Krzysztof Perlicki
Politechnika Warszawska, Wydzia7 Elektroniki i Technik Informacyjnych, Instytut Telekomunikacji
Miros"aw Siergiejczyk
Politechnika Warszawska, Wydzia7 Transportu, Zak7ad Telekomunikacji w Transporcie
TRANSMISJA %WIAT&OWODOWA
W SAMOCHODOWYCH SIECIACH
KOMUNIKACYJNYCH
R<kopis dostarczono, kwiecie= 2013
Streszczenie: W artykule przedstawiono transmisj< >wiat7owodow? stosowan? w samochodowych systemach komunikacyjnych MOST. Pokazano wady i zalety stosowania 7?czno>ci >wiat7owodowej w komunikacji samochodowej. Omówiono sposoby zwi<kszenia przepustowo>ci systemu optycznej komunikacji samochodowej.
S"owa kluczowe: transmisja optyczna, >wiat7owody, pojazdy samochodowe
1. WPROWADZENIE
W ci?gu ostatnich 40 lat pojazdy samochody zosta7y wzbogacone o wiele urz?dze= elektrycznych i elektronicznych. Samochód przesta7 byG urz?dzeniem mechanicznym, a sta7 si< pojazdem mechaniczno-elektrycznym (-elektronicznym). Szacuje si<, Ye od 20 % do 40 % warto>ci wspó7czesnych samochodów stanowi? zainstalowane w nich urz?dzenia elektryczne i elektroniczne. Pojawienie si< tych urz?dze= spowodowa7o konieczno>G opracowania i zastosowania sieci oraz systemów umoYliwiaj?cych wymian< danych mi<dzy nimi. Jednym z pierwszych rozwi?za= by7 samochodowy system transmisji danych CAN (ang. Controller Area Network). Ten elektryczny system komunikacyjny zosta7 wprowadzony do powszechnej eksploatacji w pierwszej po7owie lat 90-tych. Pozwala7 on na transmisj< danych z szybko>ci? 125 – 500 kbit/s [1]. JednakYe, pojawienie si< zapotrzebowania na wi<ksz? szybko>G transmisji danych telemetrycznych oraz obs7ug< urz?dze= audio/wideo spowodowa7o konieczno>G opracowania i zastosowania nowych
rozwi?za=, i to rozwi?za= optycznych. W roku 1998 firma Mercedes-Benz wprowadzi7a do swoich nowych samochodów po7?czenia >wiat7owodowe oparte na >wiat7owodach plastikowego typu PMMA (ang. PolyMethyl MethAcrylate) o >rednicy rdzenia 1 mm. Jako nadajniki >wiat7a wykorzystano diody elektroluminescencyjne LED (ang. Light Emitting Diode) pracuj?ce na d7ugo>ci fali 650 nm. Szybko>G transmisji uzyskiwana w tym rozwi?zaniu wynosi7a 5,6 Mbit/s [2]. Taka przep7ywno>G okaza7a si< wystarczaj?ca do transmisji sygna7ów z czujników elektronicznych i optoelektronicznych stosowanych w ówczesnych samochodach oraz sygna7u mowy i sygna7u audio. Wzrost liczby czujników w samochodach oraz upowszechnienie si< przekazów multimedialnych spowodowa7o, Ye niezb<dnym sta7o si< opracowanie standardu optycznej komunikacji samochodowej gwarantuj?cego wi<ksze przep7ywno>ci.
