導讀：隨著半導體技術和智能化技術的發展演進，越來越多的新技術在汽車領域得到了推廣，汽車電器成本在整車成本中所占比重也在不斷增長，實現車載控制器間數據交互的網絡帶寬也日益增長，CAN、FlexRay 等傳統汽車網絡帶寬極限很難滿足新一代汽車的發展需求。此外，伴隨著車輛網聯化、智能化的推進，云和大數據的運用，以及自動駕駛技術的發展，基于新的汽車網絡技術，構筑新的汽車網絡架構已經成為開發新一代高性能、高可靠性汽車的必然基礎。
1 汽車網絡技術發展
1.1 典型汽車網絡技術
現今汽車普及的網絡技術主要有 CAN、FlexRay、LIN、MOST 和 LVDS 等。以上通訊協議主要是由汽車行業聯盟組織發起后推廣的，承載著深厚的汽車工業色彩。
CAN 是使用最為廣泛的汽車通訊技術，可用于各類控制指令、交互數據的傳輸，傳輸帶寬可達 1Mbps。FlexRay 技術帶寬可達 20Mbps，可支持多種拓撲形式，但成本相對較高，主要運用在中高端車線控系統，如線控轉向、線控換擋和制動器控制等。LIN 是一種低成本汽車通用串行總線，最大傳輸速度約 20kbps，適用于對網絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用，如車門、車窗和后視鏡的控制等。MOST 總線主要運用場景是多媒體流數據傳輸，以 MOST150 為例，其最大傳輸帶寬可達 150Mbps，但因為供應鏈體系相對單一，開發成本高，主要用戶中高端車載影音系統。LVDS 一種基于電氣數字信號的通訊技術，對線束要求較高，通常采用銅纜或雙絞線作為高速數據的傳輸介質，主要用于數字視頻傳輸，如全景系統屏幕和攝像頭間的圖像數據傳輸。
1.2 汽車以太網技術
如圖 1，2010 年博通（Broadcom）公司提出的 BroadR- Reach 技術。該技術可實現以單對非屏蔽雙絞線為傳輸介質的汽車以太網通訊，在提供 100Mbps 及更高的帶寬性能的同時可滿足汽車電磁兼容要求。此外，汽車以太網技術能有效降低網絡復雜性和線纜成本，線束約可減重 30%。
圖 1 BroadR-Reach 技術示意圖
2 汽車以太網技術現狀分析
2.1 汽車以太網技術聯盟
目前推動汽車以太網技術應用與發展的組織包括：OPEN Alliance（One-Pair Ether-Net Alliance SIG）聯盟，主要致力于汽車以太網推廣與使用，該聯盟通過推進 BroadR- Reach 單對非屏蔽雙絞線以太網傳輸技術的標準化和汽車以太網標準的完善逐步實現汽車以太網技術標準的開放系統的創建。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers） 電氣和電子工程師協會則根據汽車行業需求，對汽車以太網的物理層和上層通信協議進行標準化，其中，IEEE 802.3 主要負責定義傳輸物理層的標準，IEEE 802.1 則主要負責定義二層數據鏈路中的標準。AVNu 聯盟關注的是汽車以太網上層協議，該聯盟是一個旨在創建了一個可互操作的生態系統的社區，通過認證使用開放標準來滿足不同應用程序的精確計時和低延遲通訊需求。AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）即汽車電子軟件標準的聯盟，從 AUTO-SAR 4.0 版本開始包含汽車以太網相關內容，主要為 DoIP 協議，新版本中已經支持車載 Ethernet AVB 以及 SOME/IP 協議。
2.2 汽車以太網技術優勢
2.2.1 低成本下的高帶寬
智能網聯汽車浪潮下，自動駕駛系統、智能座艙系統和車輛大數據采集等引發了車輛對總線帶寬需求的爆發式增長。新一代汽車需要的是擴展性強、高帶寬，且易于與其他控制器或系統交互的車載網絡技術，同時有利于減少功耗、線束重量和成本。對于上述需求汽車以太網技術是一種很有優勢的解決方案，以 BroadR-Reach 技術為例，能在夠提供100Mbps 及更高的寬帶性能同時實現 30%的線束減重、80% 通信連接成本降低。
