Vom Büro-Ethernet zum Fahrzeugkabelbaum

Die Anfänge der Ein-Paar-Technologie liegen außerhalb des IEEE. Im Jahr 2011 entwickelte Broadcom eine proprietäre 100-Mbit/s-Technologie namens BroadR-Reach, die speziell für den Einsatz in Fahrzeugen konzipiert war. BMW setzte diese Technologie 2013 als erster Hersteller ein, um Kameras für Parkassistenzsysteme anzubinden – ein Anwendungsfall, für den die Kosten und das Gewicht von vierpaarigen Cat-5-Kabeln schlichtweg ungeeignet waren. Zur Förderung und Standardisierung dieses Ansatzes wurde die OPEN Alliance SIG gegründet; kurz darauf griff IEEE die Technologie auf.

Das Ergebnis ist eine Familie von Single-Pair-Standards. 100BASE-T1 – im Wesentlichen der gehärtete BroadR-Reach-Ansatz – wurde 2015 als IEEE 802.3bw ratifiziert und liefert 100 Mbit/s. 1000BASE-T1 folgte 2016 als IEEE 802.3bp und wendet dieselbe Single-Pair-Full-Duplex-Philosophie bei der zehnfachen Datenrate an. Der untere Leistungsbereich wird durch IEEE 802.3cg (2019) abgedeckt; dieser Standard definiert sowohl 10BASE-T1S für Automotive-Multidrop-Verbindungen mit kurzer Reichweite als auch 10BASE-T1L für die industrielle Kommunikation über große Distanzen von bis zu 1.000 m. Höhere Datenraten werden durch IEEE 802.3ch (2,5/5/10 Gbit/s) sowie den neueren Standard IEEE 802.3cy (25/50 Gbit/s) für ADAS-Systeme und Sensor-Backbones der nächsten Generation adressiert.

Abbildung 1: Vergleich von Single-Pair- und Standard-Ethernet innerhalb des OSI-Modells

Der entscheidende Punkt bei all diesen Standards ist das, was sie nicht verändern. Lediglich die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) des OSI-Modells ist neu. Oberhalb der PHY-Schicht handelt es sich durchweg um unverändertes, herkömmliches Ethernet: dieselbe MAC-Schicht, dasselbe Frame-Format, dieselben EtherTypes. Dieselben Software-Stacks, dieselben Protokollanalysatoren (z. B. Wireshark) und dieselben übergeordneten Protokolle (TSN, MACsec usw.) funktionieren ohne jegliche Anpassung weiter. Für die Übertragung zwischen 1000BASE-T auf der einen und 1000BASE-T1 auf der anderen Seite genügt ein einfacher Medienkonverter, der lediglich die PHY-Schichten austauscht – das dazwischenliegende Bridging erfolgt als gewöhnliches Ethernet-Switching, ganz ohne Protokollübersetzung. Diese nahtlose Interoperabilität mit der gesamten bereits existierenden IT-Infrastruktur ist der mit Abstand wichtigste Grund dafür, dass Single-Pair Ethernet so rasch Verbreitung gefunden hat: Es übernimmt das komplette Ökosystem an Ethernet-Software und -Tools im Grunde völlig kostenfrei.

Single Pair Ethernet vs. Automotive Ethernet:
Klärung der Begriffe

Die beiden Bezeichnungen werden häufig austauschbar verwendet, beschreiben jedoch unterschiedliche Dinge – wobei das zweite in der Praxis recht großzügig gehandhabt wird. Single Pair Ethernet (SPE) bezeichnet streng genommen eine Familie von Physical-Layer-Spezifikationen: Jede Ethernet-Variante, die über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar anstatt über zwei oder vier übertragen wird, ist Single Pair Ethernet. Die „T1“-Varianten – 10BASE-T1S, 10BASE-T1L, 100BASE-T1, 1000BASE-T1 sowie deren Multi-Gig-Nachfolger – zählen allesamt zum SPE.

Der Begriff „Automotive Ethernet“ ist weit gefasst und kontextabhängig. Im engeren Sinne bezeichnet er SPE-PHYs, die den Anforderungen der Automobilindustrie hinsichtlich Temperatur, EMV und Steckverbindern entsprechen – im Wesentlichen also 10BASE-T1S, 100BASE-T1, 1000BASE-T1 sowie deren schnellere Nachfolger. Im täglichen Gebrauch bei OEMs und Tier-1-Zulieferern versteht man unter „Automotive Ethernet“ jedoch üblicherweise den gesamten Stack, der auf diesen PHYs aufsetzt: ein AUTOSAR-konformes Netzwerkmanagement, die serviceorientierte Kommunikation mittels SOME/IP, DoIP-Diagnosefunktionen, Sicherheitsebenen wie MACsec sowie die gesamte dazugehörige fahrzeuginterne Integration. In diesem weiteren Sinne verstanden, ist Automotive Ethernet weniger ein bloßes Kabel als vielmehr ein vollständiges, IP-basiertes Ökosystem für die fahrzeuginterne Vernetzung.

