Autonomes Fahren: Die Zukunft liegt in zonalen Fahrzeugarchitekturen. Dazu sind Plattform-Ansätze notwendig.

Autonomes Fahren: Die Zukunft liegt in zonalen Fahrzeugarchitekturen. Dazu sind Plattform-Ansätze notwendig. (Bild: Shutterstock 597956909)

Vor mehr als hundert Jahren hat das Kraftfahrzeug das Pferd als primäres Transportmittel abgelöst. Der Wandel der Automobilindustrie steht seitdem nicht still und vollzieht sich schneller als je zuvor. Die Technologie, auf der die Kraftfahrzeuge basieren, hat sich verändert und entwickelt sich rapide weiter. Trotz aller Unterschiede zwischen Verbrennern (ICE) und Elektrofahrzeugen (EV) geht es bei beiden Technologien primär um einen effizienten Betrieb.

Auch weil der Elektronikanteil in Fahrzeugen zunimmt, richtet die Automobilindustrie seit einiger Zeit den Fokus eindeutig auf Technologie. Am Anfang dieser Entwicklung standen zusätzliche Funktionen wie etwa Rückfahrkameras: Weitgehend eigenständige, separate Module, die abhängig von den Gesetzen des Landes, in dem das Fahrzeug verkauft wurde, oder den besonderen Wünschen des Halters eingebaut werden konnten.

Dieser situative Ansatz führt jedoch zu einem komplexen Geflecht von Strom-, Signal- und Kommunikationsverbindungen im Fahrzeug. Dadurch erhöhen sich nicht nur das Gewicht und die Kosten des Kabelbaums erheblich, mit Folgen für Effizienz und Reichweite des Fahrzeugs. Auch die Möglichkeiten zur Anpassung und Neukonfiguration der Fahrzeugfunktionen werden stark eingeschränkt.

Innovation in der Elektronik treibt die Evolution des Autos an

Die Zukunft des Autos ist elektrisch und autonom, es ist hochgradig vernetzt und bietet viele Sicherheits-Features. Möglich macht diese Evolution des Fahrzeugs aber erst Innovation in der Elektronik.

Warum sind zonale Architekturen in autonomen Fahrzeugen die Zukunft?

In vielen Fahrzeugen wiegt der Kabelbaum inzwischen mehr als jedes andere Bauteil, vom Motor abgesehen. Die Verringerung dieses untragbaren Gewichts erfordert einen gänzlich neuen Ansatz der Verbindungsarchitektur: Ein serienmäßiges Hochgeschwindigkeits-Bussystem und Netzwerktechnologien alleine reichen hier nicht aus, auch wenn sie ihre Berechtigung haben. Eine umfassende Lösung des Problems setzt eine grundlegende Veränderung der Partitionierung von Hardware- und Softwarefunktionen auf neu konfigurierbaren Plattformen voraus.

Dieser Fachartikel beschäftigt sich mit der Notwendigkeit einer solchen Veränderung und den damit einhergehenden Herausforderungen und untersucht den Übergang von der Domänenarchitektur zur zonalen Architektur in der Automobilindustrie. Im Vordergrund steht eine grundlegende Neukonzeption der Funktionsverteilung im Fahrzeug, einschließlich zonaler Aggregatoren, zonaler Steuergeräte und zonaler Prozessoren.

Aufteilung in Domänen – und die Notwendigkeit eines zonalen Ansatzes

Aktuelle Fahrzeuge sind extrem komplex. Für die für einzelnen Funktionen gab es zuletzt Dutzende elektronischer Steuergeräte (ECUs). Um die Jahrhundertwende enthielt jedes davon jeweils rund 4000 Zeilen Code. Nur zwanzig Jahre später umfasst der Code in einem typischen Steuergerät bereits 100 Millionen Zeilen und bald werden 200 Millionen Zeilen erreicht sein.

Aufgrund der zunehmenden Komplexität (und den damit verbundenen Verbindungsanforderungen) musste ein Ansatz gefunden werden, der Struktur und Hierarchie in die Fahrzeugarchitektur bringt. Der gewählte Ansatz bestand darin, das Fahrzeug in „Domänen“ oder Bereiche mit gemeinsamen Funktionen aufzuteilen, etwa Fahrgestell, Antriebsstrang, Karosserie und Komfort sowie Infotainment.

