車載以太網(wǎng)技術(shù)及標準化

李　巍　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師張麗靜　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師王燕芳　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

網(wǎng)絡技術(shù)——車聯(lián)網(wǎng)專題

車載以太網(wǎng)技術(shù)及標準化

李巍中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師
張麗靜中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
王燕芳中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

隨著汽車電子的日益復雜化、聯(lián)網(wǎng)化和寬帶化，車載以太網(wǎng)順應此發(fā)展趨勢在車內(nèi)具有廣闊的發(fā)展空間。本文對車載以太網(wǎng)技術(shù)，包括其起源、定義、發(fā)展趨勢、主要技術(shù)以及其標準化的概況進行了全面的分析和介紹。

車載以太網(wǎng)；AUTOSAR；AVB；AVnu；BroadR-Reach；IEEE；OPEN；PHY

1　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，成為當前應用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)主要由IEEE802.3工作組負責標準化，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，為了適應應用的多樣化，以太網(wǎng)速率打破了以10倍為一級來提升的慣例，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)廣泛應用于城域網(wǎng)建設，以太網(wǎng)已經(jīng)不僅僅局限于局域網(wǎng)應用，可以更廣泛地應用到城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）的領(lǐng)域。

在進入汽車領(lǐng)域之前，以太網(wǎng)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，同時還具有技術(shù)成熟、高度標準化、帶寬高以及低成本等優(yōu)勢。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，復雜性日益提高。以太網(wǎng)所具有的技術(shù)優(yōu)勢可以很好地滿足汽車制造商對車內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)絡的需求。但由于車內(nèi)電磁兼容的嚴格要求，以太網(wǎng)直到近些年才取得了技術(shù)突破從而得以應用到汽車內(nèi)。

目前，主流的車載以太網(wǎng)的技術(shù)標準是基于博通公司的BroadR-Reach（BRR）技術(shù)，IEEE已經(jīng)完成對100Mbit/s車載以太網(wǎng)技術(shù)的標準化，正在對1Gbit/s傳輸速度的車載以太網(wǎng)進行標準化。車載以太網(wǎng)在車內(nèi)將主要應用在對帶寬需求較高的系統(tǒng)上（見圖1），如高級駕駛輔助系統(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)絡不同，車載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應用所需的更高數(shù)據(jù)傳輸能力，未來其將在車內(nèi)具有廣泛的應用前景。

圖1　車載以太網(wǎng)在車內(nèi)的主要應用示意圖

2　車載以太網(wǎng)技術(shù)

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對非屏蔽雙絞線（UTP）電纜不同，車載以太網(wǎng)在單對非屏蔽雙絞線上可實現(xiàn)100Mbit/s甚至1Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時還應滿足汽車行業(yè)對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。

車載以太網(wǎng)的物理層采用了博通公司的BroadRReach技術(shù)，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術(shù)已經(jīng)由單線對以太網(wǎng)聯(lián)盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標準化，因此有時也稱車載以太網(wǎng)為BroadRReach（BRR）或OABR（OpenAllianceBroadR-Reach）。

車載以太網(wǎng)的MAC層采用IEEE802.3的接口標準，無需做任何適配即可無縫支持廣泛使用的高層網(wǎng)絡協(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)。

（1）物理層PHY

車載以太網(wǎng)使用單對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可支持15m的傳輸距離（對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上實現(xiàn)雙向通信。車載以太網(wǎng)的物理層與標準的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，比100BASE-TX系的頻譜效率更高。

●車載以太網(wǎng)的信號帶寬為66.7MHz，只有100BASE-TX系統(tǒng)的一半。較低的信號帶寬可以改善回波損耗，減少串擾，并確保車載以太網(wǎng)可滿足汽車電磁輻射標準要求。