Zum Vergleich: 10BASE-T1L ist SPE, wird jedoch üblicherweise nicht als Automotive Ethernet bezeichnet. Es zielt auf den Ersatz industrieller Feldbusse ab – mit Reichweiten im Bereich mehrerer hundert Meter sowie der Option, die Stromversorgung über dasselbe Leitungspaar zu übertragen (Power over Data Line, PoDL). Zwar handelt es sich um dieselbe Familie der physikalischen Schicht, doch liegt ein gänzlich anderer Anwendungsfall vor – was treffend veranschaulicht, warum diese Begriffe nicht immer austauschbar sind.

Das Kommunikationsfundament:
PAM-3 auf einem gemeinsam genutzten verdrillten Adernpaar

Der bei 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 verwendete Leitungscode ist PAM-3 – eine Pulsamplitudenmodulation mit drei Spannungspegeln auf der Leitung: −1, 0 und +1. Für Leser mit CAN-Hintergrund: CAN-Signale, die über ein Differenzpaar (die Leitungen CAN High und CAN Low) übertragen werden, versetzen den Bus in einen von lediglich zwei Zuständen – dominant oder rezessiv; folglich entspricht jedes Symbol genau einem Bit, sodass die Bitrate und die Baudrate austauschbar sind. Bei PAM-3 ist dies nicht der Fall. Jedes Symbol (die physikalische Datenübertragung erfolgt hier – anders als bei CAN – nicht binär) transportiert mehr als ein Bit; dementsprechend taktet die Leitung langsamer, als es die Datenrate vermuten ließe: 100BASE-T1 liefert 100 Mbit/s bei einer Symbolrate von nur 66,67 MBd, und 1000BASE-T1 erreicht 1 Gbit/s bei 750 MBd.

Um dies zu veranschaulichen: Stellen Sie sich vor, Sie senden drei Nutzdaten-Bits – etwa 101 – über jedes der beiden Systeme. Beim CAN-Bus wandeln sich diese drei Bits auf der Leitung in drei dominante bzw. rezessive Symbole um – ein Spannungspegel pro Bit. Bei 100BASE-T1 hingegen wandelt die 3B2T-Abbildung dieselben drei Bits in eine Codegruppe aus lediglich zwei Symbolen um, wobei jedes Symbol einem von drei Spannungspegeln entspricht. Dieselben Daten, aber nur zwei Drittel der Symbole auf der Leitung.

Abbildung 2: Signalübertragungsverfahren bei 100BASE-T1

Bei gleicher Datenrate arbeitet 100BASE-T1 mit einer niedrigeren Baudrate als die binäre CAN-Signalisierung. Dies trägt dazu bei, die Grundfrequenz und damit die abgestrahlten Emissionen zu reduzieren. Der Nachteil zeigt sich auf der Empfängerseite: Durch die drei Spannungspegel ist der Abstand zwischen den Symbolen geringer als der dominante/rezessive Abstand bei CAN. Daher benötigt die PHY adaptive Entzerrung, präzise Pegelaufteilung und Echokompensation, um das Signal wiederherzustellen. SPE ist zwar weniger empfindlich gegenüber EMV-Grenzwerten, aber weniger tolerant gegenüber Kanalfehlern. Rauschen, Reflexionen und Fehlanpassungen der Impedanz beeinträchtigen direkt den Pegelabstand, auf den der Empfänger angewiesen ist. Dies ist ein Grund, warum 1000BASE-T1 typischerweise ein geschirmtes, verdrilltes Adernpaar benötigt, während ein CAN-Bus mit einem deutlich weniger geschirmten Kabel auskommt.

Nichts davon ist für Ethernet etwas Exotisches. 100BASE-TX – der klassische „RJ45-100-Mbit/s“-Standard im Büroumfeld – nutzt bereits einen dreistufigen Leitungscode namens MLT-3, der auf der 4B5B-Codierung aufsetzt und über zwei Adernpaare läuft, wobei jedes Paar für eine Übertragungsrichtung zuständig ist. 1000BASE-T geht noch einen Schritt weiter und setzt auf PAM-5 (fünf Pegel), das gleichzeitig über alle vier Adernpaare übertragen wird. Die T1-Varianten wenden dieselben bewährten Techniken auf ein einzelnes verdrilltes Adernpaar an.

