車載以太網(wǎng)將成下一代汽車網(wǎng)絡(luò)

汽車電氣架構(gòu)向中央集中式演進(jìn)

集中式架構(gòu)成智能駕駛主流，以太網(wǎng)在中心節(jié)點(diǎn)占據(jù)優(yōu)勢地位。電子電氣構(gòu)架的演進(jìn)為提升智能駕駛能力提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。在自動駕駛、智能座艙、電動化等趨勢的推動下，汽車所需功能增多，信息傳輸量及算力需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)分布式架構(gòu)在可拓展性與通信性能方面難以滿足產(chǎn)品需求。域/跨域集中式架構(gòu)逐漸成為智能駕駛汽車的主流，同時多個域控制器將繼續(xù)融合，從而形成中央計算單元與各個區(qū)域控制器的最終形態(tài)；疊加以太網(wǎng)及TSN滿足實(shí)時計算、高速數(shù)據(jù)傳輸、低延遲及時間同步需求，最大化滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展所需的軟件需求。車載通信中，以太網(wǎng)在中心節(jié)點(diǎn)逐漸占據(jù)了優(yōu)勢地位。

圖1：EE架構(gòu)持續(xù)向中央集中式演進(jìn)

車載以太網(wǎng)將成下一代汽車網(wǎng)絡(luò)

關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過多年發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)已形成以CAN總線為主流，多種總線技術(shù)并存的解決方案。目前車輛使用的總線技術(shù)有CAN、LIN、FlexRay、MOST、LVDS及車載以太網(wǎng)等，主要以CAN總線為主，LIN總線為輔。CAN主要用于車上控制數(shù)據(jù)的傳輸，是現(xiàn)役車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；LIN是一種低成本通用串行總線，為CAN總線提供輔助功能，主要用于汽車內(nèi)的車門、天窗、座椅控制等，CAN、LIN的成本和傳輸速率較低。FlexRay是繼CAN和LIN之后的新一代汽車控制總線技術(shù)，與CAN相比擁有更高的帶寬，但需加入標(biāo)準(zhǔn)組織、成本較高，主要適用于中高端車中的線控系統(tǒng)；MOST在車載多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用較多，但由于供應(yīng)商單一、基礎(chǔ)開發(fā)成本較高。LVDS是一種低壓差分信號技術(shù)接口，在汽車領(lǐng)域主要用于顯示屏和攝像頭之間的圖像數(shù)據(jù)信號傳輸。

圖2：主流車用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

車載以太網(wǎng)提供高帶寬和輕量化線束、性價比較高，將成為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。由于CAN總線只能實(shí)現(xiàn)半雙工通訊，且傳輸速度較低，不符合汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢下對實(shí)時高速雙向數(shù)據(jù)交互的需求。隨著近年來汽車電子化浪潮的快速發(fā)展，汽車內(nèi)部電子電氣元器件的數(shù)量和復(fù)雜度大幅提升，單車ECU數(shù)量已逐漸從20-30個發(fā)展到100多個，部分車輛線束長度已高達(dá)2.5英里，傳統(tǒng)分布式架構(gòu)已經(jīng)不能滿足汽車智能化時代的發(fā)展需求，所以車載網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向域控制和集中控制的趨勢越來越明顯，車內(nèi)通信架構(gòu)將逐漸向以太網(wǎng)升級。與傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)不同，車載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應(yīng)用所需的更高數(shù)據(jù)傳輸能力，同時其技術(shù)優(yōu)勢可以很好地滿足汽車高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲、輕量化等方面的要求，將成為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

表1：車載以太網(wǎng)與其他總線的性能對比

以太網(wǎng)不斷向更高傳輸速率進(jìn)階，逐步

滲透車載網(wǎng)絡(luò)

車載以太網(wǎng)具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和互操作性，主要使用銅雙絞線傳輸。根據(jù)EthernetAlliance在2020年的預(yù)測，2021年全球?qū)⒂谐^1億輛汽車搭載以太網(wǎng)端口，部署的全部車載以太網(wǎng)端口將多達(dá)5億個。車載以太網(wǎng)具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和互操作性，可以同時提供數(shù)據(jù)和電力傳輸，極大程度上降低車輛的成本和重量，是以太網(wǎng)近年來的主要發(fā)展趨勢之一。在傳輸介質(zhì)方面，車載以太網(wǎng)主要使用銅雙絞線，由于銅雙絞線機(jī)械強(qiáng)度好、耐候性強(qiáng)、彎曲半徑小，同時無需光電轉(zhuǎn)換設(shè)備即可直接使用，因而成為數(shù)據(jù)傳輸“最后一百米”的最優(yōu)解決方案。根據(jù)以太網(wǎng)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，目前基于銅介質(zhì)的以太網(wǎng)傳輸速率主要介于10Mbit/s至10Gbit/s之間，隨著終端形態(tài)和數(shù)據(jù)類型的不斷豐富，數(shù)據(jù)總量和傳輸要求不斷攀升到新的量級，未來基于銅介質(zhì)的以太網(wǎng)將不斷向更高傳輸速率演進(jìn)。

圖3：以太網(wǎng)應(yīng)用分類

千兆以太網(wǎng)是高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的首選。以太網(wǎng)經(jīng)歷50年的發(fā)展歷程，因具備技術(shù)成熟、高度標(biāo)準(zhǔn)化、帶寬高以及低成本等諸多優(yōu)勢，已取代其他網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今世界應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，為萬物互聯(lián)奠定基礎(chǔ)。在傳輸速率上，以太網(wǎng)具有多種速率標(biāo)準(zhǔn)，早期慣例以10倍來提升，如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbps）、快速以太網(wǎng)（100Mbps）、千兆以太網(wǎng)（1Gbps）。近年來為適應(yīng)多樣化需求，開始出現(xiàn)2.5GE、5GE、25GE、50GE等多種新速率標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮應(yīng)用場景和成本因素，目前基于雙絞線的以太網(wǎng)主流技術(shù)是基于802.3ab標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)1000BASE-T，可在超過100M的5類雙絞線上傳輸1000Mbit/s的數(shù)據(jù)流，大多數(shù)企業(yè)在組建

網(wǎng)絡(luò)時將千兆以太網(wǎng)作為首選高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖4：車載以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展路線

車載以太網(wǎng)將從智能座艙等局部應(yīng)用，逐步拓展成為車內(nèi)通信主干網(wǎng)絡(luò)。車載以太網(wǎng)是目前各類總線中傳輸速率最快的通信方案。隨著汽車智能化發(fā)展，車載以太網(wǎng)技術(shù)有望率先應(yīng)用于智能駕駛及智能座艙，并在未來實(shí)現(xiàn)對整車現(xiàn)有車內(nèi)通信技術(shù)的逐步替代。車載以太網(wǎng)的發(fā)展主要可分為三個階段。第一階段為面向車載診斷系統(tǒng)和ECU軟件刷新的DoIP協(xié)議的推廣運(yùn)用，以及使用IP攝像頭的駕駛輔助系統(tǒng)；第二階段將幾個子系統(tǒng)整合，面向車載智能座艙和智能輔助駕駛的推廣應(yīng)用，如將多媒體，駕駛輔助和診斷界面結(jié)合在一起；第三階段將使用以太網(wǎng)作為車載主干網(wǎng)絡(luò)，集成動力總成、底盤和車身控制、智能座艙等，形成一個跨域汽車網(wǎng)絡(luò)，并逐步引入TSN等新一代以太網(wǎng)技術(shù)。