סיבים אופטיים להעברת מידע ברכב מסחרי

בבית או במשרד, רשתות נתונים עם קישוריות באמצעות סיבים אופטיים כבר נמצאות בשימוש נרחב כאשר נדרשת מהירות העברת נתונים גבוהה. עם זאת בתחום הרכב, שבו נדרשת תעבורת נתונים גדולה ומהירה, טכנולוגיית הסיבים האופטיים נמצאת כיום רק על סף פריצת דרך.

כמות המידע שעוברת כיום במשאיות ובאוטובוסים חדשים, עצומה. מדובר במגוון רחב של נתונים: הפעלת הרכב, שימוש בחיישנים, מערכות בטיחות, מערכות ניהול חשמליות ומערכות מידע ובידור. כל זאת בלי שהגענו לתקשורת המתקיימת בין הרכבים הנעים על הכביש לבין עצמם ובין הרכבים לאמצעי המידע המיושמים בתשתיות הכבישים.

המעבר לרכבים אוטונומיים מלאים (רמה 5) או כאלה הפועלים בפיקוח של נהג למקרה חירום (רכב אוטונומי ברמה 4), יצריך העברת נתונים בהיקף עצום. יתרה מזו, נדרש מענה גם למרחקי תקשורת גדולים, הן לאוטובוס רגיל או מפרקי והן למשאית גוררת (גרור מלא) או תומכת ונתמכת.

יתרונות של סיבים אופטיים בתובלה

לסיבים האופטיים יתרונות רבים בתחום התובלה. בראש ובראשונה - רוחב פס רחב במיוחד. כבלי סיבים אופטיים יכולים להעביר כמות נתונים גדולה בהרבה מכבלי נחושת מסורתיים. הדבר מאפשר מהירויות הורדה והעלאה גבוהות במיוחד והעברת כמויות מידע גדולות בתוך כלי הרכב. מהירויות אלה עשויות לנוע בין 100Mbps ל-10Gbps ואף יותר ליישומים מסחריים.

המהירות הגבוהה נובעת מהעברת הנתונים באמצעות פולסי אור הנעים במהירות של כשני שלישים ממהירות האור - הרבה יותר מהר מאותות חשמליים העוברים בכבלי נחושת. טכנולוגיה זו תורמת לעיכוב מופחת בהעברת המידע ומאפשרת העברה חלקה ומקוונת - תכונות חיוניות לפעילויות כמו ניטור סביבת הנהג, תגובות חירום ועוד.

הסיבים האופטיים ידועים גם באמינותם הגבוהה. חיבורי הסיבים מספקים קישור ישיר ונטול הפרעות, וממזערים השפעות של גורמים חיצוניים שעלולים לשבש את תעבורת הנתונים. הם גם פחות רגישים לתנאי מזג האוויר, ועמידים בהרבה מכבלי נחושת.

יתרון נוסף, חשוב במיוחד בתחום הרכב, הוא ההשהיה המופחתת. מהירויות השידור הגבוהות מביאות לחביון (latency) נמוך, כלומר עיכוב מזערי בין הפקודה להעברת הנתונים לבין ביצוע ההעברה. תכונה זו קריטית ביישומים בזמן אמת כגון מידע בטיחותי ומערכות בלימת חירום.

מאפיין נוסף הוא חוזק האות, המאפשר שידור למרחקים ארוכים. כבלי סיבים אופטיים מסוגלים לשאת אותות למרחק רב הרבה יותר מכבלי נחושת בלי לגרום לפגיעה ממשית באיכות האות. לדוגמה, סיבים אופטיים במצב יחיד (single-mode) מסוגלים להעביר אותות למרחק של עד 40 קילומטרים ללא מגבר אות (repeater). תכונה זו מחזקת את היתרון שבהטמעת הטכנולוגיה בכלי רכב ארוכים במיוחד.

