以太網(wǎng)攝像頭橋接技術(shù)在汽車EEA區(qū)域架構(gòu)中的應(yīng)用分析

【摘" 要】文章總結(jié)當(dāng)前主流的汽車智能輔助駕駛系統(tǒng)中攝像頭視頻數(shù)據(jù)的主要傳輸方式，分析點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2PP）視頻傳輸方式優(yōu)勢(shì)和不足之處，并和基于IEEE 802.3ch/cy標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)視頻傳輸方式從電子電氣架構(gòu)、芯片尺寸功耗、傳輸線纜、可擴(kuò)展性，以及基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的傳輸實(shí)時(shí)性做相應(yīng)的對(duì)比，并針對(duì)車載應(yīng)用場(chǎng)景建立模型，給出相應(yīng)的仿真結(jié)果，最后展望該協(xié)議未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及其在今后新電子電氣架構(gòu)中的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】電子電氣架構(gòu)；區(qū)域架構(gòu)；P2PP；加解串器；時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)；IEEE 802.3

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0001-05

Application Analysis of Ethernet Camera Bridge Technology in Automotive EEA

Zhu Jian

【Abstract】This paper summarizes the main transmission modes of camera video data in the current mainstream automotive intelligent driving assistance system，analyzes the advantages and disadvantages of point-to-point protocol（P2PP） video transmission mode. Compared with the Ethernet video transmission mode based on IEEE 802.3ch/cy standard from the aspects of electronic and electrical architecture，chip size power consumption，transmission cable，scalability and real-time transmission based on time-sensitive network，a model is established for vehicle application scenarios，and corresponding simulation results are given. Finally，the future development trend of this protocol and its application prospect in new electronic and electrical architectures in the future are discussed.

【Key words】electronic and electrical architecture；regional architecture；P2PP；add and unstring；time-sensitive network；IEEE 802.3

0" 引言

隨著全球智能駕駛的快速發(fā)展，尤其是視覺(jué)方案愈漸成熟，攝像頭得到了大規(guī)模的使用，未來(lái)每輛支持高級(jí)輔助駕駛的車輛都將標(biāo)配多個(gè)攝像頭，這些攝像頭安裝在車身不同的位置，通過(guò)視頻鏈路將信號(hào)傳輸給自駕計(jì)算平臺(tái)，由于分辨率高（3M+像素），視頻流數(shù)據(jù)量大，通常單路視頻流都在1.5Gb/s以上，且由于自動(dòng)駕駛對(duì)傳輸延時(shí)要求高，因此還需要考慮到圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流的視頻傳輸方案是通過(guò)加解串器（Serdes）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Serdes主要基于P2PP（Point to Point Protocol）實(shí)現(xiàn)攝像頭和域控制器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，其數(shù)據(jù)傳輸速率一般可達(dá)到6Gb/s[1]，傳輸延時(shí)低。但其存在以下問(wèn)題：①當(dāng)前主流Serdes方案都基于各芯片供應(yīng)商的私有協(xié)議，如ADI的GMSL，相互之間無(wú)法兼容；②點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸導(dǎo)致各視頻數(shù)據(jù)不能在域控制器之間直接共享；③P2PP需要Serdes芯片成對(duì)才能傳輸，成本較高；④攝像頭到域控制器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接線纜長(zhǎng)，成本高?；谏鲜鋈秉c(diǎn)，業(yè)內(nèi)也在一直尋求相應(yīng)的解決方案，如MIPI Alliance的A-PHY[2]，以及BMW主導(dǎo)的ASA協(xié)議[3]，期望統(tǒng)一P2PP的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)視頻傳輸協(xié)議之間的互相兼容。但它們依舊是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，整體系統(tǒng)成本較高。因此，行業(yè)需要一個(gè)統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。

1" 相關(guān)的工作

基于上述主流技術(shù)方案存在的缺點(diǎn)，2016年IEEE開(kāi)始起草Multi-Gig物理層協(xié)議以滿足4K攝像頭和顯示屏的傳輸要求，并于2020年發(fā)布了802.3 ch，協(xié)議可支持2.5Gb/s、5Gb/s以及10Gb/s的傳輸速率[4]，并于2023發(fā)布802.3cy，可支持高達(dá)25Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[5]，目前某些主流的芯片公司已經(jīng)能提供基于802.3ch協(xié)議解決方案[6]。本文對(duì)基于802.3ch/cy協(xié)議的以太網(wǎng)攝像頭視頻傳輸和當(dāng)前的P2PP方式做全方位的對(duì)比分析，并基于當(dāng)前智能輔助駕駛系統(tǒng)的視頻傳輸應(yīng)用場(chǎng)景做了實(shí)時(shí)性能仿真，最后對(duì)該技術(shù)在車載視頻傳輸?shù)膽?yīng)用前景作出展望。