2. SYSTEM MOST
Pod koniec lat 90-tych powsta7 standard o nazwie MOST (ang. (ang. Media Oriented System Transport). Zosta7 on stworzony przez koncerny samochodowe: Audi, BMW i Daimler Chrysler oraz dwóch producentów elektroniki samochodowej: firm< Harmann/Becker i Oasis Silicon Systems. Pierwsza generacja MOST o nazwie MOST25 by7a oparta na transmisji o szybko>ci 25 Mbit/s (wykorzystywano w niej ramk< danych o d7ugo>ci 512 bitów). Jako warstw< fizyczn? wykorzystano >wiat7owód plastikowy PMMA o >rednicy rdzenia 1 mm, gród7em >wiat7a by7a dioda LED pracuj?cej na d7ugo>ci fali 650 nm, a jako odbiornik >wiat7a zastosowano krzemowy fotodetektor. W drugiej generacji systemów MOST czyli MOST50 wykorzystano transmisj< o szybko>G równej 50 Mbit/s (ramka danych mia7a d7ugo>ci 1024 bitów). W tym rozwi?zaniu dominowa7a transmisja sygna7u elektrycznego a nie optycznego. W trzeciej generacji MOST (MOST150) powrócono do wykorzystania transmisji >wiat7owodowej. W systemie MOST150 szybko>G transmisji wynosi7a 150 Mbit/s. Do transmisji danych wykorzystano ramk< o d7ugo>ci 3027 bitów [2].
Pod wzgl<dem architektury system MOST ma struktur< pier>cieniow? ze >cis7e okre>lon? kolejno>ci? wyst<powania sterowników. Na rys. 1 pokazano architektur< systemu MOST.
W architekturze systemu MOST moYemy wyodr<bniG nast<puj?ce elementy [3, 4]:
1) Gateway, czyli urz?dzenie po>rednicz?ce w transferze danych pomi<dzy róYnymi sieciami oraz nadzoruj?ce autodiagnostyk< systemu MOST.
2) Interfejs mediów.
3) Czytnik (zmieniarka) CD/DVD. 4) Sterownik danych telemetrycznych. 5) Tuner TV i radiowy.
6) Sterownik kontroli g7osu. 7) Wzmacniacz audio.
8) System nawigacji satelitarnej oraz czytnik map nawigacyjnych.
W systemie MOST moYna wyróYniG trzy tryby pracy: tryb u>pienia, gotowo>ci i pracy. W trybie u>pienia nie wyst<puje wymiana danych poprzez magistral< systemu. U>pienie uzyskuje si< tylko wtedy, gdy wszystkie urz?dzenia zg7osz? gotowo>G do przerwania pracy i przej>cia w stan wy7?czenia, nie ma tu Y?da= z systemów zewn<trznych oraz nie s? wykonywane procedury autodiagnostyki. Tryb u>pienia moYe byG równieY wymuszony poprzez uk7ad zarz?dzania energi? w przypadku duYego roz7adowania akumulatora lub przez wprowadzenie samochodu w tryb transportowy. Tryb gotowo>ci uaktywnia si< przez jeden ze sterowników magistrali lub, za po>rednictwem modu7u gateway, przez inne sieci pracuj?ce w samochodzie. W tym trybie Yadna z funkcji systemu nie jest jeszcze dost<pna dla uYytkownika, jednak system MOST jest gotowy do dzia7ania. W trybie pracy dost<pne s? wszystkie funkcje. Stan ten zawsze jest poprzedzony przez tryb gotowo>ci. Warunkiem jego wyst?pienia jest wystarczaj?cy zapas energii w akumulatorze lub w7?czony silnik samochodu. Aktywacja tego stanu odbywa si< poprzez w7?czenie wy>wietlacza na g7ównej konsoli lub uruchomienie któregokolwiek z urz?dze= pod7?czonych do systemu MOST [4]. Oprócz rozwi?za= zwi?zanych z obs7ug? danych multimedialnych spotyka si< transmisj< optyczn? przeznaczon? tylko do obs7ugi danych telemetrycznych. Przyk7adem moYe byG system ByteFlight firmy BMW, który jest przeznaczony do obs7ugi sieci czujnikowej poduszek powietrznych. Ten system ma architektur< gwiazdy, a na warstw< fizyczn? sk7ada si< >wiat7owód plastikowy PMMA, dioda LED i fotodetektor krzemowy [1].
