The Convergence of Ethernet and Autonomous Driving

إن ثورة المركبات المستقلة لا تتعلق فقط بالمستشعرات والاستخبارات الاصطناعية - بل تتوقف على العمود الفقري غير المرئي من الاتصالات بالبيانات، حيث أن السيارات تتطور من أدوات نقل بسيطة إلى مراكز بيانات متنقلة، والحاجة إلى معيار للتواصل يوصل إلى درجة حرارة عالية من الترددات، والأمن القوي تصبح غير قابلة للتفاوض.

وفي حين أن الشبكات التقليدية للسيارات مثل شبكة منطقة المراقبة والشبكة المحلية (شبكة الاتصالات المحلية) قد عملتا جيدا منذ عقود، فإنهما ببساطة لا يستطيعان معالجة حمولات البيانات الضخمة التي تنتجها كاميرات عالية الاستبانة، وأجهزة الاستشعار الخاصة بشبكة ليدار، والرادار، وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية، حيث يمكن أن تنتج مركبة مستقلة واحدة أكثر من 40 تيرابايت من البيانات يوميا، مما يتطلب توافر بيانات ذات قيمة ثانية(22).

الحالة الراهنة للشبكة في المركبات المستقلة

اليوم، وجدت الشبكة طريقها إلى مركبات الإنتاج، أساسا في نظم احتواء ونظم متقدمة لمساعدة السائقين، ويوفر معيار IEE 802.3 أساسا لنقل البيانات بسرعة عالية، ويكفل متطلبات منخفضة من حيث الموثوقية وشديدة الأهمية بالنسبة للنظم الحساسة للسلامة مثل التفاخر، والتوجيه، وتجنب الاصطدام بالغاز (النموذج الجديد للشبكة الجيبوتية)

ومن بين المميزات الرئيسية للشبكة الكهربائية الاثيرية الآلية تكييف الطبقة المادية، حيث أن هذه المعايير تخفض الوزن وتخفض تكاليف الطاقة وتحافظ على الأداء اللازم للشبكات التي تستخدم فيها المركبات ذات الطابع الخاص بالمركبات (100BASE-T1).

لماذا (إيثريت) على الحافلات التقليدية؟

ويقود التحول إلى الشبكة الكهربائية عدة عوامل تتجاوز السرعة الخام، إذ أن الحافلات يمكن أن تكون نصف مترية، مثلا، مع معدل أقصى للبيانات يبلغ نحو 1 ميغابايت، ويوفر FlexRay ما يصل إلى 10 ميغابايت، ولكنه يفتقر إلى القدرة على التصعيد، وعلى النقيض من ذلك، يوفر الشبكة الأوروبية الاتصالات الكاملة، والقابلية للتصعيد عن طريق التحولات، ونظام إيثريتوفر للأدوات والمعايير.

تحديث المعايير المتعلقة بالتشغيل الآلي

ويضم الفريق العامل التابع للشبكة 802.3 عدة مشاريع نشطة تستهدف تحديداً احتياجات المركبات المستقلة والتشغيل الآلي الصناعي، وهذه المعايير لا تتعلق فقط بزيادة التركيز السريع على المحددات والموثوقية والأمن، بل هي أهم التطورات.

IEEE 802.3cm — 10 GbE for In-Vehicle Networks

ويمتد نطاق الشبكة الكهربائية للكهرباء في عام 2020 إلى 10 جيغابيت على الألياف البصرية لتطبيقات الوصول إلى المدى القصير (حتى 100 متر)، وفي حين أن صناعة السيارات تعتمد تاريخيا على مقصورة النحاس، فإن الانتقال إلى الألياف يوفر الحصانة للتدخل الكهرومغناطيسي، وانخفاض الوزن، والقدرة على دعم معدلات البيانات المرتفعة.

IEEE 802.3cn — 50 GbE and 100 GbE over Multimode Fiber

ونظراً لأن النظم المستقلة تتطلب قدراً أكبر من الطاقة الحسابية الموزعة عبر المركبة، فإن الحاجة إلى الاتصال فيما بين الدولتين في 50 و100 غموض قد أصبحت واضحة، حيث أن الشبكة الأوروبية للقدرات البشرية 802.3cn تحدد مواصفات طبقات مادية لـ 50 غ بي إي و100 غيني على الألياف المتعددة باستخدام 2 و4 منح على التوالي، وهذا المعيار وثيق الصلة بشكل خاص بتجميع البيانات من مجموعات أجهزة الاستشعار ذات السرعة العالية قبل الإغاء الوسطى.