（2）“一對數(shù)據(jù)線供電”PoDL

以太網(wǎng)供電PoE技術(shù)是2003年推出的，可通過標準的以太網(wǎng)線纜提供15.4W的供電功率。在一條電纜上同時支持供電與數(shù)據(jù)傳輸，對進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對電纜的以太網(wǎng)設計的，因此專門為車載以太網(wǎng)開發(fā)了PoDL，可在一對線纜上為電子控制單元ECU的正常運行提供12VDC或者5VDC供電電壓。

圖2　車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)圖

（3）先進電纜診斷ACD

ACD功能可以通過分析反射信號的幅度和延遲來檢測電纜的故障位置，這對于實現(xiàn)車載以太網(wǎng)連接的高度可靠性至關(guān)重要。

（4）高能效以太網(wǎng)

當關(guān)閉引擎時，車上電子單元并不是全部關(guān)閉，這時需要用電池供電，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)絡以降低耗電量。

（5）時間同步

車內(nèi)某些應用需要實現(xiàn)不同傳感器之間的時間同步，或者在執(zhí)行某次測量時需要知道不同節(jié)點的時刻，這就需要在全部參與測試的節(jié)點間做到同步，某些精度甚至需要達到亞微秒級別。車載以太網(wǎng)采用了IEEE 802.1AS的定時同步標準，該標準通過IEEE 1588v2的Profile從而用一種更簡單快速的方法確定主時鐘，規(guī)定了廣義的精確時間協(xié)議（gPTP）。

（6）時間觸發(fā)以太網(wǎng)

車內(nèi)的許多控制要求通信延遲要在微秒級。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，只有當現(xiàn)有的包都處理完后才會處理新到的包，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)應用的需求。為了解決這一問題，IEEE802.3工作組開發(fā)了一種高優(yōu)先級的快速包技術(shù)，使得快速包可插入到正在處理的包隊列中被優(yōu)先處理以保證延遲在微秒級范圍內(nèi)。

（7）音視頻橋接AVB

為了滿足車內(nèi)音視頻應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)標準。

AVB技術(shù)提供了優(yōu)先級、流預留協(xié)議（SRP）、流量整形協(xié)議（FQTSS）等核心功能。AVB在車內(nèi)的應用案例有唇同步多媒體播放、在線導航地圖等汽車聯(lián)網(wǎng)應用、ADAS以及診斷功能等。

IEEE同時還制定了AVB的傳輸協(xié)議，包括：

●IEEE1722-2011：橋接局域網(wǎng)中的時間敏感應用第二層傳輸協(xié)議標準，也被稱為音視頻傳輸協(xié)議（AVTP）。

●IEEE1733-2011：橋接局域網(wǎng)中的時間敏感應用第三層傳輸協(xié)議標準。由于該協(xié)議是一個第三層協(xié)議，預計不會被汽車行業(yè)廣泛采用。

為了提升AVB的適應性，滿足工業(yè)等更多應用場景，IEEEAVB任務組已更名為“時間敏感性網(wǎng)絡”TSN工作組，現(xiàn)在是IEEE802.1五大任務組之一，致力于開發(fā)實現(xiàn)超低時延的控制網(wǎng)絡。

2.3車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢

車載電子變得日益復雜，越來越多的傳感器、控制器以及接口對帶寬的要求越來越高，車內(nèi)不同的計算單元和不同的域之間彼此通信的需求越來越強。這種復雜性直接導致了對車內(nèi)連線使用上的增長。在車載以太網(wǎng)進入汽車應用之前，車內(nèi)已有多種不同的標準技術(shù)在應用，包括LIN、CAN、FlexRay、MOST以及LVDS等。幾乎每個汽車電子器件都有其特定的線纜和通信要求，這必然導致車內(nèi)復雜的連線，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，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)將會直接改善燃油使用的經(jīng)濟性。車載以太網(wǎng)承載在單線對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80%的車內(nèi)連接成本和高達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預測，到2020年，全球?qū)⒉渴?億個車載以太網(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還預測，到2020年，對于低端車型每輛車上將有6～40個車載以太網(wǎng)節(jié)點，而豪華車型和混合/電動車型上將會有50～80個車載以太網(wǎng)節(jié)點，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，包括汽車領(lǐng)域里眾多的汽車廠商、一級供應商、芯片商、技術(shù)公司以及研究機構(gòu)等。中國車企和供應商也在積極關(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、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)標準化

