Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
El mundo de los coches está cambiando a un ritmo sin precedentes, y los vehículos son cada vez más seguros y ecológicos. El principal foco de atención de la industria automovilística actual son los coches conectados, los compartidos, los autónomos y los eléctricos. A fin de que los coches puedan tomar decisiones complejas, es necesario obtener una enorme cantidad de datos de los sensores que están ubicados en el exterior del vehículo y, posteriormente, procesarlos o mostrarlos en el interior. Por lo tanto, si queremos que los sistemas tomen decisiones y adopten medidas en tiempo real, necesitamos una solución de conectividad ultrarrápida. En este artículo, hablaremos de las tecnologías de red, antiguas y actuales, que se podrían usar en este tipo de aplicaciones en las que la seguridad es crucial, y analizaremos si estas tecnologías pueden cumplir algunos requisitos técnicos clave.
Las soluciones de conectividad antiguas
Los sistemas avanzados de asistencia a la conducción (SAAC) funcionan procesando simultáneamente imágenes de distintas cámaras y combinando estas con otros datos de sensores ultrasónicos, LiDAR y RADAR (imagen 1).
Esta información se envía a distintas unidades de control electrónico (UCE) —distribuidas por todo el vehículo— a través de cables que pueden llegar a tener una longitud de 15 metros. A continuación, detallamos algunos de los requisitos para el transporte de estos datos.
- Latencia: en un contexto en el que los vehículos son cada vez más autónomos, los errores en materia de latencia y datos son inadmisibles. Las señales de distintos sensores y cámaras se combinan para crear una representación en tres dimensiones y tiempo real del entorno exterior. Los errores o retardos en la transmisión de datos, aunque solo sea de uno de los sensores, pueden ser un obstáculo para que la UCE obtenga una imagen completa del entorno circundante, lo que podría tener consecuencias desastrosas para el vehículo, sus ocupantes y cualquiera que esté cerca de él.
- Fiabilidad y resistencia: el espacio físico confinado de un vehículo supone un auténtico problema en el ámbito de la interferencia electromagnética (IEM). Cuanto mayor sea el número de componentes electrónicos, mayor será el problema del espacio. Por otro lado, si colocamos los componentes y cables con poca distancia entre ellos, pueden producirse problemas de diafonía.
- Redundancia: al igual que ocurre con los aviones, los vehículos autónomos con un gran nivel de automatización necesitan sistemas con protección total que puedan redirigir datos desde diferentes puntos de error automáticamente a fin de que el vehículo siga funcionando con normalidad o se pare de manera controlada.
- Ancho de banda: los datos del SAAC se deben transportar a una velocidad superior a diez gigabits por segundo.
Algunas tecnologías de red para automóviles llevan décadas en funcionamiento y se siguen usando en los vehículos actuales porque funcionan de un modo sencillo, fiable y barato, normalmente en aplicaciones de control de baja velocidad. Algunos ejemplos son las redes de interconexión de área local (LIN) que funcionan a decenas de kilobits por segundo, las redes de zona del controlador (CAN), con una velocidad de hasta 1 Mb/s, y la siguiente versión de esta, CAN_FD, con una velocidad de hasta 12 Mb/s. Algunos fabricantes de coches de gama alta adoptaron FlexRay (con una velocidad de 10 Mb/s) en aplicaciones en las que la seguridad era crucial. Sin embargo, ninguna de estas tecnologías llega, ni de lejos, a alcanzar el ancho de banda necesario (multigigabit) para las aplicaciones SAAC actuales, así que las redes antiguas no son una opción viable.
Ethernet para el automóvil
Ethernet se desarrolló en 1973, y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos lo estandarizó en 1985 como IEEE802.3. Poco después, se convirtió en un protocolo de comunicación de datos casi universal para redes de área local. Las señales de Ethernet se transmiten por cable coaxial o de fibra óptica, así como mediante cables de par trenzado sin blindaje. Al principio, la velocidad era de unos 10 Mb/s, pero actualmente se puede alcanzar una tasa de más de 1000 Gb/s.
A medida que la informática se fue abriendo paso en las aplicaciones automovilísticas, la industria empezó a plantearse la posibilidad de usar este contrastado protocolo como solución en materia de conectividad. En 2016, el IEEE publicó el primer estándar de Ethernet para el sector automovilístico (100Base-T1 en IEE802.3bw) y, aunque hay similitudes (ambas versiones usan cables de par trenzado sin blindaje con dos cables de cobre trenzados a lo largo del conjunto a fin de reducir la radiación electromagnética y la diafonía), también hay diferencias.
Imagen 2: conector de Ethernet para el automóvil de TE Connectivity.
