Article de : Alan A. Varghese
Devrait-il y avoir une forte concentration sur un seul réseau à l’intérieur de la voiture ?
Les voitures des années 1960 telles que la Hillman Hunter (Figure 1), construite par la Hillman Motor Car Company basée à Coventry, en Angleterre, n’avaient qu’environ 50 fils d’une longueur totale d’environ 100 pieds dans leur harnais. Comparez cela aux voitures d’aujourd’hui qui ont plus de 1500 fils qui peuvent totaliser près de 2,5 km de long et peser plus de 100 livres. Le harnais peut devenir plus lourd; les constructeurs automobiles affirment que le poids a bondi d’environ 30 % en une seule évolution de modèle, avec l’intégration de technologies autonomes. Donc, il devrait y avoir une forte concentration sur le fait d’avoir un seul réseau à l’intérieur de l’automobile, n’est-ce pas ?
Figure 1. Voiture Hillman Hunter. (Source : unsplash.com)
Eh bien, la réponse est compliquée.
Exigences de bande passante pour l’avenir IVN
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Les exigences du réseau embarqué (IVN) comprennent une bande passante élevée, une faible latence et une fiabilité élevée pour fonctionner dans l’environnement d’exploitation difficile de l’automobile. Au fil des ans, plusieurs technologies telles que l’analogique, le réseau de contrôle (CAN), le FlexRay, le réseau d’interconnexion local (LIN), la signalisation différentielle basse tension (LVDS) et le transport de systèmes orientés média (MOST) ont été utilisées pour l’IVN (Figure 2).
Lorsque nous examinons les applications de nouvelle génération, ces technologies héritées ne peuvent pas prendre en charge les exigences de bande passante ; de plus, certains sont exclusifs et coûteux.
Figure 2 : Réseaux embarqués dans l’automobile.
Pour mieux comprendre les besoins en bande passante, n’oubliez pas que le débit binaire approximatif d’un flux vidéo peut être calculé comme suit :
- Taille du cadre = Résolution x Profondeur de couleur
- Débit binaire = taille de trame x fréquence de trame
Ainsi, pour une caméra ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems) capturant une image 1080p avec une profondeur de couleur de 24 bits et transmettant à 30 ips, le débit binaire à prendre en charge est égal à :
- Taille du cadre = 1920 x 1080 x 24 = 49 766 400
- Débit binaire = 49 766 400 x 30 = 1493 Mbps
Le tableau ci-dessous montre des volumes de données typiques des différents capteurs impliqués dans la conduite autonome :
CAPTEUR
DONNÉES/CAPTEUR
Caméra
500-3500 Mbps
Lidar
20-100 Mbps
Radar
0,1-15 Mbps
Ultrason
0,01 Mbit/s
Plusieurs normes concurrentes pour l’IVN
- ETHERNET AUTOMOBILE : L’Ethernet automobile est considéré comme un remplacement des technologies IVN héritées et la plupart des voitures sont aujourd’hui équipées de 100BASE-T (100 Mbps). Différents fabricants le soulignent pour différents domaines, par exemple Hyundai pour les systèmes d’infodivertissement, tandis que Volkswagen pour la connectivité ADAS. En 2019 et 2020, la norme a ajouté à la fois des vitesses inférieures (10 Mbps) et des vitesses multigigabit. La dernière norme pour les débits de données de 2,5, 5 et 10 Gbit/s appelée 802.3ch a été achevée début 2020. En outre, un nouveau groupe de travail, IEEE 802.3cy, a commencé ses activités en 2020 pour développer un PHY automobile pour 25, 50 et 100 Gbit/s.
- SERDES (ASA) : Une autre norme pour l’IVN est basée sur le protocole sérialiseur/désérialiseur (SERDES). L’Automotive SerDes Alliance a été fondée en 2019 par BMW, Broadcom, Continental, Fraunhofer, Marvell et NXP pour la normalisation SERDES. Il comprend désormais 36 membres et a été créé pour étendre l’écosystème au-delà des solutions propriétaires SERDES alors disponibles, telles que FPD-Link de Texas Instruments, GMSL de Maxim Integrated et Apix d’Inova Semiconductor. La nouvelle norme peut fournir des bandes passantes de 3,6 à 13 Gbit/s jusqu’à 15 m.
