全面分析車載以太網(wǎng)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
隨著汽車電子的日益復(fù)雜化、聯(lián)網(wǎng)化和寬帶化，車載以太網(wǎng)順應(yīng)此發(fā)展趨勢(shì)在車內(nèi)具有廣闊的發(fā)展空間。本文對(duì)車載以太網(wǎng)技術(shù)，包括其起源、定義、發(fā)展趨勢(shì)、主要技術(shù)以及其標(biāo)準(zhǔn)化的概況進(jìn)行了全面的分析和介紹。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201710/367933.htm1.引言
以太網(wǎng)作為一種局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)自1973年發(fā)明以來，已經(jīng)歷40多年的發(fā)展歷程，成為當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)主要由IEEE 802.3工作組負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化，以太網(wǎng)從最初支持10Mbit/s的吞吐量開始，經(jīng)過不斷的發(fā)展，支持快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆以太網(wǎng)（1Gbit/s）、萬兆以太網(wǎng)（10Gbit/s）及100Gbit/s。同時(shí)，為了適應(yīng)應(yīng)用的多樣化，以太網(wǎng)速率打破了以10倍為一級(jí)來提升的慣例，開始支持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。以太網(wǎng)技術(shù)不僅支持雙絞線的銅線傳輸介質(zhì)，也支持光纖傳輸。隨著城域以太網(wǎng)論壇（MEF）不斷將以太網(wǎng)技術(shù)作為交換技術(shù)和傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于城域網(wǎng)建設(shè)，以太網(wǎng)已經(jīng)不僅僅局限于局域網(wǎng)應(yīng)用，可以更廣泛地應(yīng)用到城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）的領(lǐng)域。
在進(jìn)入汽車領(lǐng)域之前，以太網(wǎng)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)還具有技術(shù)成熟、高度標(biāo)準(zhǔn)化、帶寬高以及低成本等優(yōu)勢(shì)。隨著近年來汽車電子化的快速發(fā)展，車內(nèi)電子產(chǎn)品數(shù)量逐年增加，復(fù)雜性日益提高。以太網(wǎng)所具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以很好地滿足汽車制造商對(duì)車內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求。但由于車內(nèi)電磁兼容的嚴(yán)格要求，以太網(wǎng)直到近些年才取得了技術(shù)突破從而得以應(yīng)用到汽車內(nèi)。
目前，主流的車載以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于博通公司的BroadR-Reach（BRR）技術(shù)，IEEE已經(jīng)完成對(duì)100Mbit/s車載以太網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，正在對(duì)1Gbit/s傳輸速度的車載以太網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。車載以太網(wǎng)在車內(nèi)將主要應(yīng)用在對(duì)帶寬需求較高的系統(tǒng)上（見圖1），如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車載診斷系統(tǒng)（OBD）以及車載信息娛樂系統(tǒng)等。與傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)不同，車載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應(yīng)用所需的更高數(shù)據(jù)傳輸能力，未來其將在車內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。
2.1 什么是車載以太網(wǎng)
車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)。與普通的以太網(wǎng)使用4對(duì)非屏蔽雙絞線（UTP）電纜不同，車載以太網(wǎng)在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)100Mbit/s甚至1Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)還應(yīng)滿足汽車行業(yè)對(duì)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。
