Les fibres optiques dans l’automobile

13/07/2016
Auteurs : Jean-Michel MUR
Publication 3EI 3EI 2016-85
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-85:17141
DOI :
contenu protégé  Document accessible sous conditions - vous devez vous connecter ou vous enregistrer pour accéder à ou acquérir ce document.
- Accès libre pour les ayants-droit
 

Résumé

Les fibres optiques dans l’automobile

Métriques

20
7
1.16 Mo
 application/pdf
bitcache://9c1e784b1fd7184553c03c5ed437141f5770acc6

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1044:2016-85/17141</identifier><creators><creator><creatorName>Jean-Michel MUR</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Les fibres optiques dans l’automobile</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2016</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Wed 13 Jul 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Jul 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">9c1e784b1fd7184553c03c5ed437141f5770acc6</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>28509</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 14 Les fibres optiques dans l’automobile Jean-Michel MUR Président d’honneur du Club fibres optiques & réseaux Société française d’optique Jm.mur@orange.fr Proche de nous mais déjà loin le temps où le premier réseau en fibre optique en plastique prenait place dans nos automobiles. C’était en 1998, via le réseau D2B (domestic dual bus) qui a équipé nombre de véhicules luxueux avec le constructeur pionnier Mercedes suivi par Jaguar, Peugeot 604, etc. Ce réseau largement installé est désormais obsolète. L’aventure a connu, en 2001, byteflight, le réseau exclusif de BMW, créé en partenariat avec Motorola et Infineon. Byteflight, qui a commencé par équiper les BMW Série 7, a tiré sa révérence, lui aussi. Dans le même temps, sont arrivés les premiers réseaux MOST 25 (media oriented systems transport) à 25 Mbit/s. Puis l’industrie automobile a installé les MOST 50 à 50 Mbit/s et, en parallèle, l’IDB-1394 (intelligent transportation system data bus) qui, via le port Customer convenience port (CCP), est la version pour l’automobile du standard 1394 de l’association américaine IEEE. Plusieurs amendements plus tard sur ce standard, en 2008, a été avalisée la nouvelle version « 1394-2008 - IEEE Standard for a High-Performance Serial Bus ». Et les évolutions s’ensuivirent… 1. De nos jours, quels protocoles ? Trois protocoles principaux sont présents sur ce marché : le MOST 150, l’IDB-1394 et Ethernet ; le leader étant MOST avec plus de 200 modèles d’automobiles différents et plus de 200 millions de nœuds livrés depuis 2001. En 2012, est arrivée la version MOST 150 qui doit son nom à son débit de transmission de 150 Mbit/s. C’est l’évolution des premiers réseaux en anneau MOST 25 puis MOST 50, avec deux apports clés : un canal pour Ethernet et la montée en débits. MOST 150 intègre un canal Ethernet avec une largeur de bande variable – MOST Ethernet Packet (MEP) – pour supporter les trames Ethernet en sus des trois canaux classiques pour le contrôle des messages, les données en flux continu et les données en paquets. La demande de débits de plus en plus élevé provient de l’inflation des applications dont celles en vidéo avec multi-écrans qui sont très gourmandes en bande passante. Cette montée en débits semble un point positif pour le MOST 150. En fait, c’est une course pour rattraper les 200 à 800 Mbit/s de l’IDB-1394 – avec un maximum futur de 3,2 Gbit/s – et la montée du 100 Mbit/s de l’Ethernet vers l’attendu 1 Gbit/s du Gigabit Ethernet (GbE). Un point noir supplémentaire pour le MOST 150, la nécessité de faire appel à des Codec – et aux coûts associés – pour la compression et décompression des informations multimédia. Pour les réseaux IDB-1394, l’automobile n’est qu’un des marchés couverts car on rencontre IEEE 1394 aussi en audio-vidéo, avionique, défense, capteurs… à un point tel qu’en octobre 2015, le groupement d’industriels intitulé 1394 Trade Association a été dissous en estimant que les marchés et le protocole étaient devenus matures. IDB-1394 a comme principales caractéristiques la