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通信架構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈
1. 通信架構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈綜述
早期汽車采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系。每一路信號傳遞都需要一根電纜連接交換數(shù)據(jù)，導致每一個ECU 都需要N 個接口，有些ECU 的接口數(shù)會是十幾個甚至三十幾個，形成龐大的布線系統(tǒng)。這引發(fā)了車輛空間占用、車重、成本、系統(tǒng)復雜度以及不穩(wěn)定性等一系列問題。以CAN 為代表的現(xiàn)代總線出現(xiàn)以后，硬線連接大大減少，有效降低了系統(tǒng)、零部件設計的復雜度和開發(fā)成本，驅(qū)使整車企業(yè)與零部件供應商之間形成標準化協(xié)議?？偩€作為一種車輛網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，是車上所有電子和電氣部件互聯(lián)結(jié)構(gòu)的線束表現(xiàn)，直接影響到控制器功能的分配、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的規(guī)劃，猶如汽車的神經(jīng)。
目前汽車上普遍采用的汽車總線主要有控制器局域網(wǎng)CAN，局部互聯(lián)協(xié)議LIN，高速容錯網(wǎng)絡協(xié)議FlexRay, 用于汽車多媒體和導航的GMSL、MOST、A2B 和車載以太網(wǎng)等。另外，當然也有傳輸帶寬達到12Gbps 以上的SerDes 總線，也稱LVDS 總線，主要應用于音頻、視頻信號的傳輸。隨著車輛應用交互場景的增加，越來越多的傳感器、控制器對總線帶寬的要求越來越高，車內(nèi)不同電子器件間和不同區(qū)域之間彼此通信的需求也越來越高，這些復雜性直接導致了對總線使用上的增長。然而，幾乎每個汽車電子器件都有其特定的線纜和通信要求，這必然導致車內(nèi)總線布線復雜性，車內(nèi)線束已成為繼引擎和底盤之外車內(nèi)第三大成本支出的部分，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中布置配線的人工成本占整車的50%，車內(nèi)線束重量也是繼底盤和引擎之外占第三位重量要素。
“智能駕駛、智能座艙、智能網(wǎng)聯(lián)”的趨勢下，車載通信網(wǎng)絡向著“高速、低延時、安全、互聯(lián)”的方向演進。車載以太網(wǎng)依托單線對非屏蔽雙絞線的傳輸介質(zhì)，使用更小巧緊湊的連接器，其可減少高達80%的車內(nèi)通信連接成本和高達30%的車內(nèi)布線重量。為此，得到汽車與通信行業(yè)技術(shù)人員、汽車制造商與半導體公司的廣泛關(guān)注，成立了OPEN、AVnu、IEEE、AUTOSAR 等聯(lián)盟和標準化組織，致力于車載以太網(wǎng)推廣與使用，積極討論制定適用于車載環(huán)境及應用的以太網(wǎng)標準，支持車載以太網(wǎng)技術(shù)應用與發(fā)展。
當然，汽車是一個既傳統(tǒng)又現(xiàn)代的產(chǎn)品，現(xiàn)階段以車載以太網(wǎng)完全替代傳統(tǒng)總線是不實際的。對于典型的控制任務，基于信號的方法經(jīng)歷了近三十年的測試和驗證。所以，基于服務的通信與基于信號的通信將在車內(nèi)并存。咨詢公司弗若斯特沙利文公司（Frost & Sullivan）預測，到2025 年，車載以太網(wǎng)的市場滲透率將增加至80%。
2. 傳統(tǒng)總線芯片
傳統(tǒng)的車身總線CAN/LIN/FlexRay/MOST 芯片，通常稱收發(fā)器器件，負責車載總線信號的轉(zhuǎn)換，在主機內(nèi)部，轉(zhuǎn)換成標準的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）、UART（Universal Asynchronous Receive Transmitter，通用異步接收/發(fā)送裝置）或?qū)Ｓ玫目偩€低電平低壓信號，實現(xiàn)主機系統(tǒng)和車身網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡等信息交互。該類收發(fā)器芯片，主要以國際巨頭恩智浦、TI（德州儀器）等為主，占據(jù)了市場90%以上的份額。芯力特電子科技有限公司圍繞智慧電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)進行相關(guān)芯片技術(shù)攻關(guān)，繼成功研發(fā)CAN FD 收發(fā)器芯片SIT1042 后，芯力特電子再次打破國外壟斷成功量產(chǎn)42V 耐壓LIN 收發(fā)器芯片SIT1021。串行-解串器芯片，主要通過LVDS 信號實現(xiàn)音視頻圖像的數(shù)據(jù)傳輸，如攝像頭信號傳輸，圖像顯示信號傳輸?shù)龋哂懈邘?、低延時、無壓縮等特點。目前占有率最高的是美信公司的GMSL 和TI 公司的FPD Link，幾乎覆蓋了市場80%以上份額。
