以太網(wǎng)上汽車，確保實時性和故障安全性（上）

在消費類產(chǎn)品上已普及的以太網(wǎng)，在汽車領(lǐng)域也開始廣泛采用。2008年前后起用于故障自我診斷，而2013年以后，其用途將擴展到周邊監(jiān)控用攝像頭系統(tǒng)、運行輔助系統(tǒng)及影像傳輸領(lǐng)域。將來還有可能用于車載網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)。由于消費類產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，汽車世界的“開放化”似有可能加速。

　　為了將“以太網(wǎng)”用于連接汽車內(nèi)ECU和電裝品的網(wǎng)絡(luò)，即車載LAN規(guī)格，汽車行業(yè)開始扭轉(zhuǎn)航向。以太網(wǎng)已于2008年前后在故障自我診斷（OBD）用途上開始實用化。今后將在提高實時性、確保故障安全、削減成本以及提高數(shù)據(jù)傳輸速度等的同時，進一步擴大適用范圍注1）。

注1） 法規(guī)的強化等也將推動以太網(wǎng)的普及。例如，據(jù)麥瑞半導(dǎo)體日本稱，“ISO13400規(guī)定，2019年之前，汽車必須配備采用以太網(wǎng)IP的OBD功能”（）。此外，關(guān)于車載攝像頭，美國有必須要配備后攝像頭的動向等。

　　具體來說，以預(yù)定2013年上市的新車周邊監(jiān)控攝像頭系統(tǒng)中的利用為契機，2014年車載AV產(chǎn)品的影像傳輸（信息）系統(tǒng)似也將利用以太網(wǎng)。

　　2015年以后，以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍可能會擴大到將綜合了車身系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及信息系統(tǒng)等的網(wǎng)關(guān)連接起來的主干網(wǎng)絡(luò)（圖1）。甚至就控制系統(tǒng)，也“考慮在部分用途采用”（豐田）。

圖1：以太網(wǎng)普及的先兆
因可確保實時性和故障安全以及削減成本等，以太網(wǎng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用似將增加。以太網(wǎng)從2008年開始在OBD用途實現(xiàn)實用化，預(yù)計從2013年開始將用于攝像頭系統(tǒng)。2014～2015年前后用于影像傳輸系統(tǒng)，2020年之前有可能導(dǎo)入控制系統(tǒng)和主干網(wǎng)?！?/P>

端口將達2.7億

　　車載以太網(wǎng)可能會與其他已有車載LAN規(guī)格一同普及。例如，信息系統(tǒng)將與“CAN”和“MOST”，安全系統(tǒng)將與CAN和“FlexRay”共同被采用（圖2）。控制系統(tǒng)方面，制動器和姿勢控制等要求極高實時性和可靠性的用途將采用FlexRay和CAN。

　　據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化團體“IEEE802.3”下設(shè)的RTPGE（Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet） Study Group預(yù)測，汽車領(lǐng)域的以太網(wǎng)端口數(shù)將在2015年一舉激增，到2019年估計會達到2.7億（圖3）。

圖2：與其他規(guī)格共存
車載以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍雖然不斷擴大，但依用途，可能會與其他已有規(guī)格并存。例如，在安全系統(tǒng)中估計會與CAN和FlexRay共同得以采用。

圖3：2019年端口數(shù)將達2.7億
據(jù)制定1Gbit/秒車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的RTPGE Study Group預(yù)測，車載以太網(wǎng)的端口數(shù)2019年將達到2.7億。

變成開放式環(huán)境

　　因以太網(wǎng)車載用途的普及，汽車的環(huán)境將向消費類產(chǎn)品靠近。例如，可將高畫質(zhì)數(shù)字影像在多臺產(chǎn)品上利用、可利用基于移動通信的云服務(wù)等。與智能手機和平板終端的聯(lián)動也會變得容易。

　　CAN、FlexRay及MOST等以往的車載LAN規(guī)格，是汽車行業(yè)專門為本行業(yè)開發(fā)的。因此，是一種難以與外部產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)連接的“封閉環(huán)境”。隨著以太網(wǎng)的應(yīng)用，其有望變成像消費類產(chǎn)品那樣的“開放”環(huán)境。

　　實際上，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)制定的過程以及參與制定的成員企業(yè)都發(fā)生了很大的變化。比如，豐田早就以白皮書形式向行業(yè)團體提出了其正在討論的車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這是因為，僅是為與外部產(chǎn)品和服務(wù)實現(xiàn)聯(lián)動，就需要從外部廣泛收集意見。

　　這種事例在汽車行業(yè)比較少見。以往的車載LAN規(guī)格是由非常有限的企業(yè)制定和導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)后，其他汽車廠商才開始采用的。

　　而對此次的白皮書，德國寶馬、美國通用汽車（GM）及韓國現(xiàn)代汽車等世界各地的汽車廠商都表示了極大的關(guān)心，現(xiàn)已開始根據(jù)該白皮書討論標(biāo)準(zhǔn)制定。

