Ethernet im Automobil- Teil 3

Merkmale

Aus obigen Beispielen wird ersichtlich, dass die Güte der meisten Systeme im Automobil im Wesentlichen von der Verzögerung der Datenübermittlung – der sogenannten Latenz – und der Variabilität der Dauer der Datenübermittlung – dem sogenannten Jitter – abhängt. Die Variabilität hat dabei wesentlichen Einfluss auf die sogenannte Totzeit. Damit wird diejenige Zeitspanne bezeichnet, die zwischen dem Eingang von Veränderungen am Systemanfang und der entsprechenden Änderung am Systemausgang liegt. Es ist logisch, dass je länger die jeweilige Totzeit eines Systems ist, desto schlechter ist auch das Regelverhalten des Systems. In manchen Fällen führt eine zu hohe Totzeit dazu, dass ein System gänzlich unbrauchbar wird. In Bezug auf diese Anforderungen ist es von entscheidender Bedeutung, dass das Automobil ein mehr oder weniger geschlossenes System ist, in das im Normalfall nicht spontan weitere Komponenten oder Übertragungsleitungen eingebaut werden. Die spezifischen Anforderungen an ein Fahrzeug sind meist lange im Voraus bekannt. Daher können das Zielverhalten und die zeitlichen Komponenten des verwendeten Bussystems ebenfalls im Voraus berechnet werden. Ein weiterer Vorteil liegt dann auch darin, dass das Bussystem im Automobil nicht die Flexibilität aufweisen muss, sich spontan an neue Topologien oder an eine veränderte Anzahl von Teilnehmern einstellen zu müssen. Diese Flexibilität ist zum Beispiel in Anwendungen wie dem Internet gefragt.

Spezifische Anforderungen an Echtzeitsysteme im Automobil

  1. Parallele Datenübertragung: Grundsätzlich ist es wichtig, dass Daten parallel übertragen werden können. D.h., ein bestimmter Kanal darf nicht durch ein Datenpaket, das sich in der Übertragung befindet, vollständig blockiert werden. Sonst wäre zum Beispiel die gleichzeitige Übertragung von Informationen in den Aufprallsensoren an die Systeme der Airbags und an die automatische Bremsregelung nicht möglich
  2. Echtzeitanforderungen: Nicht alle Komponenten im Automobil benötigen eine Datenübertragung in Echtzeit. Es wird unterschieden zwischen solchen Systemen ohne Echtzeitanforderungen und solchen mit weichen oder harten Echtzeitanforderungen. Daten für Fahrerassistenzsysteme und solche, die für die Sicherheit der Insassen verantwortlich sind, erfordern eine absolut deterministische Übertragung von Datenpaketen, deren Latenz und Jitter sich innerhalb von sehr eng festgelegten Grenzen bewegen müssen. Übertragungen, die die Echtzeitanforderungen erfüllen, müssen eine Zykluszeit von fünf bis zehn Millisekunden erreichen. Andere Systeme im Automobil arbeiten auch effizient ohne solche harten Echtzeitanforderungen; man bezeichnet sie als Systeme mit weichen Echtzeitanforderungen. Hier dürfen Latenz und Jitter länger bzw. variabler sein. Zu solchen Systemen gehören zum Beispiel die Kommunikations– und Unterhaltungselektronik im Fahrzeug, also Komponenten wie Radio, Navigationssysteme und das Autotelefon. Eine weitere Gruppe von Anwendungen hat überhaupt keine festen Zeitanforderungen an das Bussystem. Dazu gehört zum Beispiel ein Teil der Systeme der Off-Board-Kommunikation. Die Off-Board-Kommunikation fasst alle die Kommunikationskomponenten des Fahrzeugs zusammen, die eine Kommunikation des Fahrzeugs mit der Außenwelt erlauben. Während Komponenten, die Informationen von außen in das Fahrzeug hineinbringen (zum Beispiel Sensoren) harte Echtzeitanforderungen aufweisen, haben Systeme wie der Werkstatt- oder der Diagnosetester keine spezifischen Zeitvorgaben, in welchen Rahmen die Übertragungen stattfinden sollen.
  3. Synchrone Datenübertragung: Die meisten Systeme im Automobil erfordern eine synchrone Datenübertragung. Synchron bedeutet, dass die Übertragung der einzelnen Bits zwischen zwei Komponenten zeitlich synchronisiert wird mithilfe eines Taktsignals. Einige Systeme erlauben aber auch eine asynchrone Datenübertragung, d.h. eine Übertragung ohne starre Phasenbeziehung, bei der zwischen den einzelnen Symbolzeichen zufällige Pausen auftreten, die in ihrer Länge beliebig variieren können. Eine asynchrone Übertragung erlauben zum Beispiel Diagnosewerkzeuge und Anwendungen der Kommunikations- und Unterhaltungstechnik.
  4. Jitter: Mit dem Begriff Jitter wird die Variabilität bezüglich der Laufzeit einer Nachricht bezeichnet.  Von der Höhe des Jitters hängt die Regelgüte eines verteilten Regelungssystems in entscheidender Art und Weise ab.
  5. Redundanz: Redundanz bezeichnet allgemein die Überlappung von einzelnen Komponenten oder Bestandteilen eines Systems. Eine höhere Redundanz erhöht die Toleranz gegenüber Fehlern im System. Allgemein sollte also jedes Regelungssystem im Automobil eine relativ hohe Redundanz aufweisen, um das Fahrzeug in möglichst großem Maße unanfällig gegenüber Störeinflüssen zu machen.
  6. Bandbreitenanforderung: Die Bandbreitenanforderung beträgt derzeit etwa zwei Megabit pro Sekunde. Die Datenübertragung muss bei dieser Bandbreitenanforderung mit deterministischem Zeitverhalten erfolgen, da es sonst zu Fehlern kommen kann. Im Vergleich dazu, haben zum Beispiel Videodateien eine wesentlich höhere Bandbreitenanforderung, erlauben aber ein weniger deterministisches Zeitverhalten.
  7. Physikalische Komponenten: Die Austauschbarkeit der physikalischen Komponenten des Systems ist ebenfalls ein wichtiges Merkmal der Echtzeitsysteme. Im Automobil ist es dabei besonders wichtig, dass einzelne physikalische Komponenten problemlos und schnell ausgetauscht werden können und verschiedene physikalische Medien auch miteinander kombiniert werden können. So kann zum Beispiel die Datenübertragung optimiert werden.
  8. Anwendbarkeit: Auch die einfache Anwendung des Bussystems ist von entscheidender Bedeutung. Bei einer einfacheren Anwendbarkeit benötigt ein Produkt weniger Zeit zu seiner Einführung, was wiederum schnellere Fortschritte in der Forschung ermöglicht. Wichtig ist also die Flexibilität der Schnittstellen zu einem Bussystem.
  9. Kosten: Als letzter wichtiger Punkt sind die entstehenden Kosten zu nennen. Zur Reduzierung der Kosten ist es vor allem sinnvoll, bei der Entwicklung Standardkomponenten – sogenannte Components of the shelf (COTS) einzusetzen, die erheblich kostengünstiger sind als eigene Entwicklungen.