לסיבים אופטיים אובדן מתח חשמלי מזערי במהלך השידור. הדבר הופך אותם ליעילים במיוחד לתקשורת למרחקים ארוכים.

יתרון נוסף ובעל משמעות הוא עמידות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות בתדר רדיו (RFI). בניגוד לחוטי נחושת, כבלי סיבים אופטיים אינם מושפעים ממקורות חיצוניים כגון קווי חשמל או מכונות. הדבר מבטיח אות יציב ונקי יותר - יתרון מהותי במיוחד בכלי רכב חשמליים או במשאיות קונוונציונליות שעליהן מותקנים רכיבים חשמליים ורכיבים הפולטים קרינה אלקטרומגנטית.

אבטחת נתונים משופרת: קשה להתחבר לכבלים של סיבים אופטיים מכיוון שהם אינם מקרינים אנרגיה אלקטרומגנטית שאפשר ליירט בקלות. כל ניסיון פריצה פיזית למערכת ניתן לזיהוי מיידי, שכן הוא גורם כשל מוחלט בפעולת המערכת והדבר מעלה מאוד את רמת האבטחה.

עלויות תחזוקה נמוכות יותר: רשתות סיבים אופטיים מצריכות בדרך כלל פחות תחזוקה מרשתות המבוססות על כבלי נחושת בזכות עמידותן הגבוהה לבלאי ולתנאים סביבתיים משתנים.

מבנה מודולרי וגמיש: לסיבים האופטיים מבנה מודולרי, והדבר מקל את השדרוג וההרחבה של הרשת לפי דרישות רוחב הפס המשתנות. לעיתים קרובות אפשר להוסיף ציוד חדש או מערכות חדשות - כמו אלו שמותקנות במשאיות - בלי להחליף את תשתית הסיבים הקיימת.

יעילות כלכלית בטווח הארוך: אף כי ההשקעה הראשונית בהתקנת סיבים אופטיים עשויה להיות גבוהה יותר, בטווח הארוך הם מתגלים כפתרון חסכוני הודות לעלויות תחזוקה נמוכות, תפעול פשוט וקיבולת מידע גבוהה.

חיסכון במשקל ונפח: כבלי סיבים אופטיים דקים וקלים יותר מכבלי נחושת בעלי קיבולת דומה. קל יותר להתקין ולנהל אותם, והם מצריכים פחות מקום פיזי. ברכבים ארוכים - שבהם נחוצה פריסת תשתית ארוכה - אפשר לחסוך משקל רב, לפנות מקום לשימושים אחרים ואף להפחית את צריכת האנרגיה להפעלת הרכב.

גמישות וחוזק מכני גבוהים: הסיבים האופטיים גמישים, מתכופפים בקלות ובעלי חוזק מתיחה גבוה, במיוחד לעומת כבלי נחושת בעלי קוטר דומה. יתרה מזאת, הם עמידים לקורוזיה - תכונה חשובה במיוחד בסביבה תחבורתית מאתגרת.

תאימות למערכות קיימות: רשתות סיבים אופטיים משתלבות היטב עם טכנולוגיות קיימות כגון שירותי Wi-Fi ו־VoIP (ראשי תיבות של Voice over Internet Protocol) והן משפרות את ביצועיהן ואת רמת האמינות של המערכת כולה.

כל היתרונות האלו מביאים למסקנה ברורה: לסיבים אופטיים ביצועים משופרים, אמינות גבוהה, אבטחת מידע עדיפה וערך מוסף לטווח ארוך בהשוואה למערכות תקשורת מסורתיות המבוססות על נחושת. לפיכך הסיבים האופטיים הם הבחירה המועדפת במגוון רחב של יישומים, החל בהעברת נתונים וכלה בשירותי אינטרנט, טלקומוניקציה, תחבורה חכמה ועוד.