3. TECHNIKA %WIAT&OWODOWA W SYSTEMIE MOST
Niew?tpliw? zalet?, je>li chodzi o warstw< fizyczn?, rozwi?za= >wiat7owodowych jest ich duYa niezawodno>G i niska cena. DuYa niezawodno>G 7?czy >wiat7owodowych wynika z kilku przyczyn. Przede wszystkim transmisja >wiat7owodowa jest odporna na zak7ócenia o naturze elektromagnetycznej. lwiat7owody plastikowych PMMA 1 mm charakteryzuj? si< duY? odporno>ci? na zginanie (mikro- i makrozgi<cia); co jest kluczowe z punktu widzenia ich montaYu w samochodach (rys. 2). Poza tym, taka >rednica rdzenia powoduje, Ye 7?czenie odcinków >wiat7owodu ze sob? lub z elementami optoelektronicznymi jest 7atwe i jakikolwiek brak w precyzji ich 7?czenia nie powoduje duYych strat mocy optycznej.
Rys. 2. Budowa >wiat7owodu plastikowego PMMA o >rednicy rdzenia 1 mm
Poza tym, z7?cza o takiej >rednicy wykazuj? duY? odporno>ci na zabrudzenia. W przypadku >wiat7owodów plastikowych stosuje si< z7?cza (najlepiej typu zatrzaskowego), które s? proste w obs7udze, niezawodne i o dobrych parametrach optycznych [1]. Kolejn? zalet? stosowania w samochodach 7?czy >wiat7owodowych jest ma7y ci<Yar samego kabla >wiat7owodowego i elementów optycznych. Je>li chodzi o cen< - cena diody LED na d7ugo>G fali 650 nm jest rz<du kilkudziesi<ciu z7otych, natomiast cena 1 metra kabla ze >wiat7owodem plastikowego PMMA 1 mm jest na poziomie kilku z7otych. Z7?cza wykorzystywane w systemach MOST, poza moYliwie jak najmniejszym t7umieniem, winny charakteryzowaG si< ma7ymi rozmiarami i ma7ym ci<Yarem. Standard MOST definiuje z7?cza z optycznymi i elektrycznymi 7?czami. Wyst<puj? nast<puj?ce typy z7?czy: MOST 2+0 (liczba 7?czy optycznych + liczba 7?czy elektrycznych), MOST 2+4, MOST 2+12, MOST 2+20 i MOST 4+40. Na rys. 3a pokazano z7?cze typu MOST 2+0. Prace firmy Yazaki nad zmniejszeniem rozmiarów i wagi (przy zachowaniu funkcjonalno>ci) z7?czy dla systemu MOST doprowadzi7y do powstania z7?czy o rozmiarach 14,6x20,2x10 mm3 (rys. 3b). Co daje w porównaniu do z7?czy typu MOST 2+0 65 % redukcj< rozmiaru i 68 % redukcj< ci<Yaru [5].
a b
Rys. 3. Z7?cze typu MOST 2+0 (a) i z7?cze typu MOST (b) firmy Yazaki [5]
Z7?cza firmy Yazaki pozwalaj? na 7?czenie ze sob? >wiat7owodów plastikowych i kwarcowych (które s? przewidziane w nast<pnych generacjach systemu MOST).
