesta a estas preguntas, haremos una pequeña excursión al pasado. La primera forma de la topología de la red de a bordo se denominó «arquitectura distribuida» o «arquitectura modular». En ella, todos los sensores y actuadores estaban conectados individualmente y de forma directa con una unidad de control. Cada sensor o actuador tenía la inteligencia necesaria para su función y a las unidades de control solamente se transferían señales de control y señales de medición ya procesadas a través de cables y sistemas de bus (de forma característica mediante bus Lin o Can). En cada vehículo se instalaban varios cientos de sensores y hasta cien unidades de control. Algunos cables alcanzaban una longitud de hasta 16,5 m. Por eso, no era extraño que la longitud total de los cables del vehículo superara rápidamente el kilómetro. Como consecuencia, el cableado era muy complejo y el haz de cables tenía un peso muy elevado.

Arquitectura modular

Cada una de las unidades de control tenía que programarse con un software específico y exclusivo para cada función (firmware). Generalmente, el firmware solo se podía actualizar directamente en la unidad, con un cable de programación especial. Esto obligaba a acudir a un taller, y las actualizaciones solo se realizaban en raras ocasiones.

Implementar funciones adicionales en el vehículo a posteriori era muy difícil o incluso imposible. Para cada función había que instalar al menos un cable adicional por todo el vehículo hasta conectarlo en una unidad de control. En muchas ocasiones, era necesario actualizar el firmware de la unidad de control para que fuera compatible con la nueva función, por lo que el esfuerzo necesario superaba rápidamente el beneficio que se pretendía obtener.

Al aumentar la cantidad de funciones del vehículo, entre otros, en las áreas de seguridad y comfort, rápidamente se alcanzaron los límites de esta forma de cableado.

Esto propició la creación de la «arquitectura de dominio».

Estado actual de la tecnología: la arquitectura de dominio

A diferencia de la «arquitectura modular», el principio de la arquitectura de dominio consiste en agrupar los sensores y actuadores según sus funciones y tareas (dominios). Se han definido diferentes dominios funcionales, como por ejemplo, accionamiento, comfort o Infotainment. Cada uno de ellos está supervisado y controlado por una unidad de control superior, el controlador de dominio (DCU: Domain Control Unit). La conexión al sensor/actuador puede realizarse con una conexión de bus de bajo rendimiento (p. ej., bus Lin o Can). Los propios controladores de dominio están conectados con una red potente y orientada al servicio técnico, denominada gateway (p. ej., Ethernet). Por lo tanto, en todo momento se puede equipar sin problema un dominio adicional o una DCU con una nueva función, por ejemplo, ADAS (Advanced Driver Assist System).

Arquitectura de dominio

Sin embargo, el inconveniente de esta tecnología aparece rápidamente cuando las funciones de un dominio no se pueden instalar físicamente en el mismo lugar del vehículo. Como consecuencia, vuelve a ser necesario instalar cables muy largos desde la DCU hasta el sensor o el actuador. Un ejemplo sencillo de esto es la función «intermitente»: hay que instalar cables para al menos 6 intermitentes en distintos puntos del vehículo, pero todos se controlan desde la misma DCU. ¡Y este tipo de topología del vehículo aún se utiliza en la actualidad!

Sin embargo, hoy en día el mundo del automóvil se encuentra en un proceso de transformación radical. Además de sustituir los motores de combustión por sistemas de accionamiento alternativos, todo el sector está trabajando en la megatendencia «conducción autónoma», que requiere nuevos enfoques para la red de a bordo del mañana.

La red de a bordo del futuro: arquitectura zonal y Software defined Vehicle

Por supuesto, la arquitectura de dominio ofrece algunas ventajas. No obstante, para afrontar la complejidad de los vehículos modernos y estar a la altura de los requisitos del futuro, es necesario otro enfoque: la arquitectura zonal.

