Mit Time Sensitive Networking (TSN) soll es in Zukunft möglich sein, große Mengen an zeitkritischen Daten sicher zu handhaben. Das ist eine wichtige Voraussetzung, um automatisiertes Fahren umzusetzen.
Hauptaufgabe des Time-Sensitive Networking ist die Datenübertragung in Echtzeit: eine wichtige Voraussetzung für das automatisierte Fahren.
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Für eine Vielzahl der Funktionen des automatisierten Fahrens sind Verlässlichkeit und Echtzeit der Datenübertragung Grundvoraussetzung. "Das heißt, spätestens mit SAE-Level 4 sind neben einer hohen Verfügbarkeit des IV-Netzes Zeitsynchronisation, Traffic-Priorisierung, Determinismus und begrenzte Latenz unabdingbare Anforderungen", erklären Jürgen Scheuring von TSN Systems und Ulrich Bernhard von BEB Consulting & Coaching im Artikel Time Sensitive Networking in der Automobilindustrie (Seite 61) aus der ATZelektronik 9-2020. Die Lösung hierfür sei Time Sensitive Networking (TSN) auf Basis von Automotive Ethernet.
TSN wird derzeit als die Zukunftstechnologie vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) entwickelt. TSN ist eine Sammlung verschiedener IEEE-Substandards, "die Echtzeitanforderungen für Ethernet sicherstellen und unter anderem für den Einsatz in Fahrzeugnetzwerken entwickelt wurden", wie es die Springer-Autoren um Sandra Reider im Kapitel Integration realer Angriffe in simulierte Echtzeit-Ethernet-Netzwerke (Seite 52) des Buchs Echtzeit 2020 erklären. Die Technologie soll konventionelles Ethernet nach IEEE 802.1 und IEEE 802.3 um einen Grad an Determinismus bei der Datenübertragung ergänzen, wie es Netzwerk-Spezialist Hirschmann in einem Whitepaper zu TSN erläutert.
Konkret bedeute dies Ethernet mit:
- berechenbaren und garantierten Ende-zu-Ende Latenzen,
- stark begrenzten Latenzschwankungen (Jitter) und
- extrem geringem Paketverlust.
TSN befähigt Ethernet zu immer zeitkritischeren Anwendungen
Automotive Ethernet mit TSN soll also zusammengefasst "einen zuverlässigen Datenfluss mit geringen Latenzzeiten, garantierter Bandbreite und Zeitsynchronisierung, die für Automobilanwendungen in Echtzeit wesentlich sind", ermöglichen, so Brian Carlson von NXP im Artikel Bordnetzprozessoren spielen entscheidende Rolle in neuen Fahrzeugarchitekturen (Seite 20) aus der ATZelektronik 9-2021.
Zu den Technologien, die in der TSN-Standard-Sammlung definiert sind, gehören laut Sandra Ebeling, die für den Leoni-Automotive-Blog schreibt, unter anderem folgende: Netzwerkzeit (PTP), Nachrichtenmanagement (Traffic Shaper) und Redundanzmechanismen.
Precision Timing Protocol (PTP)
Für Echtzeit-Regelalgorithmen ist ein gemeinsames Zeitverständnis (Netzwerkzeit) aller Funktionen entscheidend, wie Elektrotechnikerin Ebeling erläutert. Um diese benötigte präzise und synchronisierte Zeit im Netzwerk sicherzustellen, werde das Precision Timing Protocol (PTP) genutzt.
Traffic Shaping
Das TSN-Netzwerk hat laut Ebeling die Kernfunktion, den Netzwerkverkehr zu priorisieren, sodass ein deterministisches Verhalten garantiert werden könne. Basis dafür seien synchrone oder asynchrone "Traffic Shaper". "Der TSN Shaper stellt sicher, das kritische Nachrichten (z.B. wichtige Sensordaten) immer zuerst weitergeleitet wird und stellt Nachrichten mit niedrigerer Priorität (z.B. Multimedia) hinten an", schreibt die Elektrotechnikerin.
Redundanz im Netzwerk
Zur rechtzeitigen und ausfallsicheren Übertragung von Daten sind Redundanzmechanismen notwendig. Damit soll Sicherheit in das Fahrzeug gebracht und Fehlern vorgebeugt werden. Dies erfolgt laut Ebeling nicht nur durch physikalische Verdoppelung von Sensoren, Intelligenz und Aktoren, sondern auch durch Vervielfältigung von Netzwerkverbindungen und Datenströmen.
Netzwerkarchitektur
Schlussendlich realisieren diese Mechanismen neue Netzwerkarchitekturen im Fahrzeug, mithilfe derer sich automatisiertes Fahren umsetzen lässt, so Ebeling. Durch Ethernet könnten "Sensoren und Aktoren des Fahrzeugs sicher und schnell an mehrere sich überwachende zentrale Steuergeräte angeschlossen werden, die aufgrund der gesammelten Daten entscheiden, wie gesteuert, beschleunigt und gebremst werden soll", erklärt Ebeling.