在車載以太網(wǎng)的標準化方面，如下4個標準化組織或聯(lián)盟起到了主要的推動作用，它們是IEEE802.3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，標準化情況匯總見圖3。

3.1IEEE

IEEE802.3制定的局域網(wǎng)標準代表了業(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)國際標準化機構(gòu)。為了滿足車內(nèi)的要求，涉及到IEEE 802.3和802.1兩個工作組內(nèi)的多個新規(guī)范的制定和原有規(guī)范的修訂，包括PHY規(guī)范、AVB規(guī)范、單線對數(shù)據(jù)線供電等。

另外，AVB中有關(guān)AV的傳輸、定時同步等規(guī)范還需IEEE的其他技術(shù)委員會的標準化，如IEEE1722、IEEE1588等。

3.2OPEN

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，旨在推動將基于以太網(wǎng)的技術(shù)標準應用于車內(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。

OPEN的主要標準化目標有：

●制定100Mbit/sBroadR-R的物理層標準并將其推廣成為開放的產(chǎn)業(yè)標準。

●在相關(guān)標準化組織中鼓勵和支持開發(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?！癜l(fā)現(xiàn)車載以太網(wǎng)在實現(xiàn)過程中的標準化缺口。OPEN聯(lián)盟與IEEE802形成緊密的標準化合作。

3.3AUTOSAR

AUTOSAR是由汽車制造商、供應商以及工具開發(fā)商發(fā)起的聯(lián)盟，旨在制定一個開放的、標準化的車用軟件架構(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)的普遍認可，各制造商將放棄私有標準的開發(fā)轉(zhuǎn)而在標準實現(xiàn)上展開競爭，實現(xiàn)AUTOSAR的標準可使多個設備無縫的運行在同一個共享網(wǎng)絡上。

圖3　車載以太網(wǎng)標準化現(xiàn)狀

3.4AVnu

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IEEE802.1的AVB標準和時間同步網(wǎng)絡（TSN）標準，建立認證體系，并解決諸如精確定時、實時同步、帶寬預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的認證測試規(guī)范，并已認證了多個型號的產(chǎn)品。

需要補充的是，AVnu的技術(shù)不僅僅可應用于汽車領(lǐng)域，也可應用于專業(yè)A/V、工業(yè)以及消費類電子領(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雜化，其對帶寬的需求也日益增強。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、低價和標準化的解決方案，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)和標準化內(nèi)容未能過多展開。

［1］2015年以太網(wǎng)速率將多樣化.http://news.cnw.com.cn/ news-international/htm2015/20150112_317686.shtml.

［2］Ixiaautomotive ethernet solution brief_v1.

［3］KOZIEROK，CORREA，BOATRIGHT，QUESNELLE，Automotive Ethernet:The Definitive Guide，Copyright? 2014 Intrepid Control Systems.

［4］BroadR-Reach以太網(wǎng)的性能優(yōu)勢.http://www.elecfans. com/qichedianzi/320418_2.html.

［5］http://www.ieee802.org/3/cfi/0314_2/CFI_02_0314.pdf.

［6］Automotive Ethernet Hits the Road in Wide Range of New Vehicles，http://www.opensig.org/news/.

［7］http://www.opensig.org/about/specifications/.

［8］http://avnu.org/specifications/.

［9］Spirent Automotive AVB Datasheet-Ver1.

Technology and standardization for automotive ethernet

LI Wei，ZHANG Lijing，WANG Yanfang

Following more complexity， networking and broader bandwidth of automotive electronics， automotive ethernet will have a wide development space in car. This article is a survey of automotive ethernet， including its beginning， definition，development trend， key technologies， and standardization status.

automotive ethernet；AUTOSAR；AVB；AVnu；BroadR-Reach； IEEE；OPEN；PHY

2016-5-10）