IEEE 802.3ch — Multi-Gigabit Automotive Ethernet

وربما كان المعيار الأكثر توقعاً للسيارات، وهو المعيار IEEE 802.3ch، قد تم التصديق عليه في عام 2020، وهو يستحدث 2.5 GbE و 5 GbE و 10 GbE عملية على زوج واحد من الموصلات المتوازنة - نفس نوع التموين الخفيف المستخدم في شبكة الإثيرات الآلية الحالية، ويُشار إلى هذا المعيار في كثير من الأحيان على أنه جهاز كهرباء متعدد الأطراف يصل إلى 10 جهازاً من أجهزة الاستطلاع

IEEE 802.3cz — High-Speed Automotive Ethernet Beyond 10 Gbps

وفي المستقبل، تعمل فرقة العمل التابعة للشبكة الدولية للكهرباء والكهرباء على تحديد معيار ل ٢٥ غيغاغرام، و ٥٠ غيغاغاغرام، وربما ١٠٠ غيغاغرام على كابلات السيارات ذات الطراز الواحد، ويهدف هذا الجهد إلى حماية شبكة المركبات في المستقبل خلال العقد المقبل عندما تكون الكاميرات ذات القرار ٨ كيلو غرام أو أكثر، وتحتفظ محطة ليدار ذات علامات حرارة متعددة الملايين، وتصبح المركبات ذات الصلة في الوقت الحقيقي.

التحديات والفرص

وفي حين أن التقدم في المعايير التي وضعتها الشبكة الدولية للتعليم 802.3 وعد بتغيير الاتصالات المستقلة للمركبات، فإن العديد من التحديات الهندسية والوزعية لا تزال قائمة، بيد أن كل تحد يفتح أيضا فرصا جديدة للابتكار والتعاون بين الصناعات.

أمن السيبر في الملاير الفيزيائية

ومع أن الشبكة الأوروبية للطاقة تصبح النظام العصبي المركزي للمركبات، فإن أي ضعف يمكن أن تترتب عليه عواقب تهدد الحياة، كما أن التحول إلى شبكة إثيريت ذات السرعة العالية يزيد أيضا من سطح الهجوم، وقد استحدث الفريق العامل المعني بالشبكة الأوروبية للكهرباء 802.1 (بالاقتران مع 802.3) معايير مثل 802.1X لمراقبة الدخول إلى الشبكة المحمولة و 802.1 ألف هاء لأمن المركب MAC(أ) من خلال نظام " إم آي إي تي إم تي إم تي إم إي تي إم إي تي إم إي تي " .

Interoperability Across Diverse Systems

والمركبات المستقلة ذاتيا هي نظم معقدة للنظم، مع مكونات من عشرات الموردين، وضمان أن يكون التحول عن شبكة إثيرنيت من أحد البائعين يمكن أن يتجاوز بشكل لا يطاق حركة النقل المحدد إلى وحدة لدمج أجهزة الاستشعار من جهة أخرى، يتطلب الامتثال الدقيق للمعايير، كما أن المعايير التي وضعتها الشبكة 802.3 توفر خط الأساس، ولكن هناك ملامح إضافية - مثل مواصفات الشبكة الآلية للتحالف الأوروبي للكهرباء - تحتاج إلى ضمان اعتماد موحد.

إدارة حجم البيانات مع الربط الشبكي الحساس زمنيا

ومن أهم التحديات التقنية تحقيق المرونة المحددة في الوقت الذي يتعامل فيه مع حجم البيانات الضخمة، وتستخدم الشبكة الإثيرات الموحدة نموذجاً أفضل من نوع الإيفورت، وهو غير مقبول بالنسبة لثوابت الرقابة على السلامة - الحرجة، ولتناول هذه المعلومات، فإن مجموعة البيانات المتعلقة بالشبكات الإلكترونية 802.1 من قواعد الربط الشبكي الحساسة من حيث التوقيت (الشبكة الوطنية للتبادل) تعمل على نحو متواز مع 802.3 من الشبكة الإلكترونية لتوفير متزامنة، وافتراضات الافتراضات البرمجية.

إدارة الطاقة والحرارة

ومع تزايد سرعة الشبكة الكهربائية، وكذلك استهلاك الطاقة، يمكن أن يستهلك 10 جي بي إيه بيه آي عدة وات، وهو أمر مقبول بالنسبة لمركز بيانات، ولكنه ينطوي على إشكالية بالنسبة لمركبات كهربائية يقل فيها كل واط من نطاقها، كما أن الفريق العامل المعني بالشبكة الكهربائية، الذي يستكشف آليات التشغيل الآلي للطاقة، ووسيلة النوم المحسنة، بالإضافة إلى أن المواد الجديدة التي تستخدم في التموينات، والتصميمات التي يمكن أن تزيلها.