車載以太網(wǎng)的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù)，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術(shù)已經(jīng)由單線對(duì)以太網(wǎng)聯(lián)盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標(biāo)準(zhǔn)化，因此有時(shí)也稱車載以太網(wǎng)為BroadR-Reach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。
車載以太網(wǎng)的MAC層采用IEEE 802.3的接口標(biāo)準(zhǔn)，無需做任何適配即可無縫支持廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP/IP）。
2.2 車載以太網(wǎng)主要技術(shù)
車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。車載以太網(wǎng)主要涉及OSI的1、2層技術(shù)，本文分別介紹車載以太網(wǎng)各主要技術(shù)。
?。?）物理層PHY
車載以太網(wǎng)使用單對(duì)非屏蔽電纜以及更小型緊湊的連接器，使用非屏蔽雙絞線時(shí)可支持15m的傳輸距離（對(duì)于屏蔽雙絞線可支持40m），這種優(yōu)化處理使車載以太網(wǎng)可滿足車載EMC要求。100M車載以太網(wǎng)的PHY采用了1G以太網(wǎng)的技術(shù)，通過使用回聲抵消在單線對(duì)上實(shí)現(xiàn)雙向通信。車載以太網(wǎng)的物理層與標(biāo)準(zhǔn)的100BASE-TX的物理層主要區(qū)別有：
●與100BASE-TX所使用的擾頻器相比，車載以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）采用了高度優(yōu)化的擾頻器，可以更好地分離信號(hào)，比100BASE-TX系的頻譜效率更高。
●車載以太網(wǎng)的信號(hào)帶寬為66.7MHz，只有100BASE-TX系統(tǒng)的一半。較低的信號(hào)帶寬可以改善回波損耗，減少串?dāng)_，并確保車載以太網(wǎng)可滿足汽車電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求。
?。?）“一對(duì)數(shù)據(jù)線供電”PoDL
以太網(wǎng)供電PoE技術(shù)是2003年推出的，可通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜提供15.4W的供電功率。在一條電纜上同時(shí)支持供電與數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)進(jìn)一步減少車上電纜的重量和成本很有意義。由于常規(guī)的PoE是為4對(duì)電纜的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的，因此專門為車載以太網(wǎng)開發(fā)了PoDL，可在一對(duì)線纜上為電子控制單元ECU的正常運(yùn)行提供12VDC或者5VDC供電電壓。
?。?）先進(jìn)電纜診斷ACD
ACD功能可以通過分析反射信號(hào)的幅度和延遲來檢測電纜的故障位置，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)連接的高度可靠性至關(guān)重要。
?。?）高能效以太網(wǎng)
當(dāng)關(guān)閉引擎時(shí)，車上電子單元并不是全部關(guān)閉，這時(shí)需要用電池供電，而電池的電量又是有限的，這種情況下可采用高效能以太網(wǎng)技術(shù)通過關(guān)閉不在用的網(wǎng)絡(luò)以降低耗電量。
（5）時(shí)間同步
車內(nèi)某些應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)不同傳感器之間的時(shí)間同步，或者在執(zhí)行某次測量時(shí)需要知道不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻，這就需要在全部參與測試的節(jié)點(diǎn)間做到同步，某些精度甚至需要達(dá)到亞微秒級(jí)別。車載以太網(wǎng)采用了IEEE 802.1AS的定時(shí)同步標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)通過IEEE 1588V2的Profile從而用一種更簡單快速地方法確定主時(shí)鐘，規(guī)定了廣義的精確時(shí)間協(xié)議（gPTP）。
?。?）時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)
車內(nèi)的許多控制要求通信延遲要在微秒級(jí)。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，只有當(dāng)現(xiàn)有的包都處理完后才會(huì)處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車內(nèi)應(yīng)用的需求。為了解決這一問題，IEEE 802.3工作組開發(fā)了一種高優(yōu)先級(jí)的快速包技術(shù)，使得快速包可插入到正在處理的包隊(duì)列中被優(yōu)先處理以保證延遲在微秒級(jí)范圍內(nèi)。
?。?）音視頻橋接AVB
