车载以太网——两个世界的深度拥抱 | 科普

本文作者老涂，汽车电子工程师，供职于国内某汽车技术中心，从事汽车智能网联技术研发。汽车智能化、网联化，甚至自动驾驶大浪已经来临；浪潮带来的是ADAS技术的不断革新、高品质车载娱乐影音的影音推进、以及OTA远程升级、V2X、大数据、云计算等一系列技术的发展；这推进了车载网络容量需求的爆发式发展，显然这已经超出了CAN或FlexRay等传统车载网络的历史使命。这也正是以太网与汽车深度拥抱集成的契机。车载以太网不仅具备了适应ADAS、影音娱乐、汽车网联化等所需要的带宽，而且还具备了支持未来更高性能的潜力（如自动驾驶时代所需要的更大数据传输）。它将成为实现多层面高速通信的基石，相对于20世纪90年代的控制器局域网（CAN）革命，它的规模将更大，意义将更深远。专家预测，到2020年，汽车中部署的以太网端口将达5亿个。↑ Etherent,FlexRay,MOST节点装载数量预测一、 传统汽车总线技术1、传统车载网络当前主流的车载网络主要由 CAN、LIN、FlexRay、MOST 、LVDS等构成。除了LVDS这些网络标准基本上都是面向汽车行业制定，有着浓重的汽车行业特色。表1中对各种不同网络形式对了简要的对比。表1 传统车载网络对比 CAN主要用于车上控制数据传输，是现役车载网络应用最为广泛的标准，最大传输速度为 1 Mb/s，可以说兴起于20世纪90年代的控制器局域网（CAN）革命，对于整个汽车电子行业发展的推动是巨大的。LIN 是一种低成本通用串行总线，在汽车领域主要用于车门、天窗、座椅控制等，最大传输速度为 20 kb/s。FlexRay 是继 CAN 和 LIN 之后的新一代汽车控制总线技术，同样属于共享式总线技术，带宽可达 10Mbps。FlexRay 的主要优势在于相比CAN 总线具有较高的带宽，可以满足汽车关键应用的要求，但是同样作为共享式总线技术，其成本却很高，主要适用于中高端车中的线控系统（如悬架控制、变速箱控制、制动器控制、转向控制等）。MOST主要支持的多媒体流数据传输，MOST150标准的最大带宽为150 Mb/s的，在车载多媒体数据传输应用较多，MOST150支持基于IP的应用程序，由于单一供应商的问题，基础开发成本较高。LVDS是一种电气数字信号系统，通过铜缆双绞线传输高速数据（最高可达 850 Mb/s，最长传输距离10 m），是计算机总线的一部分。在汽车领域 LVDS 主要用于屏幕和摄像头之间的数据传输。2、深度拥抱的契机如果说2013年宝马在X5仅仅是拉开了以太网进军车载系统的帷幕（图例），那么可以毫不夸张的说时至今日以太网与汽车将迎来了一次深度拥抱的契机，它们也将共同演绎一场“融合”大戏。↑ 宝马车载以太网搭载大家耳熟能详的摩尔定律告诉我们微处理器上的晶体管数目每两年就会增加一倍；这一定律似乎同样适合汽车行业，随着处理器运算能力和硬件的高速发展，使得许多创新在汽车环境下得到迅速推进，汽车电子产品在整车中所占比重也与日俱增，连接ECU的网络带宽需求也相应的增大，这一需求将远远超出CAN或FlexRay等传统车载网络的容量极限。此外，伴随着车辆网联化、智能的推进，智能手机与车载设备的联动、云和大数据的运用，以及高级驾驶辅助系统（ADAS）的普及，构筑新电子网络总线平台已经成为新一代汽车的必然任务，一直被汽车行业拒之门外的以太网不会放过这次绝佳的契机。↑ 未来智能网联汽车二、 车载以太网技术1、车载以太网相关优势低成本下的高带宽新的汽车功能，如自动泊车系统、车道偏离检测系统、盲点检测和高级信息娱乐系统等引发了对新的数据总线需求。显然未来我们需要的是更加开放、高速，且易于与其他电子系统或者设备集成的车载网络，同时有助于减少功耗，线束重量和部署成本。对于上述需求以太网似乎能提供一揽子的解决方案，以博通公司采用的突破性 BroadR-Reach 技术为例，其可用单对的非屏蔽双绞线进行信号传输，并能够提供 100Mbit/s 及更高的宽带性能，并使电缆重量减轻 30%、降低连接成本可达80%。↑ 2015年CES发布的下一代BroadR-Reach 车载以太网芯片支持不同应用的多种协议和功能传统车载网络支持的通信协议较为单一，而车载以太网可以同时支持AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多种协议或应用形式。其中，Ethernet AVB 是对传统以太网功能的扩展，通过增加精确时钟同步、带宽预留等协议增强传统以太网音视频传输的实时性，是极具发展潜力的网络音视频实时传输技术。SOME/IP(Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP)则规定了车载摄像头应用的视频通信接口要求，可应用于车载摄像头领域，并通过API实现驾驶辅助摄像头的模式控制。