transmission des données dans les modes asynchrone et isochrone, soit en temps réel, sur des bus en transmission parallèle à 32 ou 64 bits ; les débits, du simple 100 Mbit/s au très haut débit de 3,2 Gbit/s ; le support physique qui peut être en paires torsadées blindées (shielded twisted pair – STP), en quatre paires (shieldedt wisted quad – STQ), en coaxial en cuivre ou en fibre optique en plastique ou en silice. Ce protocole gère, bien évidemment, la notion de multiples canaux de transmission et de multi-utilisateurs, le tout en simultané sur le même bus ou sur une topologie en arbre, en étoile ou en anneau. À noter, que cette norme IEEE 1394-2008 devrait évoluer en 2016. Quant à la pieuvre Ethernet, avec ses ramifications dans tous les types de réseaux, elle se devait de se créer une place dans l’automobile. Le démarrage a été poussif et peu de constructeurs sont friands de ce protocole pour trois raisons : le débit limité à 100 Mbit/s, le câblage en paires torsadées catégorie 5, lourd et onéreux, et la qualité de service (QoS), autre point noir car nécessitant du logiciel et des mémoires- tampons supplémentaires. Après diverses remises en question, certains annoncent qu’il se pourrait que l’année 2016 soit celle où « Automotive Ethernet » puisse prendre la forme d’une dorsale pour les réseaux des véhicules grâce à l’arrivée du 1 GbE sur une simple paire torsadée. D’autres experts sont dubitatifs pour deux raisons : la norme définissant le GbE sur fibre optique plastique est en cours de développement par le groupe de travail IEEE P802.3bv « Gigabit Ethernet over plastic optical fiber tasktorce », elle n’est attendue Résumé : Présente dans nos véhicules depuis une bonne quinzaine d’années, la fibre optique en plastique puis en silice tisse ses réseaux. Protocoles, applications et produits, où en sommes-nous aujourd’hui ? Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 15 que pour le premier trimestre 2017 et, par ailleurs, lors de la 16e conférence de connexité MOST en Asie, en novembre 2015, deux annonces clés ont porté sur Linux et le 1 Gbit/s pour MOST. Côté Linux, il a été présenté le fait que le noyau Linux principal intégrera un pilote Linux MOST pour accéder à toutes les données de MOST et prendre en charge les interfaces USB, Media LB et I2C, ALSA (audio), V4L2 (vidéo) et la communication basée sur IP, protocole Internet cf. fig.1 Pour les industriels impliqués dans le MOST, c’est d’autant plus important que le cabinet d’études de marché IHS prévoit que d’ici 2020, la plateforme Open source Linux, avec plus de 40% de part de marché, dominera le marché de l’info-divertissement embarqué, d’où un plan de développement ambitieux cf. fig.2. Fig.1 : Architecture des pilotes Linux (Source : Microchip) Fig.2 : Plan de développement de Linux pour l’automobile (Source : Linux Foundation) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 16 2. Pour quelles applications ? Le vocable associé au mariage fibre optique plastique – automobile est « Technologie multimédia » soit, plus largement, tous les équipements et systèmes qui touchent à l’aide à la conduite, aux diagnostics, à la communication interne au véhicule ou avec l’extérieur ainsi que pour le domaine des loisirs. Sans être exhaustif, on y trouve aussi bien les équipements audio de radio ou CD et haut-parleurs surdimensionnés, lecteurs MP3, équipements vidéo de TV ou DVD avec écrans incorporés aux sièges, de radiotéléphonie GSM, de systèmes de positionnement GPS et de navigation avec voix et images animées, d’aide à la vision avec les radars et caméras de recul, de stockage de données avec la connectique pour les clés USB, d’applications Bluetooth et bien d’autres comme la connexion à Internet. À noter que le standard IEEE 1394:2008 a prévu la protection des contenus transitant par le réseau et des supports type DVD (digital transmission content protection – DTCP). En MOST 150, cette fonctionnalité est complétée, depuis octobre 2015, par la protection supplémentaire apportée par la norme CI+. En américain, l’ensemble du réseau, des équipements et des fonctions est regroupé sous les deux quasi-synonymes in-car