Ein modernes Fahrzeug entwickelt sich zunehmend zum Software Defined Vehicle (SDV) – also zu einem durch Software geprägten System, bei dem Innovationen und neue Funktionen hauptsächlich über Updates und Applikationen bereitgestellt werden. Diese Transformation verlangt nach einem leistungsfähigen, skalierbaren und zugleich kosteneffizienten In-vehicle-Netzwerk, das sowohl High-Speed-Datenströme für Sensorfusion und Fahrerassistenz (ADAS) als auch zuverlässige, robuste Kommunikationswege für Basisfunktionen bereitstellt.
Abbildung 1: Von domänenorientierten zu zonenorientierten Systemstrukturen
Während High-Performance-Computer (HPC) die Rolle zentraler Datenknoten übernehmen, benötigt man für zahlreiche Peripheriekomponenten ein robustes, kosteneffizientes und leicht zu implementierendes Netzwerk. Hier bietet die Automotive-Ethernet-Variante 10BASE-T1S eine attraktive Alternative zu etablierten Feldbussen wie CAN CC, LIN oder FlexRay. Neben weiteren High-Speed-Lösungen wie 1000BASE-T1 oder 2.5GBASE-T1 ist 10BASE-T1S (Single-Pair Ethernet, SPE) ein entscheidender Baustein für die Vernetzung einfacher Steuergeräte, Sensoren und Aktoren. Der Standard wurde 2019 durch IEEE 802.3cg spezifiziert und ist inzwischen fester Bestandteil der Diskussionen rund um zonale Fahrzeugarchitekturen.
10BASE-T1S ermöglicht die Datenübertragung mit 10 Mbit/s über ein einzelnes Twisted-Pair-Kabel und unterstützt eine Multi-Drop-Topologie, bei der bis zu acht Knoten an einem Strang betrieben werden können. Da das Buszugriffsverfahren Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) genutzt wird, erfolgt die Kommunikation im Halbduplex-Modus. So bleibt die Kommunikation auch bei mehreren Teilnehmern echtzeitfähig.
Abbildung 2: Übertragungssequenz der Knoten via PLCA
Das PLCA-Verfahren ist das Herzstück von 10BASE-T1S und sorgt dafür, dass es im Halbduplex-Betrieb nicht zu Datenkollisionen kommt. Jeder Knoten im Multi-Drop-Netzwerk erhält dabei eine feste Node-ID. Ein sogenannter Coordinator verteilt im Takt die „Beacons“, also Synchronisationssignale, die daraus folgenden „Transmit Opportunities“ (TO) werden dann individuell von jedem Knoten abgeleitet. Nur wenn ein Knoten an der Reihe ist, darf er senden – ansonsten bleibt er still.
Die minimale und maximale Zykluszeit im PLCA-Verfahren hängt dabei vom Datenaufkommen ab. Im Minimalfall – wenn kaum Daten gesendet werden – läuft der Zyklus sehr schnell durch, da ungenutzte Transmit Opportunities sofort übersprungen werden. Im Maximalfall hingegen nutzen alle Knoten ihre Sendechance mit vollen Frames. Dadurch verlängert sich der Zyklus, bleibt aber deterministisch: Ein Paket wartet höchstens bis zur nächsten Runde. So garantiert PLCA kurze Reaktionszeiten bei wenig Verkehr und eine klare obere Latenzgrenze bei hoher Last.
Dieses Verfahren ähnelt einem „geordneten Rundruf“ und garantiert eine deterministische Übertragung mit minimalen Verzögerungen, selbst wenn mehrere Steuergeräte gleichzeitig Daten senden wollen.
Abbildung 3: Multi-Drop-Netzwerktopologie
Die Verkabelung ist besonders einfach: Bis zu 15 Meter lassen sich oft mit ungeschirmtem Twisted-Pair realisieren, was Kosten und Gewicht deutlich reduziert. Zudem erlaubt Power over Data Line (PoDL) die gleichzeitige Übertragung von Energie und Daten – ein Vorteil vor allem in Sensor-Aktor-Netzwerken. Zukünftig soll 10BASE-T1S um Funktionen wie MACsec für verschlüsselte Kommunikation erweitert werden. Damit wird es zur attraktiven Alternative zu klassischen Bussystemen wie CAN CC oder LIN und ein Schlüsselbaustein für ein einheitliches Ethernet-basiertes Fahrzeugnetzwerk.
Die Vorteile von 10BASE-T1S liegen vor allem in der Reduzierung der Verkabelungskomplexität und damit des Fahrzeuggewichts sowie in der Möglichkeit, bestehende CAN- oder LIN-Topologien schrittweise durch Ethernet zu ersetzen.
Typische Anwendungsbereiche:
Ein entscheidender Vorteil: Durch die Ethernet-Basis ist die nahtlose Integration in zonale Architekturen möglich. So lassen sich einfache Geräte ohne zusätzliche Gateways direkt mit HPCs verbinden.
Während CAN und LIN jahrzehntelang den Standard für Niedriggeschwindigkeitskommunikation setzten, stoßen sie bei modernen Architekturen zunehmend an Grenzen. Auch sind die Skalierbarkeit und die service-orientierte Kommunikation (z. B. über SOME/IP) nur begrenzt möglich. Mit 10BASE-T1S kann die Homogenisierung auf Ethernet vorangetrieben werden – mit einheitlichen Diagnosewerkzeugen, Sicherheitsmechanismen und Protokollstacks.
Abbildung 4: Entwicklung der Netzwerktechnologien im Automobilbereich
Mit jahrelanger Erfahrung im Automobilsektor adressiert HMS Networks schon heute die wachsende Bedeutung von 10BASE-T1S mit leistungsstarken Automotive Gateways, die speziell für Testingenieure von Automobilherstellern, aber auch von Zulieferern entwickelt wurden.