A diferencia de las soluciones orientadas al dominio, en el enfoque zonal (arquitectura zonal) las funciones se disponen en el vehículo por su posición, y no por su función.
En un vehículo sencillo quizás haya tan solo cuatro zonas, una por cada esquina del vehículo. Todos los equipos que se encuentren en una zona física son controlados por una unidad de control zonal, también llamada zonal gateway o ECU (Electronic Control Unit). Estos controles zonales están a su vez conectados a una unidad de procesamiento central a través de un enlace Backbone (conexión de datos de alta velocidad).

Todas las tareas de una zona física de cuya supervisión se encarga una unidad de control zonal estarán asignadas a esta zona. Así, la iluminación, los sensores de imágenes, los intermitentes, los frenos, la dirección, la suspensión, etc., se pueden agrupar en una zona común.

Arquitectura zonal

Además de la simplificación del cableado, la modularidad y la flexibilidad también juegan un papel muy importante para poder aprovechar al máximo las ventajas de esta solución.

En este caso, modularidad se refiere a que es posible llevar a cabo diferentes tareas con el mismo hardware (p. ej., ECU idénticas).

Flexibilidad es la capacidad de efectuar actualizaciones, correcciones de errores, configuraciones y también ampliaciones sin que suponga un gran esfuerzo por parte del conductor. Con la función denominada «over the air» es posible llevar a cabo estas acciones con una conexión a internet sin tener que acudir a un taller. El vehículo comprueba si hay actualizaciones y carga o instala el software en sus ECU de forma totalmente autónoma. De forma similar al concepto de las app stores de los conocidos proveedores de sistemas operativos para teléfonos móviles, el propietario del vehículo puede comprar e instalar las opciones y las ampliaciones.

Para conseguir esta modularidad y flexibilidad también en la práctica, es necesario que en el futuro se puedan ejecutar estas funciones en el software, en lugar de en el hardware. En este caso, también sirve como ejemplo el modelo del smartphone moderno, en el que las aplicaciones permiten al usuario realizar todo tipo de tareas y acciones. Además de hablar por teléfono, con el smartphone también se pueden hacer fotos o navegar por internet. Quien lo desee, incluso puede gestionar las cuentas bancarias o informarse en las redes sociales.

Este concepto para el vehículo se denomina «Software-defined Vehicle».
A partir de ahora, prácticamente ninguna función del vehículo se llevará a cabo a través de controles basados en hardware, sino que un programa (aplicación) resolverá las tareas en un ordenador universal (controlador zonal). La ventaja es que se pueden ejecutar muchas aplicaciones a la vez (multitasking) y, por tanto, será posible realizar todas las funciones de una zona en un único controlador zonal. Lógicamente, esto requiere una potencia de procesamiento muy elevada, pero además es necesario que en el controlador zonal haya instalada una gran cantidad de interfaces para los sensores/actuadores.

Además, la función de estos controladores zonales consiste en comunicarse con la unidad de procesamiento central. Para ello, en primer lugar el controlador zonal filtra previamente y prioriza los datos que se envían a esta central. Esto reduce drásticamente la complejidad del sistema y la unidad central de procesamiento puede centrarse en procesar datos relevantes (p. ej., funciones ADAS, evaluar datos de imagen, etc.).

Las conexiones de datos entre los controladores zonales y la unidad central de procesamiento requieren una comunicación rápida y fiable. En este caso, las soluciones de Automotive Ethernet (como por ejemplo, MultiGiG) son la forma de alcanzar este objetivo.

Esta conexión se denomina Backbone.

Comunicación zonal gateway – ordenador central

En el caso de los OEM, el concepto de «Software defined Vehicle» conlleva forzosamente un gran cambio de paradigma. Si bien hasta ahora los fabricantes de vehículos eran los que tenían los conocimientos sobre la tecnología instalada en el vehículo (hardware), ahora las funciones, al igual que ocurre con la creación de valor añadido, pasan casi por completo del hardware al software.