Um die Komplexität in den Griff zu bekommen, musste ein Ansatz gefunden werden, der Struktur und Hierarchie in die Fahrzeugarchitektur bringt. Die Lösung lag in einer Domänen-Struktur.
Um die Komplexität in den Griff zu bekommen, musste ein Ansatz gefunden werden, der Struktur und Hierarchie in die Fahrzeugarchitektur bringt. Die Lösung lag in einer Domänen-Struktur. (Bild: NXP)

Wenn im Fahrzeug neue Funktionsbereiche hinzukamen (z. B. ADAS), ließen sich zusätzliche Domänen schaffen. Der Domänenansatz hat den großen Vorteil, dass ähnliche Funktionen zusammengefasst werden (z. B. alles, was zum Antriebsstrang oder zum Bereich Karosserie/Komfort gehört) und ließen sich ein spezielles Domänensteuergerät mit einem zentralen, serviceorientierten Gateway verbinden.

Der Nachteil des Domänenansatzes ist, dass viele (wenn nicht alle) Domänen physikalisch das gesamte Fahrzeug umfassen. Trotz der Vorzüge von Domänen ist ein anderer Ansatz erforderlich, um die Komplexität moderner Fahrzeuge zu bewältigen und vor allem, um Kapazitäten für die Zukunft zu schaffen.

Während bei einem domänenbasierten Ansatz die Domänen nach Funktionen gegliedert sind, werden sie bei einem zonalen Ansatz nach der Lage im Fahrzeug angeordnet. In einem relativ einfachen Fahrzeug gibt es vielleicht gerade mal vier Zonen, eine für jede Ecke des Fahrzeugs. Alle Geräte in einer Zone werden von einer oder mehreren ECUs gesteuert; diese wiederum kommunizieren (nur) mit einem lokalen Host oder zonalen Gateway.

Alle Funktionen innerhalb des physikalischen Bereichs, deren Kontrolle durch ein zonales Steuergerät erfolgt, werden dieser Zone zugeordnet. So etwa lassen sich Beleuchtung, Aufhängung, Blinker, Bildsensoren, Bremsen, Lenkung usw. zu einer Zone zusammenfassen.

Bei einem zonalen Ansatz sind die Funktionen anhand ihrer Lage im Fahrzeug angeordnet. So lassen sich z.B. Beleuchtung, Aufhängungen, Blinker, Bildsensoren, Bremsen, Lenken usw. zu einer Zone zusammenfassen.
Bei einem zonalen Ansatz sind die Funktionen anhand ihrer Lage im Fahrzeug angeordnet. So lassen sich z.B. Beleuchtung, Aufhängungen, Blinker, Bildsensoren, Bremsen, Lenken usw. zu einer Zone zusammenfassen. (Bild: NXP)

Damit die Vorteile eines Zonenkonzepts zum Tragen kommen, sind Modularität und Flexibilität gefragt. Modularität bedeutet, dass es ein hohes Maß an Gemeinsamkeiten gibt zwischen Systemelementen wie den ECUs, die trotz unterschiedlicher Einsatzbereiche auf dieselbe Hardware zurückgreifen. Der Betrieb dieser Geräte wird durch die darin integrierte Software definiert.

Flexibilität ist die Fähigkeit, Fahrzeugsysteme im Laufe der Zeit ohne nennenswerten Aufwand für den Fahrer zu verbessern und neu zu konfigurieren, ohne dass eine Servicewerkstatt aufgesucht werden muss. Durch softwaredefinierte ECUs und die Fähigkeit, Firmware-Updates Over-the-Air bereitzustellen, erhalten Automobilhersteller diese Flexibilität und können Fahrzeuge problemlos unterstützen. Dazu gehört neben der Behebung von Softwarefehlern („Bugs“) auch das Hinzufügen neuer (oder das Verbessern bestehender) Funktionen sowie die Erschließung neuer Einnahmequellen durch die Bereitstellung wertvoller Dienste für den Fahrer.

Herausforderungen bei der Umsetzung des zonalen Ansatzes

Bei der Umsetzung des zonalen Ansatzes sind zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen. Einige hängen mit der zonalen Architektur zusammen, andere reflektieren einfach die zunehmende Komplexität von Fahrzeugen.

Jahrzehntelang hat sich die Automobilindustrie auf CAN-Netze verlassen; jetzt stellt sich heraus, dass diese den Anforderungen aktueller Fahrzeuge nicht gewachsen und für zukünftige Aufgaben noch weniger geeignet sind. Viele Fahrzeuge heute sind mit über einhundert ECUs und mehreren hundert Sensoren sowie mindestens einem Dutzend Kameras ausgestattet, die kontinuierlich Videos übertragen. Mit diesen Mengen an zu übertragenden Daten wird das CAN-System nicht fertig.