　　參與車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的企業(yè)也不同于以往。除了以前主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)制定的歐洲企業(yè)等汽車行業(yè)的企業(yè)外，英特爾、思科系統(tǒng)及博通等美國IT企業(yè)也參與其中。有了重視開放性的美國企業(yè)參與，車載以太網(wǎng)的機制將成為一個更加開放的環(huán)境。

高速性和擴展性出色

　　以太網(wǎng)導(dǎo)入車載用途的主要原因在于其高速的通信速度及高擴展性（圖4）。如果是普通以太網(wǎng)，利用電信號可將速度提高至1Gbit/秒，利用光信號可提高至10Gbit/秒。

圖4：著眼于“快速、高擴展性”的特點
汽車行業(yè)之所以關(guān)注以太網(wǎng)，是因為其有望實現(xiàn)高速傳輸。另外，與外部的連接性以及可支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲的高擴展性也是以太網(wǎng)的特點。

　　利用多個高畫質(zhì)攝像頭的系統(tǒng)以及利用多臺顯示器觀看高清影像的后座娛樂系統(tǒng)（Rear Seat Entertainment）需要100Mbit/秒、主干網(wǎng)用途需要1Gbit/秒以上的數(shù)據(jù)傳輸速度。以太網(wǎng)即使在車載用途也可實現(xiàn)100Mbit/秒的水平。今后的目標(biāo)是，在車載用途通過電信號實現(xiàn)1Gbit/秒的速度。

　　關(guān)于另一個特點——高擴展性，支持通信產(chǎn)品和消費類產(chǎn)品常用的TCP/IP時，與外部產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的聯(lián)動將變得容易?？芍С?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/總線">總線型及星型等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲。

為解決課題積極展開行動

　　雖然對以太網(wǎng)的期待日益高漲，但車載用途在以下方面還存在課題：（1）實時性、（2）故障安全、（3）導(dǎo)入成本、（4）數(shù)據(jù)傳輸速度。其中，要想擴大車載用途，必須解決實時性和故障安全的課題。

　　消費類用途的以太網(wǎng)在盡力服務(wù)（Best Effort）型通信中對延遲時間沒有保證（圖5）。因此，如果不確保實時性，控制系統(tǒng)自不必說，信息系統(tǒng)也無法應(yīng)用。故障安全方面，如果從故障中恢復(fù)的時間“最大需要數(shù)十秒的話，就難以用于車載用途”（某汽車企業(yè)的技術(shù)人員）。

圖5：計劃確保實時性和故障安全等
要想將以太網(wǎng)用于車載用途，必須對實時性和故障安全采取對策，而且存在成本還比較高等課題。因此，各公司為解決課題各盡所能，目前已經(jīng)開始考慮用于信息系統(tǒng)。今后還設(shè)想用于控制系統(tǒng)，計劃進一步加以改善。

　　以太網(wǎng)在共7層的OSI基本參考模型中，規(guī)定下層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個層。其中，將主要通過數(shù)據(jù)鏈路層的改善，來提高實時性和確保故障安全。

　　課題的解決以思科和英特爾等2009年成立的“AVnu聯(lián)盟”（圖6）為中心推進。該團體為了除家庭以外還在汽車內(nèi)構(gòu)筑高品質(zhì)視聽環(huán)境，推進了“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”（以下簡稱Ethernet AVB）的采用。汽車行業(yè)著眼于此，就車載用途所需的實時性和故障安全展開了討論。

圖6：汽車行業(yè)參加車載以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)制定團體
汽車行業(yè)的多家企業(yè)為制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)紛紛展開了行動。其中，車載產(chǎn)品廠商哈曼、半導(dǎo)體廠商博通是AVnu聯(lián)盟和OPEN Alliance SIG兩大團體的主導(dǎo)企業(yè)。

　　Ethernet AVB的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)有“IEEE802.1AS/Qat/Qav/BA”等4個項目的規(guī)格（表1）。根據(jù)這些規(guī)格，能實現(xiàn)提前為特定用途確保通信帶寬的“帶寬預(yù)約”及時間同步，并將延遲時間控制在7跳點（hop）、2ms以下。

　　在部分車載用途中，Ethernet AVB的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達到實用水平。比如，7跳點、2ms以下的延遲時間“雖然不能一概而論，但滿足了車載攝像頭系統(tǒng)和信息系統(tǒng)用途的標(biāo)準(zhǔn)”（瑞薩電子）。

　　該公司試制了Ethernet AVB的IP內(nèi)核，將其安裝于FPGA等，進行了設(shè)想用于信息系統(tǒng)的動作演示，并確認可以正常工作（圖7）。在展示中，瑞薩電子利用IEEE802.1Qat為影像傳輸確保了帶寬，在影像傳輸過程中，即使在網(wǎng)上進行其他數(shù)據(jù)通信也能穩(wěn)定傳輸影像數(shù)據(jù)。

圖7：利用Ethernet AVB實現(xiàn)流暢的影像播放
瑞薩電子在“人與車科技展2012”上利用Ethernet AVB進行了演示。即使傳輸影像時在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與個人電腦和硬盤進行數(shù)據(jù)交換，也能順利接收影像數(shù)據(jù)進行播放。而如果是普通以太網(wǎng)的話會產(chǎn)生延遲，導(dǎo)致影像混亂。