Obecny standard MOST150 zapewnia wysok? jako>G >wiadczenia: us7ug synchronicznych (PCM, sygna7y audio), us7ug izochronicznych (MPEG, transmisja audio i wideo po IP) i obs7ugi danych telemetrycznych w czasie rzeczywistym. JednakYe pewne aplikacje, np. niekompresowany sygna7 wideo, interfejsy uYytkownika (USB 3.0 lub
Thunderbolt) wymagaj? zdecydowanie wi<kszych przep7ywno>ci; przep7ywno>ci nierzadko przekraczaj?cych 1 Gbit/s. Takie przep7ywno>ci nie s? moYliwe do osi?gni<cia w oparciu o warstw< fizyczn? wykorzystuj?c? >wiat7owód PMMA 1 mm i diod< LED oraz tradycyjne techniki transmisyjne. Podstawowym ograniczeniem jest zjawisko interferencji mi<dzysymbolowej wywo7anej przez wyst<puj?c? w >wiat7owodzie dyspersj< mi<dzymodow?. Ten problem moYna rozwi?zaG zmieniaj?c rodzaj >wiat7owodu i rodzaj gród7a >wiat7a. MoYna zast?piG >wiat7owody PMMA 1 mm kwarcowymi >wiat7owodami wielomodowymi gradientowymi o >rednicy rdzenia 50 (lub 62,5) mikrometrów. Wymagane s? wi<c precyzyjniejsze z7?cza stosowane mi<dzy odcinkami >wiat7owodu i przy po7?czeniu >wiat7owodu z elementami optoelektronicznymi. Tego typu w7ókna optyczne, ze wzgl<du na mniejsz? dyspersj< mi<dzymodow?, pozwalaj? na transmisj< o przep7ywno>ci rz<du Gbit/s. Poza tym, charakteryzuj? si< znacznie mniejsz? warto>ci? t7umienia. Ze wzgl<du na to, Ye s? to w7ókna kwarcowe, a nie plastikowe, maj? one inn? charakterystyk< t7umienia w funkcji d7ugo>ci fali (rys. 4). Wymusza to zastosowanie innych gróde7 >wiat7a i fotodetektorów. Wad? tych w7ókien jest mniejsza odporno>ci? na mikrozgi<cia i makrozgi<cia w porównaniu z w7óknami PMMA.
Rys. 4. ZaleYno>G t7umienia wybranych >wiat7owodów od d7ugo>ci fali [2]
Warto zwróciG uwag< na jeszcze jedn? wad< klasycznych rozwi?za= warstwy fizycznej systemów MOST. Wad? wykorzystywanych gróde7 >wiat7a LED jest bardzo duYa szeroko>G jej linii widmowej (dochodz?ca do 50 nm), co przek7ada si< na duY? podatno>G transmitowanego sygna7u na zjawisko dyspersji chromatycznej ograniczaj?cej szybko>G transmisji. (NaleYy pami<taG, Ye w przypadku niektórych w7ókien optycznych i przy stosowaniu diody LED w >wiat7owodach wielodomowych wp7yw dyspersji chromatycznej moYe byG porównywalny z wp7ywem dyspersji mi<dzymodowej).
We w7óknie PMMA okno optyczne w rejonie d7ugo>ci fali 650 nm jest do>G w?skie. Przy jakiejkolwiek zmianie d7ugo>ci emitowanej fali obserwujemy bardzo silny wzrost t7umienia sygna7u (rys. 5).
Rys. 5. T7umienie >wiat7owodu PMMA w oknie 650 nm [6]
Przyczyny zmian d7ugo>ci fali mog? byG dwie. Pierwsza, to przyczyna eksploatacyjna-zmiana temperatury. Na przyk7ad, eksploatacyjna-zmiana temperatury o 1 stopie= powoduje, Ye >rodkowa d7ugo>G fali diody LED zmienia si< o 0,08 nm. Druga przyczyna (produkcyjna) wynika ze standardu MOST. Standard MOST okre>la, Ye >rodkowa d7ugo>G fali musi si< znajdowaG w zakresie d7ugo>ci fali od 630 nm do 685 nm. T7umienie dla 650 nm >wiat7owodu PMMA o d7ugo>ci 50 m wynosi oko7o 6 dB, natomiast dla d7ugo>ci fali 630 nm aY 17 dB [6]. Rozwi?zaniem tego problemu moYe byG zastosowanie gróde7 o w<Yszej linii widmowej. W gr< tu wchodzi dioda RCLED (ang. Resonant Cavity Light Emitting Diode) i laser pó7przewodnikowy typu VCSEL (ang. Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Szeroko>G widma diody RCLED jest 2-5 krotnie mniejsza w porównaniu z diod? LED. Natomiast widmo lasera VCSEL moYe osi?gn?G poziom u7amka nanometra.