2" 技術(shù)方案的對(duì)比

2.1" 基于Serdes的視頻傳輸

當(dāng)前汽車電子電氣架構(gòu)正從以域控制器為中心的架構(gòu)方式往中央控制器加區(qū)域控制器為中心的方式轉(zhuǎn)變[7]，其典型架構(gòu)如圖1所示，區(qū)域控制器VIU通過(guò)各區(qū)域節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)自各種傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)主干網(wǎng)將合并的傳感器/控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中央計(jì)算平臺(tái)。同樣，VIU也從中央計(jì)算系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的執(zhí)行器[8]。這種中央計(jì)算系統(tǒng)與區(qū)域控制器VIU之間的雙向通信需要一個(gè)高帶寬和低延遲的通信主干，以處理高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS、IVI、車輛控制等功能生成的大量數(shù)據(jù)。

視頻傳輸由攝像頭側(cè)數(shù)據(jù)（CSI-2）通過(guò)Serilizer（加串器）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成P2PP格式傳輸?shù)浇邮斩?，另一?cè)接收端通過(guò)Deserilizer（解串器）將信號(hào)恢復(fù)成 CSI-2格式進(jìn)入ADAS處理器，SOC對(duì)視頻流進(jìn)行處理，以及視覺(jué)感知、多傳感器融合等。

該傳輸方案有如下不足。

1）P2PP協(xié)議為各芯片廠私有協(xié)議，如當(dāng)前主流的GMSL、FPDLink、APIX，導(dǎo)致攝像頭端和控制器端Serdes芯片必須保持一致，可替換性差。

2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式導(dǎo)致視頻流不能直接在IVI和ADAS計(jì)算平臺(tái)之間共享，不利于應(yīng)用的擴(kuò)展。

3）成本方面，芯片數(shù)量多，車上各攝像頭都需直接和ADAS計(jì)算平臺(tái)相連接，線纜較長(zhǎng)，增加質(zhì)量，且影響整車布線。

隨著車載IEEE 802.3ch/cy技術(shù)成熟，部分廠家開(kāi)始考慮使用以太網(wǎng)代替Serdes來(lái)傳輸視頻，如Marvell等。本文基于用以太網(wǎng)取代Serdes方案做全方面對(duì)比，并對(duì)其實(shí)時(shí)性能做出仿真和可行性分析。

2.2" 基于以太網(wǎng)的視頻傳輸

基于以太網(wǎng)橋接的攝像頭視頻傳輸方案見(jiàn)圖2，其攝像頭和計(jì)算平臺(tái)之間的連接方式如圖3所示。

1）攝像頭數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)Bridge轉(zhuǎn)換成T1，就近連接到相應(yīng)的VIU，有效減少了線纜的長(zhǎng)度。

2）VIU內(nèi)部的Switch芯片將視頻流以及其他執(zhí)行器相關(guān)的控制信號(hào)通過(guò)10/25GBase-T1轉(zhuǎn)發(fā)到中央網(wǎng)關(guān)，其帶寬可充分滿足多路視頻數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

3）視頻流都經(jīng)過(guò)中央網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)計(jì)算平臺(tái)做下一步的處理，該方式可直接實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的共享。

考慮到視頻流延時(shí)對(duì)輔助駕駛功能的影響，整個(gè)傳輸過(guò)程視頻數(shù)據(jù)不做任何壓縮、解壓縮處理。對(duì)比可見(jiàn)，基于以太網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸方式實(shí)現(xiàn)了傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化，該架構(gòu)下，車內(nèi)高速數(shù)據(jù)的傳輸全部通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處除了由于速率不一致導(dǎo)致的物理層不一樣，其他相關(guān)的開(kāi)發(fā)皆可按照標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行，軟件、測(cè)試都可以復(fù)用，同時(shí)有效減少了線纜長(zhǎng)度。

2.3" 線纜使用對(duì)比

對(duì)于高速傳輸線纜，衡量其最重要的性能參數(shù)為線纜的插入損耗。以10Gb/s為例，標(biāo)準(zhǔn)推薦傳輸線纜主要采用STP方式，同等線纜長(zhǎng)度（10m）下，對(duì)線纜插損限值要求如下[9]：