作为AVB协议的扩展，车载时间敏感网络(TSN,  Time-Sensitive Networking)则引入时间触发式以太网的相关技术，能高效的实现汽车控制类信息的传输。此外，1Gbit 速率通信标准的车载以太网同时还支持 POE(Power Over Ethernet)功能和高效节能以太网(EEE, Energy-Efficient Ethernet)功能，POE 功能可在双绞线传输数据的同时为连接的终端设备供电，省去了终端外接电源线，降低了供电的复杂度。适应未来的能力历史经验告诉我们，以太网之所以长期以来如此成功，主要原因之一便是以太网是一种可持续更新、发展的技术。在经历了标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)和千兆以太网(Gigabit Ethernet)推进和发展后，以太网还在继续着不断的自我迭代升级。当然在支持带宽持续增长的同时，它任然保持对原有系统的兼容性。所以说：一旦以太网技术推广至汽车行业，它带来的不仅仅是一种成熟的通信技术，更是一种对未来的适应能力。无线功能多年来，最能体现以太网是如何适应新需求的、发掘新潜力的事例之一就是当前非常流行的无线网络wifi的引入。类似于Broadcom公司的BroadR-Reach，WiFi也有专供汽车使用的变体，“汽车环境无线存取”WAVE；2010年发布的IEEE802.11p通信规范对WAVE进行了定义，后被写入IEEE802.11-2012主标准中。车载以太网的普及无疑将成为WAVE引入汽车最佳催化剂，而在智能交通时代，WAVE也将为V2X提供新的想象空间。 ↑ V2X通讯场景2、车载以太网发展趋势 ↑ 车载以太网技术发展路线以太网作为一种新型车载网络的进入汽车网络，肯定是无法一蹴而就，在短期内是无法取代现有的车载网络，因此以太网在进入汽车网络时考虑分阶段、从子系统开始逐步深入，并最终统筹汽车网络的演进过程。现今可预期的车载以太网的发展主要可分为三个阶段：第一阶段（已经有实用案例），基于DoIP标准的车载诊断系统（OBD）和ECU软件刷新。以ECU软件刷新为例，和原有的CAN（1M/S）相比，刷新时间将缩短为原来的百分之一，该应用将大大提升诊断和刷新效率，节省时间、生产及服务成本。第二阶段车载以太网在信息娱乐系统和驾驶员辅助系统的使用，伴随着BroadR-Reach技术的日益成熟和标准化的不断推进，基于AVB，SOME/IP等技术将逐步推广使用，车载以太网将以单节点或多个节点的形式进行搭载，如使用高分辨率的IP摄像头的全景泊车等驾驶辅助系统，多屏互动的高清信息娱乐系统等进入人们的视野。 ↑ 基于车载以太网技术的全景泊车第三阶段，前两个阶段专注于一个特定的应用领域，在经历的前两个阶段的积累和磨练，第三阶段将使用以太网为车载网络骨干，集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶，真正形成一个域级别的汽车网络。3、挑战虽然不乏OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR等组织在积极推动车载以太网的发展，但是各类标准的完善和落地还需一些时日；虽然Broadcom、NXP、Marvell等半导体公司对车载以太网保持着积极的研发投入，但是市场上其他各类配套开发、测试技术似乎才迈出“万里长征第一步”。因此，现阶段对于车载以太网的推进而言相关开发工具、配套测试装备的相对匮乏将成为最大的难题。此外，车载以太网的引入，将给汽车带来新的数据信息安全风险，相关应对措施也值得开发人员的思考。 ↑ 车载以太网标准化组织三、基于域控制器的混合车载网络如第二部分所述，汽车电子发展的趋势似乎表明以太网将取代CAN成为骨干网，而子网将是由若干域控制器(Domain Controller)组成的车载网络结构。如图，该车载网络以高速以太网作为骨干，将5个核心域控制器（动力总成、底盘控制、车身、娱乐、ADAS）连接在一起。各个域控制器在实现专用的控制功能的同时，还提供强大的网关功能。这种基于域控制器的架构改变传统的车载网络中ECU到ECU的点到点通信方式，如：在车身控制域内部，各部件通过CAN、LIN沟通实现数据共享（类似于传统车载网络架构），在娱乐子网中，娱乐域控制器与其子部件的通信将通过以太网实现；当一个域需要与其他域交换信息时则经由网关、以太网路由实现。 ↑ 面向域控制器的混合车载网络架构四、总结当然，这并不意味着车载以太网将策底颠覆传统的车载网络。这些传统车载网络不仅价格低廉、久经考验而且性能稳定。以太网不会完全取代所有车载网络，尤其是CAN、LIN，这两种网络在许多方面还保持着对以太网的优势。汽车电子元件多元化也意味网络模式的多元化。以太网的目标不是去颠覆原本没有问题的地方，而是填补新形势下的需求空白，让我们一起期待这一时代的到来。 特约稿件，未经授权禁止转载。详情见转载须知。