ZF מובילה מהפכת סיבים ברכב

חברת הטכנולוגיה הגרמנית ZF מציגה פריצת דרך בתחום תקשורת הרכב עם פיתוחו של מחשב בעל ביצועים גבוהים המכונה ProAI ומיועד להעברת נתונים מואצת ברשת Ethernet אופטי (אתרנט, סוג של רשת תקשורת מקומית). הפתרון נועד ליישומים מגוונים ברכבים, ובפרט לרכבים בעלי מבנה תוכנה מתקדם.

המערכת מבוססת על שבבים ומחברים חדשים שפותחו לאחרונה, המאפשרים להעביר נתונים על גבי סיבים אופטיים בתקן IEEE 802.3cz - תקן ייעודי לסביבות רכב. לדברי אוליבר ברימל, ראש תחום מחשוב בZF, "העברת מידע מהירה במיוחד זו היא טכנולוגיית מפתח למערכות החשמל העתידיות של רכבים המוגדרים על פי תוכנה (software-defined vehicles)." המערכת תומכת בשידור נתונים למרחקים קצרים וארוכים, עד 40 מטר.

על פי ZF, ייצור סדרתי של הטכנולוגיה אפשרי כבר בשנה הבאה. היא נבחנה בהצלחה לשימוש במגוון כלי רכב - מכוניות פרטיות, משאיות, אוטובוסים ורכבי הסעות. בדיקות אינטנסיביות לימדו על התאמה גבוהה של הטכנולוגיה לתנאי הפעלה קשים ומגוונים, תוך שמירה על אמינות גבוהה ועמידות לאורך זמן. המסקנה של החברה היא שטכנולוגיית Optical multi-gigabit Ethernet היא פתרון תקשורת נתונים עתידי, רב-תכליתי ועמיד במיוחד לענף הרכב.

יסודות העברת נתונים אופטית

העברת נתונים אופטית היא טכנולוגיית מפתח המשמשת במערכות תקשורת רבות במגוון תחומים, בכלל זה תעשיית הרכב. היא מבוססת על העברת אותות אור דרך כבלי סיבים אופטיים העשויים זכוכית (GOF) או פלסטיק (POF).

לכבלי סיבים אופטיים רוחב פס גבוה במיוחד והפסדים אנרגטיים נמוכים. העברת האור בסיבים מבוססת על עקרון ההחזרה הפנימית הכוללת. כאשר קרן אור חודרת לסיב, היא מוחזרת שוב ושוב בין ליבת הסיב לבין שכבת החיפוי שלו, ובכך נותרת כלואה בתוך הליבה ומתפשטת לאורכה.

טכנולוגיה זו מאפשרת להעביר מידע במהירות וביעילות, ומשמשת בסיס מרכזי לפיתוחים בתקשורת מתקדמת, הן בתשתיות גלובליות והן ביישומים ספציפיים כגון רכבים חכמים.

יתרונות Ethernet אופטי

קצב העברת נתונים גבוהים ואמינות משופרת הם יתרונות מרכזיים של מערכות העברת נתונים אופטיות בתחום הרכב. מערכות אופטיות כגון Media Oriented Systems Transport (בקיצור - MOST) הוצגו לראשונה בתעשיית הרכב לפני כ־20 שנה והתבססו בעיקר על סיבי פולימר לשכבת התקשורת הפיזית. לעומתן, התקנים המודרניים, בהם Ethernet multi-gigabit אופטי לפי התקן IEEE 802.3cz-2023, מבוססים על סיבי זכוכית. לסיבים אלה פס רחב יותר והפסדי אנרגיה ומידע נמוכים הרבה יותר מהמערכות הוותיקות.

מהנדסי ZF בחנו את יתרונות השימוש ב-Ethernet אופטי בקצבי מידע מהירים, והגיעו למסקנה כי קצב גבוה של העברת נתונים נעשה צורך חיוני בתעשייה. התקן תומך במהירויות של 2.5Gbit/s עד 50Gbit/s - מהירויות קריטיות להתמודדות עם נפחי המידע העצומים הנוצרים מיישומים מודרניים כגון מערכות סיוע לנהיגה (ADAS), מערכות בידור ברכב (IVI) ושירותי רשת חכמים.

