汽車以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)探究

涂孝軍，張瑩，李曉平

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000）

前言

1 汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

1.1 典型汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

現(xiàn)今汽車普及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有CAN、FlexRay、LIN、MOST 和LVDS等。以上通訊協(xié)議主要是由汽車行業(yè)聯(lián)盟組織發(fā)起后推廣的，承載著深厚的汽車工業(yè)色彩。[1]

CAN是使用最為廣泛的汽車通訊技術(shù)，可用于各類控制指令、交互數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸帶寬可達(dá) 1Mbps。FlexRay技術(shù)帶寬可達(dá) 20Mbps，可支持多種拓?fù)湫问?，但成本相?duì)較高，主要運(yùn)用在中高端車線控系統(tǒng)，如線控轉(zhuǎn)向、線控?fù)Q擋和制動(dòng)器控制等。LIN是一種低成本汽車通用串行總線，最大傳輸速度約20kbps，適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯(cuò)功能沒有過高要求的應(yīng)用，如車門、車窗和后視鏡的控制等。MOST總線主要運(yùn)用場(chǎng)景是多媒體流數(shù)據(jù)傳輸，以MOST150為例，其最大傳輸帶寬可達(dá)150Mbps，但因?yàn)楣?yīng)鏈體系相對(duì)單一，開發(fā)成本高，主要用戶中高端車載影音系統(tǒng)。LVDS一種基于電氣數(shù)字信號(hào)的通訊技術(shù)，對(duì)線束要求較高，通常采用銅纜或雙絞線作為高速數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)，主要用于數(shù)字視頻傳輸，如全景系統(tǒng)屏幕和攝像頭間的圖像數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 汽車以太網(wǎng)技術(shù)

如圖1，2010年博通（Broadcom ）公司提出的BroadRReach技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)以單對(duì)非屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)的汽車以太網(wǎng)通訊，在提供100Mbps及更高的帶寬性能的同時(shí)可滿足汽車電磁兼容要求。此外，汽車以太網(wǎng)技術(shù)能有效降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和線纜成本，線束約可減重30%。[2]

2 汽車以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1 汽車以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟

目前推動(dòng)汽車以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的組織包括：OPEN Alliance（One-Pair Ether-Net Alliance SIG）聯(lián)盟，主要致力于汽車以太網(wǎng)推廣與使用，該聯(lián)盟通過推進(jìn) BroadRReach單對(duì)非屏蔽雙絞線以太網(wǎng)傳輸技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的完善逐步實(shí)現(xiàn)汽車以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開放系統(tǒng)的創(chuàng)建。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）電氣和電子工程師協(xié)會(huì)則根據(jù)汽車行業(yè)需求，對(duì)汽車以太網(wǎng)的物理層和上層通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其中，IEEE 802.3主要負(fù)責(zé)定義傳輸物理層的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.1則主要負(fù)責(zé)定義二層數(shù)據(jù)鏈路中的標(biāo)準(zhǔn)。[2]AVNu 聯(lián)盟關(guān)注的是汽車以太網(wǎng)上層協(xié)議，該聯(lián)盟是一個(gè)旨在創(chuàng)建了一個(gè)可互操作的生態(tài)系統(tǒng)的社區(qū)，通過認(rèn)證使用開放標(biāo)準(zhǔn)來滿足不同應(yīng)用程序的精確計(jì)時(shí)和低延遲通訊需求。AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）即汽車電子軟件標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)盟，從AUTO-SAR 4.0版本開始包含汽車以太網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容，主要為 DoIP協(xié)議，新版本中已經(jīng)支持車載 Ethernet AVB 以及SOME/IP協(xié)議。

2.2 汽車以太網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.2.1 低成本下的高帶寬

智能網(wǎng)聯(lián)汽車?yán)顺毕?，自?dòng)駕駛系統(tǒng)、智能座艙系統(tǒng)和車輛大數(shù)據(jù)采集等引發(fā)了車輛對(duì)總線帶寬需求的爆發(fā)式增長。新一代汽車需要的是擴(kuò)展性強(qiáng)、高帶寬，且易于與其他控制器或系統(tǒng)交互的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)有利于減少功耗、線束重量和成本。對(duì)于上述需求汽車以太網(wǎng)技術(shù)是一種很有優(yōu)勢(shì)的解決方案，以 BroadR-Reach 技術(shù)為例，能在夠提供100Mbps及更高的寬帶性能同時(shí)實(shí)現(xiàn)30%的線束減重、80%通信連接成本降低。