entertainement (ICE) ou in-vehicle infotainment(IVI) et, plus globalement, sous le nom in-vehicle network (IVN) faisant ainsi le parallèle avec ce qui se passe dans le domaine de l’aviation commerciale avec in-flight network (IFN) et ses déclinaisons pour le personnel navigant et pour les passagers. Fujitsu va plus loin en considérant le véhicule comme un des éléments du système global d’information cf. fig.3. Fig.3 : Système de transport intelligent (intelligent transport system – ITS) vu par Fujitsu (Source : Fujitsu) 3. Et le cloud ? L’informatique en nuage ou du moins le stockage de données et leurs accès intéressent fortement les constructeurs automobiles mais aussi leurs sous- traitants. Ainsi, l’équipementier Robert Bosch, qui propose déjà aux industriels des offres comme les services eCall ou conciergerie, a annoncé, fin 2015, la mise à disposition de services pour les automobiles connectées tels que les informations, en temps réel, sur les conditions de circulation, le trafic automobile, les conditions climatiques, etc. Il prend exemple sur son concurrent Continental qui a l’offre e-Horizon (electronic horizon) construite en collaboration avec IBM et Cisco cf. fig.4 ou sur l’offre de Delphi qui propose l’application Delphi Connect en s’appuyant sur Azure, la plateforme cloud de Microsoft. Bosch irait même jusqu’à indiquer la localisation exacte de bornes de recharges de véhicules électriques en fonction du niveau de la batterie. Il propose deux modes d’accès pour connecter le véhicule au nuage : le premier, c’est l’intégration de la solution My Spin, qui utilise le smartphone comme pilote, aussi bien sous Apple iOS que sous Android, et qui permet Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 17 aux applications installées sur le téléphone d’être actives sur la console centrale ; le second, c’est l’établissement d’une liaison entre la voiture et le cyberespace via le Connectivity control unit (CCU) de Bosch, un équipement qui contient un module de radiocommunications et qui requiert une carte SIM. 4. Avec quels produits ? Côté support physique, la fibre optique s’implante de plus en plus au détriment des câbles en cuivre grâce à ses qualités intrinsèques : aucun risque d’interférence électromagnétique et insensibilité aux perturbations électromagnétiques, ainsi un cheminement parallèle aux câbles électriques ou proche des moteurs électriques (sièges, vitres, rétroviseurs…) est possible et il n’y a pas cette contrainte pour la conception des faisceaux de câbles ; poids plus faible, environ neuf grammes par mètre contre soixante-dix pour le cuivre ; souplesse d’installation car le diamètre du câble est inférieur à trois millimètres ; débits de transmission plus élevés allant à 1 Gbit/s voire à plus de 3 Gbit/s ; large gamme d’émetteurs-récepteurs, etc. Dès l’origine, la seule fibre optique qui était installée dans l’automobile était une fibre en plastique standard, avec un cœur en PMMA (poly méthacrylate de méthyle) de 970 microns de diamètre et une gaine d’un millimètre (fibre 970/1000) en polymère. Elle est résistante jusqu’à 95 °C, a un affaiblissement linéique d’environ 0,2 dB par mètre lors de transmissions à 650 nanomètres et un rayon de courbure de l’ordre de quinze millimètres. Mais, les fibres optiques en silice unimodales ou multimodales ont leurs supporteurs. Ainsi, en janvier 2009, la norme IEEE 1394 a été complétée par les spécifications pour la fibre optique unimodale en silice, document intitulé « IEEE 1394 Single-mode Fiber PMD Specification », pour des transmissions à 1 500 nanomètres et un affaiblissement linéique maximum de 0,35 dB/km. Et, depuis juin 2011, la révision 1.0 de la norme IEEE 1394:2008 intitulée « 1394 Automotive Glass Fiber Specification (Supplement to IDB-1394) » considère deux types de fibres optiques multimodales en silice : la fibre multimodale à gradient d’indice de 50 microns de diamètre de cœur et 125 microns de diamètre de gaine, fibre 50/125 bien connue dans les réseaux locaux d’entreprise, et la fibre construite avec une gaine en polymère renforcé (hard polymer cladding silicafiber – HPCF) à saut d’indice qui a un cœur