2.2.2 支持多應用場景的協議鏃
典型車載網絡技術支持的通信協議相對單一，而車載以太網技術可同時提供包括 TCP/IP、AVB、SOME/IP、DOIP 等多種協議鏃。作為傳統以太網功能的擴展，AVB 基于新增的精準時鐘同步、流預留、隊列控制等協議，可提升傳統以太網音視頻傳輸的實時性，是極具發展潛力的網絡音視頻實時傳輸技術。車載時間敏感網絡（TSN，Time-Sensitive Networking）是 AVB 的進一步拓展，TSN 引入時間觸發式以太網的理念，能滿足汽車控制類數據的傳輸的超低時延要求，可用于自動駕駛數據、車輛控制指令傳輸等高實時性要求場景。SOME/IP（Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP）則定義了面向服務的通信傳輸方法，與傳統 CAN/LIN 等總線面向信號的通信方式有顯著的差別，是新一代面向服務汽車網絡架構（SOA）的關鍵通訊技術。此外，1Gbit 速率通信標準的高速汽車以太網將實現 POE（Power Over Ether-net）功能和高效節能以太網（EEE，Energy-Efficient Ethernet）功能，POE 功能可在雙絞線發送數據的同時為網絡的終端設備提供電源，省去終端外接供電，降低了線束復雜度。
2.2.3 無線功能
無線網絡 WiFi 技術的發展是最能體現以太網是如何適應新需求的、發掘新潛力的事例之一。類似于 BroadR-Reach， WiFi 技術也有面向汽車工業領域的變種，即汽車無線存取技術（WAVE）；在通信規范 IEEE802.11p 中對 WAVE 進行了詳細描述，IEEE802.11-2012 中也納入了相關章節進行定義。汽車以太網技術的推廣將成為 WAVE 普及的最佳載體，在智能交通領域，V2X 也將為 WAVE 技術提供重要應用場景。
2.2.4 可擴展性強
以太網的可持續更新及兼容擴展技術，是其能在互聯網技術的發展中永葆生機關鍵因素之一。在完成標準以太網（10Mbps）、快速以太網（100Mbps）和千兆以太網（1000 Mbps）演進和迭代后，以太網還在不斷的自我更新擴展；它不但完成了持續性帶寬擴容，還維持了對原有協議的兼容性。將以太網技術運用到汽車領域，引入的是一種穩定的高帶寬通信技術，更給汽車帶來了一種對潛在場景的擴展能力。
2.3 汽車以太網的發展趨勢
2.3.1 汽車以太網技術的應用
作為一種新的汽車網絡技術，汽車以太網在汽車的搭載普及不是一蹴而就的，它不會在短周期內完全代替現有車載網絡技術。在進入汽車領域后，車載以太網技術更多的是先從部分子系統慢慢融合，并最終推進汽車網絡架構的演進過程。如圖 2，當前可預期的車載以太網技術的運用可歸納成如下階段：
圖 2 汽車以太網技術應用發展路線
第一階段，面向汽車診斷功能（OBD）和 ECU 軟件更新的 DOIP 協議的推廣運用。以 ECU 軟件更新為例，相對于傳統基于 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效性，降低生產和服務成本。
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 技術不斷完善，產業氛圍的形成。基于 SOME/IP、AVB 等協議，車載以太網技術會以獨立的節點或小范圍內子系統的形式實現量產，如使用高清以太網攝像頭的環視泊車系統，基于以太網傳輸的多屏互動的高清智能座艙系統等。