El protagonista ya no es el propio vehículo, sino más bien la función, y esta se personaliza individualmente según los deseos del cliente. Sin embargo, hasta ahora el desarrollo de software no se encuentra realmente entre las competencias principales de los OEM. Por eso, en este sentido ya es posible constatar distintas tendencias: mientras que algunas empresas, a menudo más jóvenes, optan por recurrir a los proveedores de software o de sistemas completos, como p. ej., Android de la casa Google, los OEM «clásicos» intentan más bien conservar esos conocimientos en la propia empresa e invierten en el desarrollo de su departamento de software propio. En cualquier caso, será interesante observar cuál de estos dos caminos se impone a largo plazo.

Igual de interesante es también el hecho de que están surgiendo modelos de negocio totalmente nuevos.

La función en sí misma ya no está vinculada al vehículo. Los vendedores de vehículos de segunda mano o incluso los clientes pueden instalar nuevas funciones de una forma relativamente fácil, generando un valor añadido al vehículo. De este modo, el valor del coche se conserva a lo largo de su vida útil o incluso puede aumentarse.

Ahora también se ofrece un uso de las funciones durante un tiempo limitado, o bien una solución mediante suscripción.

Otro punto a su favor es que el vehículo es capaz de comunicarse con su entorno. Durante el funcionamiento es capaz de recopilar datos y almacenarlos, por ejemplo, en una nube. Este intercambio de datos permite una mejora continua de las funciones y servicios, que a continuación se pueden actualizar en el vehículo sobre la marcha. Técnicamente también es posible concebir una comunicación directa de varios vehículos entre sí. Todas estas posibilidades son otro hito importante en el camino hacia la conducción autónoma.

Perspectiva: altísimo nivel de exigencia en cuanto a la potencia de procesamiento y enormes requisitos para los cables de datos

Seguramente aún faltará algo de tiempo hasta que la arquitectura de la red de a bordo se realice de forma zonal. Aún hay que resolver desafíos como las potencias de procesamiento y los cables de datos de 25 Gbit/s o superiores que son necesarios para ello. Sin embargo, según las estimaciones, este momento podría llegar en 2030. En todo el mundo, los técnicos ya están trabajando intensamente para encontrar soluciones.

En este sentido, MD ELEKTRONIK ofrece una gama de productos que lo convierten en un socio muy fuerte y competente, centrado exactamente en estos desafíos.
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Resumen

El mundo del automóvil se encuentra sumido en una profunda transformación. El paso a los motores eléctricos no es lo único que plantea grandes desafíos para los fabricantes de automóviles: también hay que presentar soluciones para el concepto de «smartphone sobre cuatro ruedas».

Para ello, una estrategia importante es aumentar la eficacia de la red de a bordo sustituyendo el gran número de cables individuales «de punto a punto» por menos cables de red con gran rendimiento (como MultiGiG Ethernet). Por una parte, esto ofrece la ventaja de la gran reducción del peso. Sin embargo, al mismo tiempo supone un enorme desafío para los fabricantes de ECU, ya que muchas de las funciones que hasta ahora se realizaban con sensores o actuadores individuales ahora se integran en la ECU como solución de software. Estos dos conceptos se describen como «arquitectura zonal» o «Software Defined Car».

Resumen

Los requisitos para la potencia de procesamiento y la transmisión de datos son muy elevados y aún falta mucho camino por recorrer. Los cables de datos del futuro deben estar preparados para transmitir de forma fiable hasta 25 Gbit/s o más. En este contexto, cada vez hay una mayor oferta de cables ópticos para datos, que son una buena alternativa frente a los cables de cobre.

(*)
UTP – Unshielded Twisted Pair (cable de dos hilos sin blindaje)
STP – Shielded Twisted Pair (cable de dos hilos con blindaje)

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Acerca de Christoph Zauner

Christoph Zauner es mánager en el departamento de Technical Product Management en MD. Su actividad se centra en el sector de los conectores PCB para automoción y los componentes electrónicos. Su dilatada experiencia en el desarrollo de la electrónica le caracteriza en este ámbito. Lo que más le gusta de su trabajo: «Poder participar en el desarrollo de nuevos productos desde cero es un privilegio muy especial. El contacto estrecho con los clientes, el trabajo conjunto en un equipo internacional y las experiencias interculturales que conlleva hacen este trabajo especialmente interesante.»