de 200 microns de diamètre et une gaine de 230 microns (HPCF 200/230). Les deux doivent respecter la plage de températures de -40 °C à +105 °C et, pour les transmissions à 850 nanomètres, avoir un affaiblissement linéique maximum de 10dB/km pour la fibre 50/125 et 20 dB/km pour la fibre 200/230. Fig.4 : Les quatre couches de l’application e-Horizon (Source : Continental) Fig.5 : Barrières technologiques de la fibre en plastique et des diodes à 650 nm (Source : JM. Mur) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 18 Même tendance pour les réseaux MOST car les industriels travaillent sur le saut des débits au-dessus du 1 Gbit/s. Là, les diodes électroluminescentes et la fibre en plastique à saut d’indice devront laisser leur place aux lasers VCSEL et aux fibres en silice à gradient d’indice. C’est, entre autres, le point de vue des équipementiers qui travaillent sur les liaisons optiques pour la future montée du MOST vers le 5 Gbit/s cf. fig.5. 5. Câbles de fibres optiques Dans ce domaine des réseaux internes aux véhicules, les câbles sont de deux types : d’une part, ceux qui ne contiennent qu’une ou deux fibres optiques et sont relativement simples à fabriquer et, d’autre part, ceux qui transportent les fibres et l’alimentation électrique pour les équipements desservis. Cependant, la difficulté consiste à concevoir la composition des enveloppes car les fabricants doivent faire face à beaucoup plus de contraintes que pour les réseaux locaux. En effet, la barrière qu’ils constituent, entre les fibres et l’environnement, doit résister à la fois à des contraintes physiques et à des attaques de fluides. Les contraintes physiques sont dues aux tensions venant des courbures, torsions, compressions, étirements, trépidations… Les attaques des fluides proviennent des fluides propres au véhicule – essence, diesel, acide des batteries, glycol, liquide de freins, etc. – et à ceux apportés par les passagers comme les détachants de sièges ou de plastiques divers, les boissons café, coca, alcool… Et tout cela, sans oublier de prévoir une forte résistance à l’humidité et aux sels de déneigement. 6. Connectique optique La connectique optique constituée de fiches optiques, raccords, traversées de cloisons, embases… se compose de deux grandes familles : la connectique classique des applications des fibres optiques et la connectique assurant à la fois les liaisons optiques et des liaisons électriques cf. fig.6 et fig.7. Fig.6 : Connectique automobile pour deux fibres en plastique (Source : TE Connectivity) Côté fibre optique plastique et IEEE 1394, la connectique est définie dans le document « PMD for FiberOptic Wake-on-LAN » Fig.7 : Connectique automobile pour quatre fibres en plastique et quarante contacts électriques (Source : TE Connectivity) de juillet 2006. Il y est précisé, annexe C, que pour distinguer les séquences d’assemblage des câbles dans le véhicule, quatre différentes clés de détrompage ont été définies pour les fibres en plastique. Chaque clé est identifiée par une couleur : blanc, noir, gris et marron. Quant aux fibres en silice, l’IEEE 1394 préconise le double LC. Pour prévenir les conséquences d’une inadvertance de connexion entre les types de fibres, il sera utilisé la couleur bleue pour les fibres unimodales et la couleur noire pour les multimodales cf. fig.8. Fig.8 : Connectique pour fibre optique du réseau IEEE 1394 (Source : Molex) Quant à la connectique du futur, un aperçu de ce qui pourrait s’écrire MOST à 5 Gbit/s, a été présenté par TE Connectivity en novembre 2015 à Tokyo cf. fig.9. Pour les liens, les tests et mesures sont effectués par des équipements tels des testeurs dotés d’une source lumineuse et d’un puissance-mètre cf. fig.10. Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 19 Fig.9 : Aperçu de la connectique optique pour le futur MOST à 5 Gbit/s (Source : TE Connectivity) Fig.10 : Appareil de test pour les liens en fibre optique en plastique (Source : Comoss) 7. Composants actifs Pour les composants actifs, comme dans tous les autres domaines de la photonique, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée. Parmi ceux-ci, on trouve les émetteurs-récepteurs pour fibres optiques (fibe roptic transceivers– FOT) qui, comme pour les câbles à fibres optiques, doivent avoir des caractéristiques physiques leur permettant d’être opérationnels dans des environnements difficiles. Avec le support fibres optiques en plastique, la transmission des signaux se fait sur des distances très courtes, via une diode électroluminescente (DEL) à 650 nanomètres, la réception se fait via une photodiode PIN cf. fig.11. Fig.11 : Exemple d’émetteur et récepteur pour fibre optique en plastique (Source : Hamamatsu) La prochaine arrivée des débits supérieurs à 1 Gbit/s verra l’émergence des FOT à base de VCSEL travaillant à 850 nanomètres sur les fibres en silice et de photodiodes à sensibilité améliorée. Présents également, des composants divers tels des contrôleurs d’interfaces avec le réseau, des codecs vidéo pour les caméras embarquées, des processeurs pour la protection DTCP, etc. L’intégration se fait aussi au niveau des sociétés puisque, le 4 décembre 2015, Avago Technologies est devenu propriétaires des actifs du domaine d’activité fibre optique en plastique dont les cordons optiques actifs, les convertisseurs, etc. de l’américaine Electronic Links International, Inc. Bien évidemment, le marché de la fibre optique dans l’automobile se développe pour d’autres véhicules tels les autocars et les camions cf. fig.12. Enfin, en attendant un avenir de la voiture sans conducteur, vous pourrez être informés sur les domaines audio-vidéo- Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 20 télématique-navigation-etc. lors d’événements spécialisés comme la réunion AGL All members meeting, prévue les 7 et 8 septembre à Munich, la 9eme Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède), la 19eme International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016.Bonnes découvertes et bonne route… Fig.12 : La fibre optique dans les autocars (Source : KDPOF) Pour en savoir plus… http://automotivelinux.org Pour tout savoir sur la présence de Linux dans le domaine automobile à travers Automotive Grade Linux(AGL), ensemble de solutions logicielles pour les systèmes in-vehicle infotainement (IVI) et leur prochain événement : AGL All members meeting, les 7 et 8 septembre 2016 à Munich. www.autosar.org Site d’Automotive open system architecture (AUTOSAR), groupement d’industriels œuvrant au niveau mondial pour le développement de protocoles, produits et systèmes compatibles pour l’automobile et leur prochain événement : 9e Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède). www.ieee802.org/3/bv/ Site du groupe de travail sur le projet de norme P802.3bv concernant le Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique. http://sites.ieee.org/itss/ Site de l’IEEE spécialisé dans les systèmes de transport intelligent (intelligent transport systems society – ITSS) ; infos sur le congrès19th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC 2016) qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016. https://www.jaspar.jp/english/index_e.php Site de l’association d’industriels japonais concernés par le développement des applications dans les véhicules : Japan automotive software platform and architecture (JASPAR). www.mostcooperation.com/ Pour tout savoir sur la technologie Most (media oriented systems transport), les principaux acteurs impliqués dans le développement, pour télécharger les spécifications Most. www.opensig.org/ Site de l’OPEN alliance (one-pair EtherNet alliance) qui a été créée pour le développement d’Ethernet sur paire torsadée en cuivre dans l’automobile et qui, désormais, milite pour la fibre optique en plastique. www.opensig.org/tech-committees/tc7/ Comité technique n°7 de l’OPEN alliance qui est dédié au développement du Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique dans l’automobile. www.pofto.org/home/ Site de l’association d’industriels POFTO (plastic optical fiber trade organization) entièrement dédié aux fibres optiques en plastique (FOP). Pour télécharger des documents et articles de vulgarisation et trouver des liens vers les conférences ou expositions professionnelles dédiées aux FOP.