L'importanza della tecnologia di rete
nel settore automobilistico
Sonatus Ho partecipato all’Automotive Ethernet Congress alla fine di marzo a Monaco di Baviera, in Germania, con oltre 1000 partecipanti, relatori ed espositori provenienti da 26 paesi. L’evento ha saputo cogliere l’energia che anima l’ecosistema dell’Ethernet automobilistico. Da quando mi sono immerso nel mondo della tecnologia automobilistica, il concetto secondo cui “il software sta conquistando il mondo” continua a risuonarmi nella mente; tuttavia, potrei modificarlo in “la rete sta conquistando il mondo”. Nei veicoli, le funzioni software residenti in componenti isolati sono ora esposte ad altre funzioni software, alcune centralizzate, altre nel cloud e potenzialmente altre ancora situate in veicoli vicini. Le implicazioni per i servizi e le applicazioni sono profonde. Ciò esercita un’enorme pressione sulla rete in termini di qualità del servizio, larghezza di banda, affidabilità, sicurezza, consumo energetico e costi. L’Automotive Ethernet Congress ha offerto l’opportunità di vedere come questo mondo “divorato” possa prendere forma attraverso l’applicazione della tecnologia Ethernet. Ecco tre punti chiave da ricordare:
1. Sarà fondamentale creare reti di veicoli ad alte prestazioni
La tecnologia Ethernet è lo standard per la connessione Internet via cavo, sia pubblica che privata. Tuttavia, la rete di bordo tradizionale comprende diverse tecnologie alternative, tra cui CAN e Flexray. Queste tecnologie presentano caratteristiche vantaggiose per le reti di bordo, poiché combinano costi contenuti e prestazioni deterministiche; tuttavia, quando si tratta di introdurre le tecnologie Internet e cloud nei veicoli, queste reti tradizionali presentano problemi relativi a MTU, larghezza di banda, efficienza, ridondanza e qualità del servizio (QoS).
Il PHY 10BASE-T1S risolve i problemi legati ai PHY Ethernet esistenti, fornendo al contempo il MAC Ethernet alle centraline elettroniche (ECU) a basso costo e garantendo così la connettività a livello di rete in tutto il veicolo senza la necessità di gateway e schemi di tunneling. L’architettura orientata ai servizi può ora estendersi direttamente a tutte le ECU in un’architettura piatta in grado di includere servizi cloud e servizi per veicoli connessi.
Lo standard 10BASE-T1S prevede l'uso di un singolo doppino intrecciato, simile allo standard 10BASE-T half-duplex. È in grado di funzionare con il protocollo CSMA/CD, ma dispone anche di un meccanismo TDMA che garantisce un'elevata efficienza in termini di larghezza di banda. Questa modalità è denominata PLCA (PHY Level Collision Avoidance). Il vantaggio del PLCA è che il periodo di accesso dedicato a una stazione è molto breve, 20 bit, ma si estende alla lunghezza effettiva dei dati quando questi ultimi devono essere inviati. Una stazione attende il proprio periodo di accesso e poi trasmette. Una volta che la stazione ha trasmesso, si apre l’opportunità di trasmissione per la stazione successiva per 20 bit; se non c’è nulla da trasmettere, vengono sprecati solo 20 bit. Non esiste un periodo di backoff casuale, quindi le prestazioni della rete nel caso peggiore sono deterministiche se il numero di nodi è noto. Una rete a 8 nodi è molto efficiente (99,5%) quando tutti i nodi devono trasmettere; e presenta un’efficienza compresa tra il 78,3% e il 98,7% per frame di dimensioni da minime a massime quando trasmette un solo nodo.
Man mano che il livello di rete si estende alle centraline elettroniche (ECU) a basso costo, il software di bordo "Sonatus " garantisce la corretta configurazione di queste reti per soddisfare i requisiti di larghezza di banda, qualità del servizio (QoS) e alimentazione delle relative applicazioni.
2. I produttori OEM hanno bisogno di reti efficienti dal punto di vista energetico per l'era dei veicoli elettrici
Nella rete dei veicoli sono presenti modelli di traffico asimmetrici. Le telecamere e i display sono altamente asimmetrici, in quanto una telecamera trasmette una grande quantità di dati video ma ne riceve pochissimi (per lo più dati di controllo). I display ricevono molti dati ma ne trasmettono pochissimi. In entrambi i casi, le larghezze di banda richieste sono elevate.
Di conseguenza, i produttori OEM sono costretti a installare collegamenti ad alta larghezza di banda tra nodi e switch, in cui solo una direzione della larghezza di banda viene sfruttata appieno. I moduli PHY consumano energia e questo può rappresentare un problema per i veicoli elettrici, per i quali l’efficienza energetica è una priorità fondamentale. Il funzionamento dei moduli PHY in assenza di trasmissioni costituisce uno spreco di energia.
L’EEE è una tecnologia IEEE 802 sviluppata per risolvere questo problema. L’idea di base consiste nel far funzionare il PHY solo per una frazione di tempo in un determinato periodo. Per ottimizzare meglio Ethernet per velocità di trasmissione asimmetriche, è stato proposto un nuovo PHY Ethernet denominato ASA 2.0. Per trarre vantaggio da questa ottimizzazione, il PHY dovrebbe essere configurato in base alle velocità di trasmissione asimmetriche previste. Una soluzione SDN è particolarmente indicata per questo problema, poiché i requisiti relativi al traffico di rete sono già necessari per risolvere i problemi di QoS e affidabilità e tali informazioni possono essere utilizzate per risolvere i problemi di gestione dell’alimentazione.
3. L'architettura software agile è necessaria
Sottolineando l’importanza dello switching Ethernet nei veicoli moderni, AutoSAR sta sviluppando un modello di dati per la configurazione degli switch Ethernet. Il modello è descritto a basso livello e riguarda gli oggetti fondamentali dello switch. Pertanto, è necessario sviluppare un’applicazione per creare la configurazione e implementarla nello switch. Nel caso di reti con più switch, come ad esempio in un’architettura a zone, l’applicazione avrebbe il compito di creare le configurazioni per ciascuno switch e distribuirle di conseguenza.
Sonatus ha dimostrato la configurazione degli switch tramite policy sia in architetture a switch singolo che a zone. Sebbene sia possibile supportare il modello AutoSAR, Sonatus attualmente utilizza modelli IEEE YANG per generare configurazioni adeguate per gli switch. AutoSAR e IEEE sembrano sviluppare standard concorrenti per i modelli di configurazione e monitoraggio degli switch Ethernet. È probabile che assisteremo a un mix di approcci in tutto il settore, pertanto sarà necessaria un’architettura software agile per affermarsi in questo mercato.
La strada verso un futuro automatizzato
L’Automotive Ethernet Congress ha messo in luce la crescente importanza della tecnologia di rete nel settore automobilistico. Man mano che i veicoli diventano sempre più connessi e automatizzati, la qualità del servizio, la larghezza di banda, l’affidabilità, la sicurezza, il consumo energetico e i costi della rete assumono un’importanza sempre maggiore. Grazie ai progressi nella tecnologia Ethernet, il settore si sta orientando verso un futuro più connesso e automatizzato, e le case automobilistiche dovranno implementare nuove architetture per accelerare il passaggio a veicoli definiti dal software.
→ Scopri di più su “Ethernet Network Manager” di Sonatus, una componente dei servizi di rete di Sonatus Foundation.
James Murphy
Membro dello staff tecnico, Sonatus
contact@sonatus.com