2.2.2 支持多應(yīng)用場(chǎng)景的協(xié)議鏃

典型車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持的通信協(xié)議相對(duì)單一，而車載以太網(wǎng)技術(shù)可同時(shí)提供包括 TCP/IP、AVB、SOME/IP、DOIP等多種協(xié)議鏃。[3]作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能的擴(kuò)展，AVB基于新增的精準(zhǔn)時(shí)鐘同步、流預(yù)留、隊(duì)列控制等協(xié)議，可提升傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，是極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。車載時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN，Time-Sensitive Networking）是AVB的進(jìn)一步拓展，TSN引入時(shí)間觸發(fā)式以太網(wǎng)的理念，能滿足汽車控制類數(shù)據(jù)的傳輸?shù)某蜁r(shí)延要求[4]，可用于自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)、車輛控制指令傳輸?shù)雀邔?shí)時(shí)性要求場(chǎng)景。SOME/IP（Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP）則定義了面向服務(wù)的通信傳輸方法，與傳統(tǒng)CAN/LIN等總線面向信號(hào)的通信方式有顯著的差別，是新一代面向服務(wù)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（SOA）的關(guān)鍵通訊技術(shù)。此外，1Gbit速率通信標(biāo)準(zhǔn)的高速汽車以太網(wǎng)將實(shí)現(xiàn) POE（Power Over Ether-net）功能和高效節(jié)能以太網(wǎng)（EEE，Energy-Efficient Ethernet）功能，POE功能可在雙絞線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備提供電源，省去終端外接供電，降低了線束復(fù)雜度。

觸手細(xì)膩，猶如嬰孩肌膚，跟峋四爺所想的完全一樣。他又伸出左手，兩手各出二指，環(huán)扣銅爐，旋繞一周，以測(cè)定爐體的圓潤程度。無論是觀感，還是手感，都毫無缺陷。峋四爺暗吁一口氣，最后將右手食指和中指探進(jìn)爐口內(nèi)沿，輕輕觸摸。銅爐要做舊摻假，此處是難點(diǎn)，要么是不到位，要么是過了頭，反正都會(huì)露餡。

2.2.3 無線功能

無線網(wǎng)絡(luò) WiFi技術(shù)的發(fā)展是最能體現(xiàn)以太網(wǎng)是如何適應(yīng)新需求的、發(fā)掘新潛力的事例之一。類似于BroadR-Reach，WiFi技術(shù)也有面向汽車工業(yè)領(lǐng)域的變種，即汽車無線存取技術(shù)（WAVE）；在通信規(guī)范IEEE802.11p中對(duì)WAVE進(jìn)行了詳細(xì)描述，IEEE802.11-2012中也納入了相關(guān)章節(jié)進(jìn)行定義。汽車以太網(wǎng)技術(shù)的推廣將成為WAVE普及的最佳載體，在智能交通領(lǐng)域，V2X也將為WAVE技術(shù)提供重要應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2.4 可擴(kuò)展性強(qiáng)

以太網(wǎng)的可持續(xù)更新及兼容擴(kuò)展技術(shù)，是其能在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中永葆生機(jī)關(guān)鍵因素之一。在完成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbps）、快速以太網(wǎng)（100Mbps）和千兆以太網(wǎng)（1000 Mbps）演進(jìn)和迭代后，以太網(wǎng)還在不斷的自我更新擴(kuò)展；它不但完成了持續(xù)性帶寬擴(kuò)容，還維持了對(duì)原有協(xié)議的兼容性。將以太網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到汽車領(lǐng)域，引入的是一種穩(wěn)定的高帶寬通信技術(shù)，更給汽車帶來了一種對(duì)潛在場(chǎng)景的擴(kuò)展能力。

2.3 汽車以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

2.3.1 汽車以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

作為一種新的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，汽車以太網(wǎng)在汽車的搭載普及不是一蹴而就的，它不會(huì)在短周期內(nèi)完全代替現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在進(jìn)入汽車領(lǐng)域后，車載以太網(wǎng)技術(shù)更多的是先從部分子系統(tǒng)慢慢融合，并最終推進(jìn)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)過程。如圖2，當(dāng)前可預(yù)期的車載以太網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用可歸納成如下階段[5]：

圖2 汽車以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展路線

第一階段，面向汽車診斷功能（OBD）和 ECU軟件更新的DOIP協(xié)議的推廣運(yùn)用。以ECU軟件更新為例，相對(duì)于傳統(tǒng)基于CAN的刷新（1Mbps），刷寫帶寬可提高100倍，此舉將顯著提高汽車診斷和軟件更新時(shí)效性，降低生產(chǎn)和服務(wù)成本。[6]

第二階段，面向智能座艙和智能輔助駕駛功能的推廣使用，由于BroadR-Reach技術(shù)不斷完善，產(chǎn)業(yè)氛圍的形成?；赟OME/IP、AVB等協(xié)議，車載以太網(wǎng)技術(shù)會(huì)以獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)或小范圍內(nèi)子系統(tǒng)的形式實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如使用高清以太網(wǎng)攝像頭的環(huán)視泊車系統(tǒng)，基于以太網(wǎng)傳輸?shù)亩嗥粱?dòng)的高清智能座艙系統(tǒng)等。

