汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀分析

前言 ? ?

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)，越來(lái)越多的新技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域得到了推廣，汽車(chē)電器成本在整車(chē)成本中所占比重也在不斷增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載控制器間數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)絡(luò)帶寬也日益增長(zhǎng)，CAN、FlexRay 等傳統(tǒng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)帶寬極限很難滿(mǎn)足新一代汽車(chē)的發(fā)展需求。此外，伴隨著車(chē)輛網(wǎng)聯(lián)化、智能化的推進(jìn)，云和大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，基于新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)筑新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)新一代高性能、高可靠性汽車(chē)的必然基礎(chǔ)。 ?

1 汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展 ?

1.1? ?典型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ?

現(xiàn)今汽車(chē)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(chē)行業(yè)聯(lián)盟組織發(fā)起后推廣的，承載著深厚的汽車(chē)工業(yè)色彩。 ?

CAN 是使用最為廣泛的汽車(chē)通訊技術(shù)，可用于各類(lèi)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)湫问剑杀鞠鄬?duì)較高，主要運(yùn)用在中高端車(chē)線(xiàn)控系統(tǒng)，如線(xiàn)控轉(zhuǎn)向、線(xiàn)控?fù)Q擋和制動(dòng)器控制等。

LIN 是一種低成本汽車(chē)通用串行總線(xiàn)，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(méi)有過(guò)高要求的應(yīng)用，如車(chē)門(mén)、車(chē)窗和后視鏡的控制等。MOST 總線(xiàn)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(kāi)發(fā)成本高，主要用戶(hù)中高端車(chē)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(xiàn)束要求較高，通常采用銅纜或雙絞線(xiàn)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(chē)以太網(wǎng)技術(shù) ?

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



圖 1 BroadR-Reach 技術(shù)示意圖 ?

2 汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀分析 ?

2.1 ??汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟 ?

目前推動(dòng)汽車(chē)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(chē)以太網(wǎng)推廣與使用，該聯(lián)盟通過(guò)推進(jìn) BroadR- Reach 單對(duì)非屏蔽雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和汽車(chē)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的完善逐步實(shí)現(xiàn)汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)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(chē)行業(yè)需求，對(duì)汽車(chē)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)。

AVNu 聯(lián)盟關(guān)注的是汽車(chē)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(guò)認(rèn)證使用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿(mǎn)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(chē)電子軟件標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)盟，從 AUTO-SAR 4.0 版本開(kāi)始包含汽車(chē)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(chē)載 Ethernet AVB 以及 SOME/IP 協(xié)議。 ?

2.2 ??汽車(chē)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(chē)?yán)顺毕?，自?dòng)駕駛系統(tǒng)、智能座艙系統(tǒng)和車(chē)輛大數(shù)據(jù)采集等引發(fā)了車(chē)輛對(duì)總線(xiàn)帶寬需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)。新一代汽車(chē)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(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)有利于減少功耗、線(xiàn)束重量和成本。對(duì)于上述需求汽車(chē)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(xiàn)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(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持的通信協(xié)議相對(duì)單一，而車(chē)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。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(chē)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(mǎn)足汽車(chē)控制類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)某蜁r(shí)延要求，可用于自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)、車(chē)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)束復(fù)雜度。 ?

2.2.3? ?無(wú)線(xiàn)功能 ?

無(wú)線(xiàn)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(lèi)似于 BroadR-Reach， WiFi 技術(shù)也有面向汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的變種，即汽車(chē)無(wú)線(xiàn)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(chē)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(chē)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(chē)帶來(lái)了一種對(duì)潛在場(chǎng)景的擴(kuò)展能力。 ?

2.3? ?汽車(chē)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì) ?

2.3.1? ?汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用 ?

作為一種新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，汽車(chē)以太網(wǎng)在汽車(chē)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(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域后，車(chē)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(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)過(guò)程。如圖 2，當(dāng)前可預(yù)期的車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用可歸納成如下階段： ?



圖 2 汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展路線(xiàn) ?