為了滿足車內(nèi)音視頻應(yīng)用的低延遲和可保證的帶寬要求，可在車內(nèi)使用IEEE802工作組開發(fā)的AVB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
AVB技術(shù)提供了優(yōu)先級(jí)、流預(yù)留協(xié)議（SRP）、流量整形協(xié)議（FQTSS）等核心功能。AVB在車內(nèi)的應(yīng)用案例有唇同步多媒體播放、在線導(dǎo)航地圖等汽車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、ADAS以及診斷功能等。
IEEE同時(shí)還制定了AVB的傳輸協(xié)議，包括：
●IEEE 1722-2011：橋接局域網(wǎng)中的時(shí)間敏感應(yīng)用第二層傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為音視頻傳輸協(xié)議（AVTP）。
●IEEE 1733-2011：橋接局域網(wǎng)中的時(shí)間敏感應(yīng)用第三層傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于該協(xié)議是一個(gè)第三層協(xié)議，預(yù)計(jì)不會(huì)被汽車行業(yè)廣泛采用。
為了提升AVB的適應(yīng)性，滿足工業(yè)等更多應(yīng)用場景，IEEE AVB任務(wù)組已更名為“時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)”TSN工作組，現(xiàn)在是IEEE802.1五大任務(wù)組之一，致力于開發(fā)實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延的控制網(wǎng)絡(luò)。
2.3 車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)
車載電子變得日益復(fù)雜，越來越多的傳感器、控制器以及接口對(duì)帶寬的要求越來越高，車內(nèi)不同的計(jì)算單元和不同的域之間彼此通信的需求越來越強(qiáng)。這種復(fù)雜性直接導(dǎo)致了對(duì)車內(nèi)連線使用上的增長。在車載以太網(wǎng)進(jìn)入汽車應(yīng)用之前，車內(nèi)已有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用，包括LIN、CAN、FlexRay、MOST以及LVDS等。幾乎每個(gè)汽車電子器件都有其特定的線纜和通信要求，這必然導(dǎo)致車內(nèi)復(fù)雜的連線，車內(nèi)線束已成為繼引擎和底盤之外車內(nèi)第三大成本支出的部分，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中布置配線的人工成本占整車的50%。同時(shí)，車內(nèi)線束在重量上也是繼底盤和引擎之外占第三位的部分。降低線束重量的技術(shù)將會(huì)直接改善燃油使用的經(jīng)濟(jì)性。車載以太網(wǎng)承載在單線對(duì)非屏蔽雙絞線的傳輸介質(zhì)上，使用更小巧緊湊的連接器，將可減少高達(dá)80％的車內(nèi)連接成本和高達(dá)30％的車內(nèi)布線重量。
據(jù)全球著名的咨詢公司弗若斯特沙利文公司（Frost Sullivan）和Strategy Analysis預(yù)測，到2020年，全球?qū)⒉渴?億個(gè)車載以太網(wǎng)端口；到2022年，全球部署的全部車載以太網(wǎng)端口將超過所有其他已部署的以太網(wǎng)端口總和。Frost Sullivan還預(yù)測，到2020年，對(duì)于低端車型每輛車上將有6~40個(gè)車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，而豪華車型和混合/電動(dòng)車型上將會(huì)有50~80個(gè)車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，有40%的已售車上使用車載以太網(wǎng)；到2025年，車載以太網(wǎng)的市場滲透率將增加至80%。
截止到2016年3月底，車載以太網(wǎng)領(lǐng)域里最為重要的OPEN聯(lián)盟成員已增長到300個(gè)，包括汽車領(lǐng)域里眾多的汽車廠商、一級(jí)供應(yīng)商、芯片商、技術(shù)公司以及研究機(jī)構(gòu)等。中國車企和供應(yīng)商也在積極關(guān)注并逐漸采用OPEN聯(lián)盟的技術(shù)，在OPEN聯(lián)盟中已有一汽集團(tuán)、北汽、長城、泛亞、華晨、恒潤、航盛以及中國信息通信研究院等十幾家中國成員。全世界采用OABR技術(shù)的主流汽車制造商的數(shù)量正在增長，截止到2015年10月底，已有多個(gè)車型上采用了車載以太網(wǎng)，包括寶馬公司的X3、X4、X5、X6、i3、i8、6系以及7系、捷豹的XJ和XF、以及大眾的帕薩特等。
3.車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化
在車載以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化方面，如下4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織或聯(lián)盟起到了主要的推動(dòng)作用，它們是IEEE 802.3和IEEE802.1工作組、汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟AUTOSAR、OPEN聯(lián)盟以及AVnu聯(lián)盟，標(biāo)準(zhǔn)化情況匯總見圖3。