El estándar 100Base-TX utiliza dos pares de cables: un par para la señal que se transmite en una dirección y el otro par para la señal que se recibe en la dirección opuesta. El Ethernet para el automóvil solo usa un par de cables (SPE) para la transmisión y la recepción, así que el conjunto es más ligero y barato. El estándar 100Base-TX está especificado para un cable de 100 metros de longitud, mientras que el Ethernet para el automóvil se ha especificado para una longitud máxima de 15 metros, algo más adecuado para las dimensiones de un coche. Otra diferencia es el esquema de cifrado que se emplea para reducir la IEM y la diafonía. La versión IEEE802.3bw de 100 Mb/s del estándar de Ethernet ha alcanzado una amplia implantación en aplicaciones automovilísticas. Sin embargo, la velocidad no es lo suficientemente alta como para transportar datos simultáneamente desde muchos sensores y transmisiones de cámaras de alta definición hasta una UCE y, después, a una pantalla.
El IEEE 802.3bp, o 1000Base-T1, puede llegar a alcanzar velocidades de gigabit con cables de par trenzado, pero funciona a 600 MHz, lo que significa que los cables son más sensibles a la diafonía y complica todavía más la gestión del ruido electromagnético. En 2020, el IEEE lanzó el 802.3ch, un Ethernet multigigabit con velocidades estándar de 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s y 10 Gbit/s en cables de hasta 15 metros. En el futuro, es posible que otras versiones de Ethernet tengan tasas de datos mejores, pero, de momento, el Ethernet para el automóvil es un sustituto perfecto de las funciones que realizaban los antiguos sistemas de conectividad. Sin embargo, no llega a los requisitos de ancho de banda necesarios para los sistemas SAAC y las pantallas de alta resolución.
Enlaces serie
Para conectar una cámara de alta resolución a una pantalla, no hace falta una conexión de datos totalmente simétrica como Ethernet. Los fabricantes de automóviles usan con frecuencia sistemas «SerDes» asimétricos que emplean un CI para serializar en el lado del transmisor y otro para el proceso contrario en el receptor, a fin de transmitir datos de sensores y de vídeo a gran velocidad. Algunas de las primeras soluciones fueron APIX III (Inova), GMSL (Maxim Integrated) y FPD III-Link (Texas Instruments), con tasas de datos de hasta 3 Gbps en un solo cable diferencial o coaxial. En las siguientes generaciones de esta tecnología, las tasas aumentaban hasta 6 Gbps en un canal (o 12 Gbps combinando dos canales). Si lo comparamos con el Ethernet para el automóvil, un sistema SerDes usa un enlace asimétrico, lo que significa que las tasas de datos en una dirección (el enlace de bajada) serán mucho más altas que en la otra (subida). En aplicaciones con sensores y vídeo, esto es suficiente, ya que las cámaras son, principalmente, una fuente de datos de alta velocidad y las señales de control son las únicas que se reciben a una velocidad mucho más baja. Las pantallas también reciben datos a alta velocidad, pero solo envían datos de control a la UCE ocasionalmente (por ejemplo, cuando se toca la pantalla táctil). Esta estrategia asimétrica reduce la complejidad física y los requisitos de los canales. Gracias a esto, los fabricantes de coches pueden preparar y personalizar un sistema más rentable que con una implementación por Ethernet simétrica y totalmente dúplex a la misma velocidad. Para satisfacer la necesidad de una sola interfaz física unificada y de alta velocidad que fuese adecuada para enlaces serie en el automóvil, los miembros de la agrupación Mobile Industry Processor Interface (MIPII) empezaron a desarrollar la MIPI Automotive SerDes Solution (MASS) y, en septiembre de 2020, lanzaron A-PHY v1.0, la primera solución de capa física, gran alcance y alta velocidad (no relacionada con ningún proveedor) para aplicaciones del sector del automóvil. El IEEE también adoptó este estándar, que tiene el objetivo de alcanzar una velocidad de hasta 32 Gbps. Cuando lo haya conseguido, estará en una excelente posición para adaptarse a los requisitos de mayor ancho de banda de los sistemas electrónicos que se añadan a los automóviles en el futuro.
Conclusión
A medida que los coches sean cada vez más autónomos, el número de sistemas SAAC y la velocidad a la que deben transportar y procesar datos aumentarán enormemente. Las soluciones de red antiguas para el automóvil son demasiado lentas como para solventar el problema de la conectividad. Mientras que el Ethernet del automóvil se acerca a las velocidades de datos necesarias, sigue quedando lejos del ancho de banda requerido por las pantallas de alta definición. De momento, los enlaces serie asimétricos son la mejor solución para la comunicación de datos multigigabit, y la reciente implantación del estándar APHY v1.0 para esta tecnología ofrece un plan de acción preparado para el futuro.