第三階段，上述階段更多的是聚焦于個別指定的子系統， 基于的前兩個階段的積累，將開啟以太網為汽車主干網絡， 集成動力總成、底盤控制、車身控制、數字座艙等，形成一個跨域汽車以太網網絡，并逐步引入 TSN，Giga Mbps 超高速汽車以太網等技術。
2.3.2 基于域控制器的混合汽車網絡拓撲
汽車電子電器網絡架構演進方向預示著以太網將替代CAN 成為高速主干網，基于域控制器（Domain Controller） 構建的網絡拓撲將成為子網系統。如圖 3，該拓撲中以太網為主干網絡，將車載域控制器系統（車身域、底盤域、動力域、信息娛樂域、輔助駕駛域）進行高速互聯。域控制器除了完成專用的控制邏輯外，還將作為子網關實現跨域數據交互功能。面向域控制器的網絡拓撲改變傳統車輛網絡架構中控制器到控制器的點對點交互方式。新架構中，如：車身域內部，各控制器基于 CAN、LIN 總線完成數據交互（類似于傳統汽車網絡架構），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實現；如一個域需跨與其他控制器交互信息時則需經由車域網關經以太網路由完成。
圖 3 以太網為主干網的混合汽車網絡拓撲示意
2.3.3 汽車以太網帶寬擴展
針對不同場景下通訊帶寬需求，汽車以太網在100BASE- T1 的基礎上進行了擴展，目前汽車以太網已經正式發布的技術標準包括：100Mbps 汽車以太網 IEEE802.3bw（100BASE- T1）、1000Mbps 汽車以太網 IEEE802.3bp（1000BASE-T1）、 10Mbps 汽車以太網 IEEE802.3cg（10BASE-T1S：10Mbps Single Pair Ethernet）和 Giga Mbps 級汽車以太網 IEEE802.3ch（Multi-Gig Automotive Ethernet）等。
值得注意的是與百兆汽車以太網和千兆快速以太網相比，10M 汽車以太網采用了總線型的拓撲結構，如圖 4 所示， 該拓撲可支持 25m 總線傳輸。10M 汽車以太網的以上特性，可應用于動力系統、底盤系統、車身系統、音頻系統、超聲波雷達等大部分車輛功能系統。未來技術成熟后，有可能會替代現有的車輛 CAN 總線系統。
圖 4 10M 以太網總線式拓撲示意圖
3 汽車以太網技術的挑戰
雖然在汽車以太網標準制定方面有 OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR 等組織積極推動，但是各類規范、標準的豐富和量產落地還需一些時日；雖然博通、恩智浦、馬威爾等車載芯片供應商對汽車以太網維持著高增長的研發投入，但是相對于傳統 CAN/LIN 通訊技術，目前市場上其他各類配套開發、測試技術還處于初級階段。[8][9]因此，當前技術標準的完整體系構建、配套產業供應鏈的形成是車載以太網推廣普及重要挑戰。此外，隨著汽車以太網的引入，全新的汽車網絡拓撲，更為豐富的應用場景將給汽車帶來新的信息安全考驗，相關應對策略也值得汽車行業從業者進一步思考。
4 總結
汽車智能網聯化大浪已經來臨，ADAS 技術的快速革新、高品質數字座艙、OTA 遠程升級、5G 通訊技術等的運用推進著車載網絡帶寬需求的爆發式增長。擁有高帶寬的汽車以太網能很好的滿足上述需求，且針對未來更高性能需求，其可擴展支持超高 Giga 比特帶寬，超低時延 TSN 時間敏感型以太網技術等。顯然，汽車以太網將成為構建新一代汽車高速通信網絡架構的基石，相對于上世紀末 CAN 通訊技術給汽車工業帶來的變革，它將更具革命性。當然，汽車以太網技術的發展也面臨著行業配套發展剛起步、新的信息安全風險等眾多挑戰，讓我們一起期待汽車以太網技術的發展。
參考文獻
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來源：智能汽車開發者平臺 本文由涂孝軍，張瑩，李曉平聯合創作