בפלח השוק של כלי רכב מסחריים, היתרונות בולטים במיוחד. בין השאר, התקנים החדשים מאפשרים שידור נתונים למרחקים ארוכים יותר - עד 40 מטר - לעומת מערכות אופטיות ישנות או מערכות מבוססות נחושת. תכונה זו הופכת את הטכנולוגיה לאידיאלית לרכבים בכל גודל - ממכוניות פרטיות ועד משאיות ארוכות ואוטובוסים.

חיסכון במשקל: סיבים אופטיים קלים ודקים הרבה יותר מכבלי נחושת, והשימוש בהם מאפשר חיסכון ניכר במשקל. הדבר מסייע להפחתת צריכת האנרגיה הכוללת של צי הרכב.

אמינות ועמידות: לסיבים אופטיים מסוג OM3, בהתאם לתקן IEEE 802.3cz-2023, אמינות גבוהה לאורך זמן. הם אינם רגישים להפרעות אלקטרומגנטיות, מספקים תקשורת יציבה גם בתנאים קיצוניים ואפשר ליישם באמצעותם בידוד גלווני בין רמות מתח שונות. הם גם עמידים יותר לשחיקה, ומתאימים במיוחד לשימוש ממושך בתנאי שטח.

יעילות אנרגטית: מערכות אופטיות לפי תקן IEEE 802.3cz-2023 צורכות פחות אנרגיה ממערכות מבוססות נחושת. בכך הן תורמות לשיפור היעילות האנרגטית הכוללת של הרכב - פרמטר חשוב במיוחד ברכבים חשמליים, שבהם כל חיסכון באנרגיה מתורגם להארכת טווח הנסיעה. במילים אחרות, ככל שנשמרת יותר אנרגיה במערכות התקשורת, כך יותר ממנה מוקדש לפעולת הרכב עצמו. הדבר תורם לביצועים טובים יותר של רכבים חשמליים הן באוטובוסים והן במשאיות.

הרחבה ועמידות: טכנולוגיית Ethernet אופטי רב־ג'יגה־ביט נחשבת עמידה לעתיד וניתנת להרחבה, שכן אפשר לשדרג מחשבים עתירי ביצועים (HPC), יחידות בקרה אלקטרוניות (ECU) ומחשבי ריבוי דומיינים (MDC - Multi-Domain Computers) למהירויות שידור גבוהות יותר בלי להחליף את רכיבי הכבלים האופטיים הקיימים. תכונה זו מקלה את השילוב טכנולוגיות ופונקציות חדשות בדורות הבאים של הרכב, ומבטיחה שהמערכות יעמדו בדרישות ההולכות וגוברות של עולם התחבורה.

עלויות נמוכות יותר הודות לייצור בהיקף גבוה: סיבים אופטיים מסוג OM3, כפי שמוגדרים בתקן IEEE 802.3cz-2023, נמצאים כבר כיום בשימוש נרחב ברחבי העולם ומיוצרים בכמויות גדולות. נוסף על כך, רכיבים אופטיים כגון VCSELs (דיודות לייזר) ופוטודיודות (Photodiodes) המתאימים לאורכי הגל הייעודיים, מיוצרים כיום בהיקפים גבוהים מאוד. מגמה זו תורמת לחיסכון בעלויות, והופכת את הטכנולוגיה לאטרקטיבית יותר ליישום בתעשיית הרכב גם בסדרות ייצור גדולות.

ערוצי תקשורת משופרים: Ethernet אופטי מרובה ג'יגה־ביט מספק ערוצי תקשורת כמעט אידיאליים, תוך שמירה על מורכבות פיזית מינימלית של שכבת התשתית. הפשטות הזו תורמת למורכבות איזון (balancing) נמוכה יותר, ללא צורך בביטול הד (echo cancellation). הדבר מפחית את צריכת החשמל ומקצר את זמני ההשהיה (latency). התוצאה: פתרונות יעילים וחסכוניים יותר.