而GMSL（以12Gb/s為例）的推薦限值如下[10]：

由于802.3ch和GMSL物理層都采用PAM-4編碼方式，所以即使按照最大數(shù)據(jù)傳輸速率，通道的帶寬（奈奎斯特頻率）也不超過(guò)3.5GHz。對(duì)比兩者在同樣頻率下，802.3ch的插損限值更低，如圖4所示，因此可以采用線徑更細(xì)、成本更低的線纜，并且由于采用以太網(wǎng)橋接方式，線纜大大縮短，性能更優(yōu)。此外，802.3ch并不排斥使用同軸電纜[11]，將來(lái)的以太網(wǎng)Bridge也可以和當(dāng)前P2PP同樣采用Coax線纜，以獲得更優(yōu)的成本。

2.4" 對(duì)遠(yuǎn)端供電方式對(duì)比

當(dāng)前Serdes基于PoC（Power over Cable，電纜供電）方式來(lái)遠(yuǎn)端供電，對(duì)于艙外攝像頭，其最大工作電流通常不超過(guò)300mA，其典型的連接如圖5所示?？紤]其對(duì)高速信號(hào)的影響，一般會(huì)由濾波電路阻止高頻信號(hào)，通常該P(yáng)oC濾波電路由3個(gè)電感組成，尺寸較大[12]。PoDL（Power over DataLink，數(shù)據(jù)線供電）電路如圖6所示。

IEEE 802.3bu定義了支持通過(guò)PoDL方式給遠(yuǎn)端設(shè)備供電[13]，其電氣規(guī)格見(jiàn)表1，它可以充分滿足車載攝像頭的供電要求，此外，802.3ch也可以采用PoC方式來(lái)給遠(yuǎn)端供電。相較于P2PP方式，其選用器件將減少，器件也會(huì)更小，可有效降低成本和占板面積[14]。

2.5" Bridge芯片尺寸以及功耗對(duì)比

Bridge芯片將來(lái)會(huì)集成到攝像頭模組中，考慮到攝像頭尺寸緊湊以及散熱限制[15]，橋接芯片尺寸和功耗都需要盡可能小，且Bridge芯片通常緊貼圖像Sensor，其溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致Sensor輸出圖像品質(zhì)降低。目前在5Gb/s情況下，實(shí)測(cè)基于802.3ch的Bridge芯片功耗lt;0.2W[11]，和當(dāng)前的加串器芯片功耗接近[1]。另外，802.3ch物理層標(biāo)準(zhǔn)為全雙工高速通信，因此其內(nèi)部設(shè)計(jì)當(dāng)前包含了回音消除和ADC/DAC電路，而攝像頭視頻的傳輸為非對(duì)稱傳輸，只有下行需要高速率，因此將來(lái)橋接芯片可以將回音消除和ADC/DAC電路移除，芯片成本和面積都將減少，這將非常有利于將橋接芯片集成到攝像頭模組中。

2.6" 實(shí)時(shí)性能仿真

本仿真模型基于OMNeT++的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE和仿真內(nèi)核，其包含的Core4INET提供了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信的仿真模型，它使用了INET框架中的以太網(wǎng)層，仿真輸入使用OMNeT++的*.ini和*.ned文件來(lái)描述車輛網(wǎng)絡(luò)，并使用特定語(yǔ)言（DSL）ANDL來(lái)建模網(wǎng)絡(luò)。

本文基于將來(lái)的EE中央+區(qū)域架構(gòu)進(jìn)行建模，如圖7所示，并采用其中TSN主要車載相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行仿真和對(duì)比。該模型以中央網(wǎng)關(guān)為中心，4個(gè)區(qū)域控制分別位于車身不同位置，相應(yīng)的傳感器和控制器就近接入4個(gè)區(qū)域控制器，相應(yīng)的傳感器信號(hào)和控制器信號(hào)分別通過(guò)區(qū)域控制器到中央網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而給到ADAS計(jì)算平臺(tái)和車身控制計(jì)算平臺(tái)，主要信號(hào)流以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置見(jiàn)表2。

主要數(shù)據(jù)流如下。

1）Camera/Radar Sensor → ADAS計(jì)算平臺(tái)。

2）控制數(shù)據(jù)包含兩部分：①ADAS → Camera/Radar，用于傳感器的配置以及診斷等；②Vehicle_ Ctrl → FL/FR/RL/RR_Ctrl，即整車對(duì)各個(gè)區(qū)域執(zhí)行器的控制。