3.1 IEEE
IEEE 802.3制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)代表了業(yè)界主流的以太網(wǎng)技術(shù)，車載以太網(wǎng)技術(shù)是在IEEE802.3基礎(chǔ)上開發(fā)研制的，因此IEEE是目前最為重要的車載以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。為了滿足車內(nèi)的要求，涉及到IEEE 802.3和802.1兩個(gè)工作組內(nèi)的多個(gè)新規(guī)范的制定和原有規(guī)范的修訂，包括PHY規(guī)范、AVB規(guī)范、單線對(duì)數(shù)據(jù)線供電等。
另外，AVB中有關(guān)AV的傳輸、定時(shí)同步等規(guī)范還需IEEE的其他技術(shù)委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)化，如IEEE1722、IEEE1588等。
3.2 OPEN
OPEN聯(lián)盟于2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及寶馬（BMW）公司發(fā)起成立的開放產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在推動(dòng)將基于以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。相關(guān)單位可通過簽署OPEN聯(lián)盟的規(guī)范允可協(xié)議成為其成員，參與其相關(guān)規(guī)范的制定活動(dòng)。
OPEN的主要標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)有：
●制定100Mbit/s BroadR-R的物理層標(biāo)準(zhǔn)并將其推廣成為開放的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
●在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織中鼓勵(lì)和支持開發(fā)更高速的物理層技術(shù)規(guī)范。
●制定OPEN的互通性要求，選擇第三方執(zhí)行互操作性測試。
●發(fā)現(xiàn)車載以太網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化缺口。
OPEN聯(lián)盟與IEEE802形成緊密的標(biāo)準(zhǔn)化合作。
3.3 AUTOSAR
AUTOSAR是由汽車制造商、供應(yīng)商以及工具開發(fā)商發(fā)起的聯(lián)盟，旨在制定一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的車用軟件架構(gòu)。AUTOSAR的規(guī)范包括車用TCP/UDP/IP協(xié)議棧。AUTOSAR獲得了汽車產(chǎn)業(yè)的普遍認(rèn)可，各制造商將放棄私有標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)轉(zhuǎn)而在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)上展開競爭，實(shí)現(xiàn)AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)可使多個(gè)設(shè)備無縫的運(yùn)行在同一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)上。
3.4 AVnu
AVnu聯(lián)盟是由博通聯(lián)合思科、哈曼和英特爾成立，致力于推廣IEEE 802.1的AVB標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)，建立認(rèn)證體系，并解決諸如精確定時(shí)、實(shí)時(shí)同步、帶寬預(yù)留以及流量整形等重要的技術(shù)和性能問題。
目前，AVnu已發(fā)布其車載以太網(wǎng)AVB的認(rèn)證測試規(guī)范，并已認(rèn)證了多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。
需要補(bǔ)充的是，AVnu的技術(shù)不僅僅可應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，也可應(yīng)用于專業(yè)A/V、工業(yè)以及消費(fèi)類電子領(lǐng)域。
4.結(jié)束語
隨著汽車日益智能化和聯(lián)網(wǎng)化，汽車電子也將更為復(fù)雜化，其對(duì)帶寬的需求也日益增強(qiáng)。車載以太網(wǎng)基于目前已經(jīng)非常成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，可以很好地滿足汽車電子的新需求并為其提供可靠、成熟、低價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，未來在車內(nèi)具有廣闊的發(fā)展空間。由于篇幅所限，本篇涉及到一些技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容未能過多展開。
評(píng)論