第一階段，面向汽車(chē)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(xiě)帶寬可提高 100 倍，此舉將顯著提高汽車(chē)診斷和軟件更新時(shí)效性，降低生產(chǎn)和服務(wù)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(shù)不斷完善，產(chǎn)業(yè)氛圍的形成?；?SOME/IP、AVB 等協(xié)議，車(chē)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(chē)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(kāi)啟以太網(wǎng)為汽車(chē)主干網(wǎng)絡(luò)， 集成動(dòng)力總成、底盤(pán)控制、車(chē)身控制、數(shù)字座艙等，形成一個(gè)跨域汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并逐步引入 TSN，Giga Mbps 超高速汽車(chē)以太網(wǎng)等技術(shù)。 ?

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

汽車(chē)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(chē)載域控制器系統(tǒng)（車(chē)身域、底盤(pán)域、動(dòng)力域、信息娛樂(lè)域、輔助駕駛域）進(jìn)行高速互聯(lián)。

域控制器除了完成專(zhuān)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(chē)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(chē)身域內(nèi)部，各控制器基于 CAN、LIN 總線(xiàn)完成數(shù)據(jù)交互（類(lèi)似于傳統(tǒng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)），在信息娛樂(lè)域中，娛樂(lè)域控制器與其子部件的通信將通過(guò)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(chē)域網(wǎng)關(guān)經(jīng)以太網(wǎng)路由完成。

?

圖 3 以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的混合汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽??

2.3.3? ?汽車(chē)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(chē)以太網(wǎng)在100BASE- T1 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，目前汽車(chē)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(chē)以太網(wǎng) IEEE802.3bw（100BASE- T1）、1000Mbps 汽車(chē)以太網(wǎng) IEEE802.3bp（1000BASE-T1）、 10Mbps 汽車(chē)以太網(wǎng) IEEE802.3cg（10BASE-T1S：10Mbps Single Pair Ethernet）和 Giga Mbps 級(jí)汽車(chē)以太網(wǎng) IEEE802.3ch（Multi-Gig Automotive Ethernet）等。 ?

值得注意的是與百兆汽車(chē)以太網(wǎng)和千兆快速以太網(wǎng)相比，10M 汽車(chē)以太網(wǎng)采用了總線(xiàn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 4 所示， 該拓?fù)淇芍С?25m 總線(xiàn)傳輸。10M 汽車(chē)以太網(wǎng)的以上特性，可應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)、底盤(pán)系統(tǒng)、車(chē)身系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、超聲波雷達(dá)等大部分車(chē)輛功能系統(tǒng)。未來(lái)技術(shù)成熟后，有可能會(huì)替代現(xiàn)有的車(chē)輛 CAN 總線(xiàn)系統(tǒng)。 ?



圖 4 10M 以太網(wǎng)總線(xiàn)式拓?fù)涫疽鈭D ?

3 汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn) ?

雖然在汽車(chē)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(lèi)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(chē)載芯片供應(yīng)商對(duì)汽車(chē)以太網(wǎng)維持著高增長(zhǎng)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(lèi)配套開(kāi)發(fā)、測(cè)試技術(shù)還處于初級(jí)階段。

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(chē)載以太網(wǎng)推廣普及重要挑戰(zhàn)。此外，隨著汽車(chē)以太網(wǎng)的引入，全新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鼮樨S富的應(yīng)用場(chǎng)景將給汽車(chē)帶來(lái)新的信息安全考驗(yàn)，相關(guān)應(yīng)對(duì)策略也值得汽車(chē)行業(yè)從業(yè)者進(jìn)一步思考。 ?

4 總結(jié) ?

汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)化大浪已經(jīng)來(lái)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(chē)載網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)。擁有高帶寬的汽車(chē)以太網(wǎng)能很好的滿(mǎn)足上述需求，且針對(duì)未來(lái)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(chē)以太網(wǎng)將成為構(gòu)建新一代汽車(chē)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(chē)工業(yè)帶來(lái)的變革，它將更具革命性。當(dāng)然，汽車(chē)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(chē)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。