Time Sensitive Networking mit Hochgeschwindigkeits-Ethernet

Die Zukunft der Fahrzeugvernetzung, insbesondere für das „Rückgrat“, das die zonalen Gateways miteinander verbindet, liegt im Gigabit-fähigen Ethernet. Durch den hierarchischen Charakter der Zonen wird es mehr „Sprünge“ im Netzwerk geben. Das kann Latenz- und Jitterprobleme verursachen.

Viele Systeme in einem aktuellen Fahrzeug sind zeitabhängig, was bei sicherheitsrelevanten Systemen wie ADAS eine Rolle spielt. Verzögerungen beim Öffnen eines Fensters oder Wechseln des Radiosenders sind lästig, eine verzögerte Kamerameldung über ein erkanntes Hindernis dagegen kann zu verspätetem Bremsen führen und katastrophale Folgen haben.

Hier wird eine Schwäche des herkömmlichen Ethernets deutlich: Datenpakete werden nur dann weitergeleitet, wenn das Backbone frei von anderem Verkehr ist. Eine Rangfolge für die relative Bedeutung ist nicht definiert. Einfach ausgedrückt, behandelt das herkömmliche Ethernet ein Datenpaket für das Umschalten des Radios genauso wie ein Paket zum Betätigen der Bremsen.

Die fahrzeuginterne Vernetzung wird auf IEEE 802.1AS-2020 beruhen, dem vom IEEE genehmigten Standard für Zeitsteuerung und Synchronisierung in TSN-Anwendungen (Time-Sensitive Networking). Bei diesem Standard, auch „deterministisches Ethernet“ genannt, veranlassen mehrere Merkmale, dass Daten abhängig von ihrer Wichtigkeit nach strengen Zeitkriterien verwaltet werden und zeitkritischer Datenverkehr auf kürzestem Wege weitergeleitet wird.

Dieses Hochgeschwindigkeits-Ethernet bildet das Rückgrat der zonalen Architektur. Es verbindet die Zonensteuerungen untereinander und mit den zentralen Rechenressourcen. Innerhalb der einzelnen Zonen wird es jedoch komplexer, da mehrere Arten von Edge-Netzwerken vorhanden sind, die das Zonensteuergerät mit verschiedenen Edge-ECUs verbinden. Zwar kann in manchen Fällen Ethernet verwendet werden, doch wird es eine beträchtliche Menge an CAN-Infrastruktur in den Formaten CAN (FD) und CAN XL geben.

Die Funktion eines solchen Multi-Protocol-Ansatzes hängt von verschiedenen Faktoren ab. Insbesondere ist zu berücksichtigen, wie die Daten auf das Ethernet-Rückgrat und von diesem zum zoneninternen Netzwerk und zurück übertragen werden. Hinzu kommt, dass der CAN-Datenverkehr in der Regel periodisch gesendet wird, während der Ethernet-Verkehr gewöhnlich ereignisbasiert und von Punkt zu Punkt übermittelt wird.

Konfiguration des Netzwerkes vereinfachen

Mit der zunehmenden Bedeutung und Leistungsfähigkeit der fahrzeuginternen Vernetzung (IVN) steigt auch die Komplexität der Netze, die unterschiedliche Elemente wie Switches und Gateways umfassen. Zwar ist diese Komplexität Voraussetzung für ein stabiles Netz, doch sollte die Konfiguration der Komponenten (und damit des gesamten Netzwerks) etwas vereinfacht werden.

Software Defined Networking (SDN) kann eingesetzt werden, um die Konfiguration von Netzwerkkomponenten durch eine standardisierte Schnittstelle und hardware- und herstellerunabhängige Konfiguration zu vereinfachen. Da dies auch Over-the-Air möglich ist, kann die vereinfachte Netzwerkkonfiguration Teil von Hersteller-Updates werden und bei Bedarf auf Flottenebene verwaltet werden.

In einer zonalen Architektur verlagert sich die Funktionalität von Domänencontrollern zu zonalen Steuergeräten und dem zentralen Prozessor. Dadurch werden die Anwendungen auf eine breitere Verarbeitungs- und Netzwerkhardware verteilt, und mehrere Datenströme und Funktionen teilen sich eine Hardware. Die höhere Arbeitslast kann Latenzen und Jitter hervorrufen, was bei zeitkritischen Anwendungen problematisch ist.