נוסף על כך ערוץ ייעודי לניהול, הפעלה ותחזוקה (OAM - Operations, Administration and Maintenance) מבטיח אמינות גבוהה וניהול יעיל של הקישורים, ומשלים את יתרונות המערכת.

אתגרים ביישום המהפכה האופטית

המעבר לשימוש מסיבי בסיבים אופטיים בתחום התובלה המסחרית נהפך לכורח המציאות, אך הוא אינו נטול אתגרים. ראשית, העלות הראשונית של הרכיבים גבוהה יותר: כבלי סיבים אופטיים, מחברים, מקלטים, משדרים ורכיבים נוספים נוטים להיות יקרים יותר מחיווט נחושת מסורתי.

שנית, ההתקנה עצמה מורכבת יותר ומצריכה ציוד מיוחד ומומחיות טכנית גבוהה. התקנה של כבלים של סיבים אופטיים מצריכה מיומנויות ייחודיות, והדבר עלול להביא לעלויות עבודה גבוהות יותר. לכך מצטרפת העלות הכרוכה בשילוב מערכות, כלומר התאמת הסיבים האופטיים לארכיטקטורות האלקטרוניות הקיימות במשאיות, שעוצבו בדרך כלל לחיווט מבוסס נחושת.

מעבר לאתגרים הטכנולוגיים והתקציביים, חשוב להביא בחשבון את סביבת הפעולה. משאיות הן רכבי עבודה שפועלים בתנאים קשים ותובעניים, והן נתונות לרעידות וזעזועים מכניים. תנאים אלו עלולים לפגוע בביצועים של כבלי הסיבים והמחברים אם אלה לא תוכננו להתמודד עם עומסים כאלה.

גם תנאי הסביבה החיצוניים אינם פשוטים: משאיות פועלות בטווח רחב של טמפרטורות - מקור קיצוני ועד חום כבד - והדבר עלול להשפיע על התכונות האופטיות של החומרים ולפגוע באמינות החיבורים. לחות גבוהה עלולה לגרום קורוזיה או כשל במחברים וברכיבים נוספים, והדבר עלול להביא לאובדן אות או להשבתה של המערכת. אבק, לכלוך ומזהמים אחרים עלולים לחדור למחברים ולשבש את איכות האות האופטי. הדבר מחייב עבודת איטום ותחזוקה מדוקדקת.

למרות גמישותם היחסית, לסיבים אופטיים יש רדיוס כיפוף מינימלי, וחריגה ממנו עלולה לגרום שבר או אובדן אות. בסביבה צפופה וסגורה כמו תא מנוע של משאית, שבה נדרש לעיתים כיפוף חד, זה אתגר של ממש.

באופן כללי, כבלים אופטיים עלולים להינזק מקרעים או שחיקה במהלך התקנה, תחזוקה או תפעול שגרתי של הרכב. למחברים יש רכיבים עדינים ומדויקים במיוחד, והם רגישים מאוד לזיהום, לטיפול שאינו תקין או לחיבור שגוי.

כפי שצוין, התאמה של מערכות הסיבים למערכות הקיימות במשאית מצריכה תאימות למערכות חשמל ואלקטרוניקה קיימות, שתוכננו בדרך כלל לחיווט מסורתי. לכן נדרשים ממשקים ופרוטוקולים ייעודיים שיאפשרו אינטגרציה חלקה.

לבסוף, בענף המוסכים כמעט אין בנמצא טכנאים בעלי התמחות במערכות סיבים אופטיים. אבחון ותיקון של בעיות במערכות אלה מורכב יותר מאשר במערכות המבוססות על נחושת ומצריך ציוד בדיקה מתקדם וידע מקצועי ייחודי.