第三階段，上述階段更多的是聚焦于個(gè)別指定的子系統(tǒng)，基于的前兩個(gè)階段的積累，將開啟以太網(wǎng)為汽車主干網(wǎng)絡(luò)，集成動(dòng)力總成、底盤控制、車身控制、數(shù)字座艙等，形成一個(gè)跨域汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并逐步引入TSN，Giga Mbps超高速汽車以太網(wǎng)等技術(shù)。

2.3.2 基于域控制器的混合汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

汽車電子電器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)方向預(yù)示著以太網(wǎng)將替代CAN成為高速主干網(wǎng)，基于域控制器（Domain Controller）構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⒊蔀樽泳W(wǎng)系統(tǒng)。如圖3，該拓?fù)渲幸蕴W(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，將車載域控制器系統(tǒng)（車身域、底盤域、動(dòng)力域、信息娛樂域、輔助駕駛域）進(jìn)行高速互聯(lián)。域控制器除了完成專用的控制邏輯外，還將作為子網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)跨域數(shù)據(jù)交互功能。面向域控制器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖儌鹘y(tǒng)車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制器到控制器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交互方式。新架構(gòu)中，如：車身域內(nèi)部，各控制器基于CAN、LIN總線完成數(shù)據(jù)交互（類似于傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)），在信息娛樂域中，娛樂域控制器與其子部件的通信將通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；如一個(gè)域需跨與其他控制器交互信息時(shí)則需經(jīng)由車域網(wǎng)關(guān)經(jīng)以太網(wǎng)路由完成。[7]

圖3 以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的混合汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

2.3.3 汽車以太網(wǎng)帶寬擴(kuò)展

針對(duì)不同場(chǎng)景下通訊帶寬需求，汽車以太網(wǎng)在100BASET1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，目前汽車以太網(wǎng)已經(jīng)正式發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括：100Mbps汽車以太網(wǎng)IEEE802.3bw（100BASET1）、1000Mbps汽車以太網(wǎng) IEEE802.3bp（1000BASE-T1）、10Mbps汽車以太網(wǎng) IEEE802.3cg（10BASE-T1S：10Mbps Single Pair Ethernet）和Giga Mbps級(jí)汽車以太網(wǎng)IEEE802.3ch（Multi-Gig Automotive Ethernet）等。

值得注意的是與百兆汽車以太網(wǎng)和千兆快速以太網(wǎng)相比，10M汽車以太網(wǎng)采用了總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，該拓?fù)淇芍С?5m總線傳輸。10M汽車以太網(wǎng)的以上特性，可應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、超聲波雷達(dá)等大部分車輛功能系統(tǒng)。未來技術(shù)成熟后，有可能會(huì)替代現(xiàn)有的車輛CAN總線系統(tǒng)。

圖4 10M以太網(wǎng)總線式拓?fù)涫疽鈭D

3 汽車以太網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)

雖然在汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定方面有OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織積極推動(dòng)，但是各類規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的豐富和量產(chǎn)落地還需一些時(shí)日；雖然博通、恩智浦、馬威爾等車載芯片供應(yīng)商對(duì)汽車以太網(wǎng)維持著高增長的研發(fā)投入，但是相對(duì)于傳統(tǒng) CAN/LIN通訊技術(shù)，目前市場(chǎng)上其他各類配套開發(fā)、測(cè)試技術(shù)還處于初級(jí)階段。[8][9]因此，當(dāng)前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完整體系構(gòu)建、配套產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的形成是車載以太網(wǎng)推廣普及重要挑戰(zhàn)。此外，隨著汽車以太網(wǎng)的引入，全新的汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，更為豐富的應(yīng)用場(chǎng)景將給汽車帶來新的信息安全考驗(yàn)，相關(guān)應(yīng)對(duì)策略也值得汽車行業(yè)從業(yè)者進(jìn)一步思考。

4 總結(jié)

汽車智能網(wǎng)聯(lián)化大浪已經(jīng)來臨，ADAS技術(shù)的快速革新、高品質(zhì)數(shù)字座艙、OTA遠(yuǎn)程升級(jí)、5G通訊技術(shù)等的運(yùn)用推進(jìn)著車載網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的爆發(fā)式增長。擁有高帶寬的汽車以太網(wǎng)能很好的滿足上述需求，且針對(duì)未來更高性能需求，其可擴(kuò)展支持超高Giga比特帶寬，超低時(shí)延TSN時(shí)間敏感型以太網(wǎng)技術(shù)等。顯然，汽車以太網(wǎng)將成為構(gòu)建新一代汽車高速通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基石，相對(duì)于上世紀(jì)末 CAN通訊技術(shù)給汽車工業(yè)帶來的變革，它將更具革命性。當(dāng)然，汽車以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也面臨著行業(yè)配套發(fā)展剛起步、新的信息安全風(fēng)險(xiǎn)等眾多挑戰(zhàn)，讓我們一起期待汽車以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。