التكامل مع بروتوكولات الاتصال الأخرى

ولا تعمل شبكة إيثريت بمعزل عن بعضها البعض، بل يجب أن تتعايش في مركبة مستقلة مع بروتوكولات أخرى لاسلكية أو سلكية، وتوفر المعايير التي تبلغ 802.3 قاعدة للخلف اللاسلكي، ولكن يجب على دماغ المركبة أيضا أن يتصل بالعالم الخارجي عبر الخلية (5G) وواي - فاي 6/7، والاتصالات القصيرة المدى المخصصة (DSRC) أو C-V2X.

ومن الاتجاهات الواعدة إدماج شبكة Ethernet مع 5G الخلايا باستخدام شبكة الربط الشبكي IEE 802.11، فعلى سبيل المثال، حددت الشبكة 3GPP الدعم للشبكة الكهربائية على مدى 5 جي (ما يسمى " نوع دورة وحدة الأوزون " )، مما يتيح الانتقال دون هوادة بين الشبكة الإثيرية داخل الشبكة والسحابة، مما يتيح استخدام حالات مثل التصور التعاوني، حيث يتقاسم 80 مركبة بياناتها الحقيقية().

دور شبكة الطاقة الكهربائية في V2X

أما الاتصالات بين المركبات والمركبات (V2X) فهي حجر الزاوية في القيادة المستقلة، مما يسمح للسيارات بالتحدث مع أضواء المرور، والمشاة، وكل منها الآخر، وفي حين أن V2X كثيرا ما تستخدم 802.11p أو C-V2X تكنولوجيات إذاعية، فإن البيانات التي تتدفق من خلال وحدات V2X يجب تجهيزها ونقلها داخل المركبة على الشبكة الجوية.

اختبارات وتعاون في الصناعة

ولإثبات هذه المعايير الناشئة، أنشأت عدة اتحادات صناعية اختبارات، ويوفّر التحالف المعني بالشبكة الجوية الآلية والتحالف العالمي للأخشاب المدارية أطراً لإجراء اختبارات مطابقة لـ 000 1 بيزو - تي 1 و 10 بي إس - تي 1، وفي وقت أقرب، تعاون الفريق العامل المعني بالشبكة الدولية للتعلم 802.3 مع اتحاد سواتل رصد الأرض لتحديد مجموعة موحدة من الفوائد الحقيقية من البرامجيات التي تكفل مراقبة المعدات الحاسوبية().

وفي عام 2023، أظهرت مظاهرة مشتركة بين شركة برود كوم وشركة NXP وشركة ألمانية رئيسية من طراز OEM نموذجاً عملياً من طراز IEEEE 802.3ch (Multi-Gig) Ethernet في مركبة اختبار، مما أدى إلى حدوث حساسية تقل عن 10 ثوانٍ من أجل حلقات التحكم، وأبرزت هذه المظاهرة جدوى استخدام شبكة كهرباء وحيدة لجميع مناطق الاختراع من طراز ADAS إلى التحكم في المعلومات(20).

خاتمة

إن مستقبل الشبكة الأوروبية للطاقة الكهربائية 802.3 في نظم الاتصالات المستقلة للمركبات ليس مجرد واعداً، بل هو أساس، فمع تطور المركبات إلى منابر مركزية للبيانات، فإن المطالب المتعلقة بالسرعة العالية، وانخفاض مستوى الكفاءة، وتعزيز الأمن لن تكثف إلا، وقد استجاب الفريق العامل المعني بالشبكة 802.3 في المائة بمجموعة من المعايير المستهدفة - 802.3 في المائة، و802.3 في المائة في المائة في البيئة الصناعية، و802.3 في المائة في المستقبل.

غير أن المعايير وحدها ليست كافية، إذ أن أصحاب المصلحة في الصناعة - بمن فيهم الباعة، وأجهزة التوريد العاملة في مجال السلع، ومورّدون من الدرجة الأولى، وأجهزة تطوير البرامجيات الشبكية - تعاون لضمان قابلية التشغيل المتبادل السلكي، وأمن الفضاء الإلكتروني، وكفاءة الطاقة، والتحديات التي تواجه إدارة حجم البيانات، والحفاظ على السلوك المحدد، وإدماج بروتوكولات الاتصال المتعددة، هي تحديات كبيرة، ولكنها قابلة للاستمرار في الاستثمار والابتكار، بالنسبة للمهندسين وصانعين في الجيل القاطرات القيادة المستقل(2).

For further reading on related standards, see the IEEE 802.3cm specification and the IEEE 802.3ch overview. The OPEN Alliance also provides additional automotive Ethernet profiles. Finally, the IEEE 802.1 TSN Task Group offers critical complementary standards for deterministic networking over Ethernet.