- SERDES (MIPI A-PHY) : En novembre 2020, l’Alliance MIPI a publié sa spécification SERDES PHY automobile A-PHY v1.0. La spécification permet des données asymétriques dans une topologie point à point ou en guirlande, avec une alimentation électrique en option. Le débit de données est égal à 16 Gbit/s avec une feuille de route à 48 Gbit/s sur la liaison descendante et un débit de liaison montante de 200 Mbit/s ; la latence est faible (6µs) et la portée est de 15m. L’application principale consiste à connecter des capteurs au processeur de signal d’image de l’unité de commande électronique (ECU) et le processeur de signal graphique de l’ECU aux écrans.
L’IVN est-il Ethernet, SERDES ou les deux ?
Certains constructeurs automobiles et fournisseurs de niveau 1 se sentent pour quelques années initiales ; nous pouvons voir les deux normes. Cependant, après cela, l’Ethernet automobile avec des débits de données allant jusqu’à 100 Gbps subsumera tous les autres.
Kirsten Matheus, ingénieur chez BMW, pourrait avoir un point de vue légèrement différent. Elle a suggéré que SERDES est nécessaire et la bonne technologie pour les connexions de capteurs ADAS qui transportent des données asymétriques point à point ; tandis qu’Ethernet est une technologie de mise en réseau bonne pour d’autres applications automobiles. Considérant que Kirsten a joué un rôle clé dans la standardisation de l’Ethernet automobile, son point de vue devrait avoir du poids (Source : lancement de l’Alliance SerDes pour l’automobile, mai 2019, Salt Lake City).
Les équipementiers automobiles qui tentent d’affiner leurs feuilles de route IVN pourraient adopter l’une des deux stratégies suivantes :
- Une stratégie de couverture, c’est-à-dire mettre en œuvre les deux normes pour l’IVN, jusqu’à ce que les exigences ADAS pour la conduite des niveaux 3 à 5 deviennent beaucoup plus claires. Le point négatif de cette approche est que les passerelles peuvent être nécessaires pour traduire les données dans les différents domaines/zones, ce qui augmentera les coûts et le poids.
- Une stratégie technique, c’est-à-dire une conception autour du besoin de liaisons point à point à haut débit en mettant un traitement et une compression de données accrus sur chaque capteur. Le point négatif de cette approche est que le coût de la suite de capteurs augmentera et que le traitement accru nécessitera une dissipation thermique.
Test de l’IVN
En ce qui concerne le test de l’IVN, il est important de tester les performances de l’émetteur, du récepteur et du canal. Avec des centaines de tests à effectuer, un logiciel de test de conformité automatisé avec interprétation des spécifications, des résultats reproductibles, des assistants de configuration avec des interfaces utilisateur conviviales et la génération de rapports sont tout aussi importants pour les ingénieurs automobiles que les spécifications techniques telles que les bandes passantes, les vitesses d’échantillonnage et le signal résolution.
Le test de l’émetteur est effectué principalement avec un oscilloscope pour s’assurer que les signaux envoyés ne sont pas la cause d’impuretés ; tandis que le test du récepteur est terminé pour vérifier la détection précise des signaux d’entrée, en utilisant un stimulus de signal ou des générateurs de formes d’onde arbitraires. Les mesures d’impédance et de perte de retour sont importantes dans les domaines temporel et fréquentiel pour garantir des performances système fiables et diagnostiquer les problèmes d’intégrité du signal.
Conclusion
L’industrie automobile a parcouru un long chemin depuis l’époque du Hillman Hunter. Les avancées vers les véhicules autonomes et connectés posent des défis qui doivent être relevés par le réseau embarqué. La multiplicité des capteurs, des commandes et des interfaces requis pour l’ADAS et les nouvelles fonctionnalités d’infodivertissement nécessitent des connexions à large bande passante – les réseaux traditionnels tels que CAN, MOST et FlexRay ne suffiront pas. Avec l’avènement de nouvelles normes telles que l’Ethernet automobile et SERDES, des communications de données plus rapides sont possibles et les besoins des futurs véhicules connectés peuvent être satisfaits.
A propos de l’auteur
Alan A. Varghèse est responsable de la technologie automobile et du marketing chez Keysight Technologies.
Avant Keysight, Alan a été analyste industriel et technologique couvrant les marchés du sans fil, de l’IoT, de l’automobile, des semi-conducteurs, du câble et de l’optique, de l’image et de la vidéo, de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique. Il a conseillé les entreprises sur leur stratégie et leurs feuilles de route, a réalisé des études de marché/technologie spécialisées, ainsi que des analyses SWOT et de business model. Il a commencé sa carrière en tant qu’ingénieur en traitement du signal numérique travaillant sur les modems des combinés et est titulaire d’un MSEE en communications sans fil et DSP du Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York.