Obiecuj?c? technik? pozwalaj?c? na zwi<kszenie przepustowo>ci >wiat7owodów wielodomowych jest selektywne pobudzanie modowe. Selektywne pobudzanie polega na tym, Ye >wiat7o ze gród7a >wiat7a nie o>wietla ca7ego rdzenia >wiat7owodu, a jedynie niewielki obszar w cz<>ci >rodkowej. Powoduje to, Ye w >wiat7owodzie wzbudzaj? si< jedynie niektóre mody; jest ich zdecydowanie mniej niY przy typowym, pe7nym o>wietleniu rdzenia. W wyniku tego wp7yw dyspersji mi<dzymodowej jest mniejszy, mniejsze jest poszerzenie impulsów >wiat7a i nast<puje zwi<kszenie moYliwej do osi?gni<cia szybko>ci transmisji. Ta technika wymaga zastosowania lasera pó7przewodnikowego. Innym sposobem przezwyci<Yenia problemu ograniczonej przepustowo>ci >wiat7owodu wielomodowego jest zastosowanie jednej z technik zwielokrotnienia czy teY modulacji wielowarto>ciowej [7]. Techniki zwielokrotnieniowe maj? na celu zwi<kszenie przepustowo>ci eksploatowanych 7?czy teletransmisyjnych. W przypadku samochodowych 7?czy >wiat7owodowych wykorzystuj?cych w7ókna wielomodowe najbardziej obiecuj?cymi rozwi?zaniami wydaj? si< byG: technika zwielokrotnienia grup modowych i technika zwielokrotnienia d7ugo>ci fali. Technika zwielokrotnienia grup modowych (ang. MGDM - Mode Group Division Multiplexing) polega na pobudzaniu róYnych (>ci>le wybranych) grup modowych w >wiat7owodzie
róYnymi sygna7ami informacyjnymi – innymi gród7ami >wiat7a. Pobudzona grupa modowa tworzy kana7 optyczny. Wad? tej techniki jest bardzo silna wraYliwo>G na zjawisko mieszania si< modów, które wyst<puje do>G silnie w >wiat7owodach plastikowych; w mniejszym stopniu w >wiat7owodach kwarcowych. Wad? tego rozwi?zania jest równieY konieczno>G stosowania z7oYonego uk7adu s7uY?cego do selektywnego pobudzania wybranych grup modowych i uk7adu do ich separacji w cz<>ci odbiorczej. Zwielokrotnienie d7ugo>ci fali (ang. WDM – Wavelength Division Multiplexing) polega na tym, Ye w jednym >wiat7owodzie równocze>nie propaguje si< wiele d7ugo>ci fali. KaYda d7ugo>G fali stanowi inny kana7 optyczny, na którym moYna transmitowana róYne dane. Odleg7o>G mi<dzy kana7ami jest >ci>le okre>lona. MoYna wyróYniG standard CWDM (ang. Corse WDM) gdzie odleg7o>G mi<dzy kana7ami wynosi 20 nm. Inny standard – DWDM (ang. Dense WDM) przewiduje moYliwo>G zastosowania odleg7o>ci mi<dzy kana7ami równej: 0,8 nm, 0,4 nm i 0,2 nm. Techniki WDM wymaga zastosowania elementów 7?cz?cych róYne d7ugo>ci fali i wprowadzaj?ce je do jednego >wiat7owodu (multipleksera), elementu rozdzielaj?cego zbiorczy sygna7 na sygna7y o róYnych d7ugo>ciach fali (demultipleksera) i gróde7 >wiat7a o w?skiej linie widmowej. Do realizacji tej techniki nie nadaj? si< diody LED, wymagane jest zastosowanie laserów pó7przewodnikowych. Kolejne rozwi?zanie techniczne czyli modulacja wielowarto>ciowych pozwala na zwi<kszenie przep7ywno>G binarn? bez zmiany wykorzystywanego pasma. Wad? tego rozwi?zania jest potrzeba zastosowania bardziej skomplikowanych uk7adów elektronicznych w odbiorniku i nadajniku, co wyklucza ich stosowanie powyYej pewnej pr<dko>ci modulacji. Popraw< jako>ci transmisji moYna równieY uzyskaG wykorzystuj?c technik< korekcji zniekszta7conego sygna7u juY po jego zamianie na sygna7 elektryczny. Bardzo