各個(gè)視頻/數(shù)據(jù)流需根據(jù)相應(yīng)的場(chǎng)景考慮以太網(wǎng)Payload和發(fā)送時(shí)間間隔之間的平衡，且要保證每幀圖像的傳輸時(shí)間盡可能短。保障低延時(shí)，Payload不能太大，這就需要增加發(fā)送頻率，然而減少發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間間隔雖然會(huì)改善相應(yīng)的Latency，但是占用帶寬太大，這樣會(huì)導(dǎo)致其他數(shù)據(jù)流的延時(shí)增加。

本仿真中分別采用IEEE 1722、802.1AS（gPTP）、802.1Qat、802.1Qav等時(shí)間同步和流量濾波整形協(xié)議，其主要仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

從結(jié)果上看，該時(shí)延滿足TSN/AVB Gen2的Latency目標(biāo)值100μs的要求[13]，也能滿足自動(dòng)駕駛中250μs[16]的延時(shí)要求。其數(shù)據(jù)包的延遲（jitter）隨著傳輸時(shí)間的增加，最終穩(wěn)定在數(shù)十微秒以內(nèi)。為了滿足更低的延時(shí)和抖動(dòng)要求以及確定性要求，后續(xù)將在現(xiàn)有模型中引入802.1Qbv以及802.1Qch協(xié)議并考慮車內(nèi)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，引入更多非周期性的數(shù)據(jù)流做進(jìn)一步的仿真，同時(shí)將基于實(shí)際的硬件和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥鱿嚓P(guān)的測(cè)試。

除了時(shí)間同步和實(shí)時(shí)性方面，TSN還有其他相應(yīng)的協(xié)議來(lái)滿足車載網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性要求[17]，如802.1Qca、802.1CB和802.1AEcg（MACSec）等。以太網(wǎng)作為過(guò)去30年來(lái)在各行各業(yè)最為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其技術(shù)最為成熟和完善，相信其在汽車行業(yè)同樣也會(huì)大放異彩。

3" 總結(jié)

綜上，基于以太網(wǎng)橋接的攝像頭視頻傳輸方式相比于當(dāng)前的P2PP方式，從標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)成熟度以及可擴(kuò)展性和開(kāi)發(fā)工作量方面有顯著優(yōu)勢(shì)，表4羅列了當(dāng)前主流的車內(nèi)視頻傳輸技術(shù)以及主要的參數(shù)對(duì)比。雖然從單芯片成本看，和主流的Serdes芯片相比優(yōu)勢(shì)不明顯，但從系統(tǒng)總體成本上看優(yōu)勢(shì)明顯，如芯片總數(shù)量的減少、線纜長(zhǎng)度減少和質(zhì)量的減輕，以及未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)。值得一提的是，2023發(fā)布的ASA2.0協(xié)議也確定將集成基于802.3標(biāo)準(zhǔn)的PHY，并將可以無(wú)縫接入將來(lái)以以太網(wǎng)為主的Zonal架構(gòu)中。由此可見(jiàn)，以太網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)車內(nèi)統(tǒng)一通信規(guī)范的自然選擇，在未來(lái)電子電氣架構(gòu)上有廣闊的應(yīng)用前景。

4" 展望

當(dāng)前基于IEEE 802.3協(xié)議都是基于對(duì)稱傳輸?shù)姆绞?，即上行和下行的速率一樣，但?shí)際車載的應(yīng)用場(chǎng)景卻是非對(duì)稱的方式，如攝像頭和ECU之間，下行視頻數(shù)據(jù)速率高，而上行數(shù)據(jù)主要為攝像頭配置的信息，所以傳輸速率較低。對(duì)此，在2024年4月，IEEE ISAAC（Improved Support of Asymmetrical Application for MGbps Ethernert Cameras）任務(wù)研究小組針對(duì)以太網(wǎng)這種車內(nèi)的非對(duì)稱傳輸方式制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并命名為IEEE 802.3 dm，其主要協(xié)議內(nèi)容是為汽車攝像頭和其他傳感器提供一個(gè)優(yōu)化的電氣物理層，以支持汽車以太網(wǎng)的高數(shù)據(jù)速率和低延遲需求。與此同時(shí)，相關(guān)的芯片廠家和部分整車廠也已加入該組織參與該標(biāo)準(zhǔn)的制定，并提出一系列針對(duì)未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景的需求和考慮，如高通、Marvell提出了一系列優(yōu)化建議，法雷奧和通用汽車都提出將來(lái)的攝像頭Bridge的下行數(shù)據(jù)速率要達(dá)到10Gb/s以上，大陸汽車提出了統(tǒng)一化的汽車區(qū)域電子電氣架構(gòu)。相信隨著802.3dm標(biāo)準(zhǔn)的制定和成熟，該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有望在下一代整車電子電氣架構(gòu)中得到落地。

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