Folglich sind Leistung und Durchsatz der Hardware ein wichtiger Faktor bei der Planung einer zonalen Architektur. Das zentrale Steuergerät verwendet zur Aufgabenplanung häufig ausgeklügelte Algorithmen, die auf Multicore-Prozessoren laufen, um Verzögerungen zu minimieren, während das Netzwerk auf Hochleistungstechnologien wie z. B. zeitsensiblem Ethernet basiert.

Safety und Security

Letzte Überlegungen betreffen Safety und Security: Diese gewinnen mit zunehmender Fahrzeugvernetzung und -autonomie an Bedeutung. In diesen vielschichtigen Bereich fällt die funktionale Sicherheit. Zu funktionaler Sicherheit gehört Ausfälle in kritischen Komponenten zu erkennen und zu beheben und sicherzustellen, dass der Betrieb ausfallsicher ist und die zonale Architektur als Ganzes nicht durch böswillige Angriffe von außen gefährdet wird.

Dabei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, insbesondere bei Fahrzeugen mit Autonomie-Level 3 und höher. Die zonale Architektur vergrößert die Herausforderung, denn ein Hardware-Teil kann in erster Linie für verhältnismäßig banale Aufgaben dienen, die sich kaum auf die Safety oder Security auswirken. Derselben Hardware kann aber durch das Zusammenspiel von Funktionen/Domänen beim zonalen Ansatz eine einflussreiche Funktion wie etwa Lenkung oder Bremsen zukommen. In dem Fall erfordert die Hardware – und die dazugehörige Software – ein hohes Maß an Security.

Die zonale Lösung

Bei der Implementierung einer zonalen Architektur gibt es unzählige Möglichkeiten, Schlüsselfunktionen wie Konnektivität, Netzwerksteuerung, Echtzeit-E/A und Anwendungs-/Dienstmanagement abzudecken. Die von NXP vorgeschlagene Lösung sieht drei Elemente vor, die in einer Hierarchie zusammenarbeiten: den zonalen Aggregator, das zonale Steuergerät und den zonalen Prozessor.

Der zonale Aggregator ist ausschließlich für Trafficmanagement und Echtzeitverarbeitung zuständig, während das zonale Steuergerät auch die erweiterte Netzwerkverarbeitung übernimmt. Der zonale Prozessor ist an einigen Aspekten des Netzwerks beteiligt, befasst sich aber hauptsächlich mit Anwendungsprozessen und -diensten.

Vorschlag für eine zonale Lösung mit drei Elementen, die in einer Hierarchie zusammenarbeiten: der zonale Aggregator, das zonale Steuergerät und der zonale Prozessor.
Vorschlag für eine zonale Lösung mit drei Elementen, die in einer Hierarchie zusammenarbeiten: der zonale Aggregator, das zonale Steuergerät und der zonale Prozessor. (Bild: NXP)

Mit Komplettlösungen, die speziell für die Implementierung eines Ethernet-TSN-Switches, Multicore-Prozessoren und funktionssicheren Power-Management-Bausteinen entwickelt wurden, verfügt NXP über Lösungen, die das gesamte Spektrum zonaler Implementierungen (zonaler Aggregator, zonales Steuergerät und zonaler Prozessor) abdecken können.

Zusammenfassung

Die Automobilindustrie durchläuft zurzeit einen beispiellosen Wandel: Elektrisch angetriebene, mit Technologie vollgepackte Fahrzeuge werden vermutlich schon bald in der Überzahl sein. Neben ihrer Hauptaufgabe, Menschen und Waren „von A nach B zu bringen“, werden Fahrzeuge in Zukunft auch als hochgradig konfigurierbare Dienstleistungsplattformen dienen. Um diese Zukunftsvision zu erreichen, werden in fast allen Fahrzeugen Hunderte von Steuergeräten und Sensoren eingebaut. Das erfordert eine grundlegende Überarbeitung der Fahrzeugarchitektur – allein schon, um Größe und Gewicht des Kabelbaums zu reduzieren.

Während bei früheren Ansätzen Fahrzeuge in Domänen aufgeteilt wurden, gewinnt der zonale Ansatz aufgrund seiner Kapazität, Flexibilität und Fähigkeit zur Kostenbegrenzung rasch an Bedeutung.

Robert Moran

Director, Vehicle Control & Networking Solutions, bei NXP

Francesco Sindaco

Director, Strategy and Business Development, bei NXP

Andy Birnie

Director, Automotive Processing Solutions & Applications, bei NXP

Bart Vermeulen

Technical Director, In-Vehicle Architectures, bei NXP

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