dobrym rozwi?zaniem jest technika kodowania z korekt? b7<du w przód (ang. FEC – Forward Error Correction). Ta technika kodowania polega na dodaniu do przesy7anego ci?gu danych dodatkowych nadmiarowych bitów przez koder FEC w cz<>ci nadawczej. Nadmiarowe bity pozwalaj? dekoderowi FEC, znajduj?cemu si< w cz<>ci odbiorczej, znalegG i poprawiG wyst<puj?ce b7<dy w transmisji danych. Zastosowanie tej techniki pozwala na prac< systemu z niYszym poziomem stosunku sygna7u do szumu niY bez techniki FEC, z jednoczesnym utrzymaniem tego samego poziomu elementowej stopy b7<du. Najcz<>ciej stosowane s? kody typu Reed-Solomon lub BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem). To rozwi?zanie teoretycznie pozwala na popraw< elementowej stopy b7<du z poziomu 10-3 do poziomu 10-12. MoYna równieY zastosowaG technik korekcji z decyzyjnym sprz<Yeniem zwrotnym DFE (ang. Decision Feedback Equalizer), korektory typu MAP (ang. Maximum A Posteriori-based Equalization) oraz korektory, które wykorzystuj? detekcj< sekwencji wed7ug regu7y maksymalnej wiarygodno>ci (ang. Maximum Likehood Sequence Estimation) [8].
4. PODSUMOWANIE
Komunikacyjne systemy samochodowe b<d? s7uYy7y dwóm celom: zaspokojeniu potrzeb zwi?zanych z obs7ug?, coraz bardziej wyrafinowanym od wzgl<dem technicznym, urz?dze= telemetrycznych oraz obs7udze urz?dze= poprawiaj?cym komfort jazdy.
Jedno i drugie zastosowanie powoduje koniczno>G zwi<kszenia ilo>ci transmitowanych danych. MoYna nowe systemy komunikacyjne oprzeG na zupe7nie innej infrastrukturze optycznej, czyli rezygnacji z tanich i 7atwych w eksploatacji diod LED oraz >wiat7owodów plastikowych na rzecz >wiat7owodów kwarcowych i laserów pó7przewodnikowych. Innym rozwi?zaniem jest poprawa jako>ci transmisji danych przy uYyciu obecnie stosowanych 7?czy >wiat7owodowych. W tym przypadku moYna zastosowaG rozwi?zania znane z klasycznej telekomunikacji >wiat7owodowej.
Bibliografia
1. Strobel O., Rejeb R.: Optical Polymer and Polymer-Clad Silica Fiber Data Buses for Automotive Applications. 2010 7th International Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP), pp. 693-696, NewCastle, United Kingdom, 2010.
2. Kibler T., Poferl S.: Optical Data Buses for Automotive Applications. Journal of Lightwave Technology, vol. 22, No. 9, pp. 2184-2199, 2004.
3. Widerski T.: SieG MOST. lwiat motoryzacji, 12/2007.
4. Seibl D., Böhm M.: Polymer-Optical-Fiber Data Bus Technologies for MOST Applications in Vehicles. International Conference ICTON-MW’08, pp. 1-6, Marrakech, Morocco 2008.
5. Serizawa N.: Good connections. Elektronik Automotive, 36-37, March, 2012
6. Ziemann O., Vinogradov J.: In the spotlight. Elektronik Automotive, 32-35, March, 2012.
7. Boggavarapu R., Boggavarapu D.: Wavelength Division Multiplexed Vehicle Data Bus Architectures and Applications. MILCOM, Washington D.C., 2006.
8. Perlicki K.: Systemy transmisji optycznej WDM. Wydawnictwa Komunikacji i u?czno>ci, Warszawa, 2007.
FIBER OPTICS TRANSMISSIONS FOR VEHICLE APPLICATIONS
Summary: Fiber optics transmission system for vehicle applications MOST is presented. Its adventages and disadventages are presented. The methods for capacity improving of vehicle optical data transmissions’ are described.