Zwei Sender, ein Kabel – wie man Chaos vermeidet

100BASE-T1 und 1000BASE-T1 nutzen ein einziges Adernpaar für beide Übertragungsrichtungen – und zwar gleichzeitig. Beide PHYs speisen das Kabel zur selben Zeit und mit derselben Signalgebung, ohne jegliche Zeitschlitzung oder Frequenztrennung.

Legt man eine Breitband-Oszilloskopsonde an eine aktive 100BASE-T1-Verbindung an, so sieht man auf dem Kabel die Summe aus dem vom Master gesendeten PAM-3-Signal, dem vom Slave gesendeten PAM-3-Signal, dem auf beide Signale einwirkenden Frequenzgang des Übertragungskanals sowie Reflexionen, die durch Impedanzfehlanpassungen verursacht werden. Betrachtet man allein den Signalverlauf – ohne zu wissen, was zumindest eine der beiden Seiten gerade sendet –, so ist es prinzipiell unmöglich, die beiden Datenströme voneinander zu unterscheiden.

Wie gelingt es den PHYs also, dies zu bewerkstelligen? Der Trick besteht darin, dass jeder PHY bereits weiß, was er gerade sendet. Dieses bekannte Signal – sowie die erwartete Kanalantwort und die Reflexionen – lassen sich modellieren und von dem subtrahieren, was der PHY auf der Leitung abtastet. Alles, was nicht mit dem Modell übereinstimmt, ist per Definition das Signal des anderen PHY.

Hierfür kommt ein adaptiver digitaler Filter zum Einsatz – der Echokompensator –, der die lokalen Sendesymbole als Eingabe empfängt und eine Schätzung darüber liefert, wie das eigene Signal am eigenen Empfänger ankommt (einschließlich etwaiger Reflexionen). Der Empfänger subtrahiert diese Schätzung von dem abgetasteten Leitungssignal. Der verbleibende Rest stellt die Daten des Gegenstellen-PHY dar, die anschließend von einem Equalizer (DFE/FFE) weiterverarbeitet werden, um den Frequenzgang des Kabels auszugleichen.

Zwei weitere Bedingungen ermöglichen dies. Erstens: eine gemeinsame Bit-Clock; die Verbindung ist hinsichtlich der Rollenverteilung asymmetrisch aufgebaut. Eine Seite fungiert als Master, die andere als Slave. Der Master leitet seine Symbol-Clock von seinem eigenen Oszillator ab; der Slave gewinnt das Timing aus dem eingehenden Signal des Masters zurück und nutzt dieselbe Taktquelle für seine eigenen Übertragungen. Beide Übertragungsrichtungen sind somit symbol-synchron, was für den Echo-Canceller unerlässlich ist, um das lokale Signal präzise zu modellieren. Zweitens: eine Trainingsphase. Die Filterkoeffizienten des Echo-Cancellers sind nicht im Voraus bekannt – sie hängen vom konkret verwendeten Kabel, den Steckverbindern sowie der Leiterplatte ab – und müssen im Rahmen eines strukturierten Verbindungsaufbaus erlernt werden. In der Praxis bedeutet dies, einen Teilnehmer als Master und den anderen als Slave zu konfigurieren (PHY-Konfiguration).

Bei PHYs, die dies unterstützen, kann die Auto-Negotiation (IEEE 802.3 Clause 98) sowohl die Verbindungsgeschwindigkeit als auch die Master/Slave-Rolle automatisch festlegen: Jede Seite signalisiert ihre unterstützten Geschwindigkeiten sowie ihre Präferenz bezüglich der Master/Slave-Rolle, woraufhin die Verbindung mit der höchsten beiderseitig unterstützten Geschwindigkeit und den zugewiesenen Rollen aufgebaut wird. Die Auto-Negotiation ist jedoch optional und funktioniert nur dann, wenn beide PHYs für die Geschwindigkeits- und Master/Slave-Auswahl entsprechend konfiguriert sind; ist eine Seite auf eine feste Geschwindigkeit und Rolle eingestellt, die andere hingegen auf Auto-Negotiation, kommt die Verbindung nicht zustande.

Stärken und Grenzen

Ein einzelnes, ungeschirmtes verdrilltes Adernpaar bietet das Potenzial, die Verbindungskosten im Vergleich zum klassischen Ethernet drastisch zu senken. Es reduziert das Gewicht des Kabelbaums und erfüllt die CISPR-25- sowie die OEM-EMV-Grenzwerte, die für den Einsatz in Fahrzeugen vorgeschrieben sind. Und da oberhalb der PHY-Schicht alles identisch mit jedem anderen Ethernet ist, lässt sich die gesamte IT-Toolchain direkt übernehmen: Einfache Medienkonverter überbrücken die Verbindung von SPE zu RJ45-Ethernet ohne jegliche Protokollübersetzung; Wireshark analysiert den Datenverkehr; IP-basierte Diagnose- und Service-Frameworks (DoIP, SOME/IP) funktionieren nativ; und die Netzwerk-Stacks von Linux, AUTOSAR und POSIX erfordern keinerlei Änderungen auf Protokollebene, um über die neue Verkabelung zu laufen.

Die Einschränkungen sind gleichermaßen real. Sowohl 100BASE-T1 als auch 1000BASE-T1 sind strikt als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ausgelegt; jede Verzweigung – selbst eine einfache Stichleitung – erfordert einen Switch. Die Reichweite ist auf automobile Anforderungen zugeschnitten: Sie beträgt etwa 15 Meter bei Verwendung von Automotive-Kabeln des Typs A, wobei für 1000BASE-T1 optional eine Variante des Typs B mit 40 Metern Reichweite verfügbar ist. Die IEEE-Spezifikationen formulieren die Anforderungen an die Kanalqualität explizit: Der Übertragungspfad aus Kabel und Steckverbindern muss definierte Grenzwerte hinsichtlich der Einfügedämpfung (der frequenzabhängigen Dämpfung entlang des Kanals), der Rückflussdämpfung (wie gut die Kanalimpedanz an den Nennwert von 100 Ω angepasst ist, was Reflexionen minimiert) und der Modenkonversion (wie sauber das Differenzsignal differenziell bleibt – ein Faktor, der sowohl die abgestrahlten Emissionen als auch die Störanfälligkeit beeinflusst) einhalten. Hierbei handelt es sich um Qualifizierungsgrenzwerte, die der Kanal selbst erfüllen muss – und die weitaus strenger sind als alles, was eine CAN-Verkabelung leisten muss. 1000BASE-T1 reagiert deutlich empfindlicher auf die Kanalqualität als 100BASE-T1 und erfordert typischerweise geschirmte verdrillte Leitungen (STP), um die Emissionsgrenzwerte einzuhalten, während 100BASE-T1 auch mit ungeschirmten Leitungen (UTP) funktioniert. Zudem gestaltet das Herstellen der Verbindung – mit seinem streng choreografierten Master/Slave-Handshake – das Debugging während der Inbetriebnahme erheblich weniger trivial als bei einem CAN-Bus.

100BASE-T1 und 1000BASE-T1 auf einen Blick
 

Tabelle 1: Vergleich von 100BASE-T1 und 1000BASE-T1
 

Wo 100/1000BASE-T1 eingesetzt wird

100BASE-T1 hat sich zur Standard-Verbindung für Kameras, Infotainment sowie OBD/Diagnose-over-IP entwickelt und löst in diesen Anwendungsbereichen die Technologien MOST und LVDS ab. 1000BASE-T1 überträgt ADAS-Daten mit höherer Bandbreite – etwa von Frontkameras, bei der LiDAR-Vorverarbeitung oder der Radar-Fusion – und fungiert in modernen E/E-Architekturen typischerweise als Backbone für die Verbindung zwischen den Zonen und der zentralen Recheneinheit. Die schnelleren Varianten mit 2,5 Gbit/s bis 10 Gbit/s halten mittlerweile Einzug in Prüfstände und Pilotfahrzeuge, da zentrale HPC-Plattformen den gesamten Sensor-Datenverkehr konsolidieren; gleichzeitig deckt 10BASE-T1S als Multidrop-Lösung das untere Leistungsspektrum ab und dient als Ersatz für ältere CAN-Segmente – insbesondere dort, wo die homogene Adressierung von Ethernet die Gateway-Architektur vereinfacht.

Was vor zehn Jahren noch wie ein experimenteller Umweg abseits des „echten“ Ethernets anmutete, hat sich heute zu einer fest etablierten Vernetzungstechnologie für Fahrzeuge entwickelt – und dieselben Konzepte finden sich nun, wenn auch mit abweichenden Reichweiten- und EMV-Profilen, auch in der industriellen Automatisierung wieder; dort laufen sie unter dem breiteren Oberbegriff „Single Pair Ethernet“ zusammen.