3. 汽車以太網(wǎng)芯片
以太網(wǎng)芯片，主要包括PHY 和Switch 芯片（交換芯片），將車載以太網(wǎng)總線100Base-T1、1000Base-TI 轉(zhuǎn)換成標準低壓的SGMII、RMII 等以太網(wǎng)MAC 接口。在以太網(wǎng)通信芯片領(lǐng)域，以太網(wǎng)芯片市場規(guī)模龐大，而且比較穩(wěn)固，目前主要以博通（Broadcom）和美滿電子（Marvel）為行業(yè)領(lǐng)頭羊，技術(shù)領(lǐng)先，占據(jù)大部分市場，但恩智浦（NXP）、TI（德州儀器）、Microchip、Realtek（瑞昱）等多家公司也已布局，以更優(yōu)的性價比占據(jù)一定市場份額。
車載以太網(wǎng)PHY 芯片的主要供應商有Marvell、Broadcom、Microchip、Realtek 和NXP。
Marvell 與Micrel（麥瑞半導體）在2012 年就發(fā)布了全球首款完全符合IEEE 802.3 標準的用于車載網(wǎng)絡的以太網(wǎng)實體元件，最高可支持100Mb/s 的速率。Micrel 推出的以太網(wǎng)物理層芯片支持高達125 ℃ 的環(huán)境溫度，而且針對汽車市場的需求加強了ESD 保護（靜電保護）。2019 年1G 的車載以太網(wǎng)PHY 芯片開始量產(chǎn)。在CES 2019，Marvell 推出了1000BASE-T1 汽車以太網(wǎng)物理層（PHY）收發(fā)器Marvell 88Q2112，符合IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 標準草案要求。2020 年11 月，Broadcom 宣布推出的BCM8989X 是業(yè)內(nèi)第一個對應NGBase-T1 標準的多G 車載PHY 芯片。而10Gbps 車載PHY 芯片當前僅有Aquantia（已被Marvell 收購）的AQV107。
交換（Switch）芯片的供應商主要是Marvell、Broadcom、NXP 和Realtek。
Continental（大陸）旗下子公司Elektrobit 與Marvell 聯(lián)合打造了一款車載以太交換芯片，型號為88Q5050，用于英偉達最新旗艦Pegasus，這也是基于TSN（Time-Sensitive Network，時間敏感網(wǎng)絡）的首次實際應用。NXP 的LS1028A 工業(yè)應用處理器內(nèi)置了TSN 轉(zhuǎn)換器和TSN 終端模塊。TI 的Sitara 處理器、Renesas Electronics（瑞薩）的RZ/N1D 處理器支持TSN 標準。NXP 和ADI（亞德諾半導體）也推出了專用TSN 交換芯片。Xilinx（賽靈思）等FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）廠商，也提出了基于FPGA 的TSN IP 核心解決方案。在可以預期的未來，基于TSN 的以太網(wǎng)MAC（介質(zhì)訪問控制）將被普遍集成到各類嵌入式SoC芯片中。
2022 年9 月工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟公布最新“時間敏感網(wǎng)絡（TSN）產(chǎn)業(yè)鏈名錄計劃”，其中東土科技剛剛發(fā)布的中國首顆自主設計的TSN 芯片—KD6530，成為首款進入該名錄的TSN 芯片。東土科技車規(guī)級時間敏感網(wǎng)絡交換芯片可在車載以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或車載多媒體網(wǎng)關(guān)等車內(nèi)通信網(wǎng)絡中使用。這標志著***正式進入TSN 商用領(lǐng)域，打破該領(lǐng)域長期被歐美企業(yè)壟斷的格局。
飛思卡爾（NXP 旗下）是中央網(wǎng)關(guān)芯片的領(lǐng)導者，在2008 年量產(chǎn)第一代以太網(wǎng)診斷的網(wǎng)關(guān)控制器MPC5667，并用在當年寶馬5 系和7 系上。2013 年量產(chǎn)第一片帶EAVB 網(wǎng)關(guān)的芯片MPC5604e，并用在寶馬X5 的360 環(huán)視上。第四代MPC574x 系列，以MPC5748G 為最高級配置，擁有多達8 個CAN 接口。
4. 汽車以太網(wǎng)設備- TSN 網(wǎng)絡設備
TSN 以太網(wǎng)交換機是車載網(wǎng)絡解決方案的關(guān)鍵組成部分。Elektrobit（EB）于2021 年11月宣布推出業(yè)界首款能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高性能車載網(wǎng)絡通信的車載以太網(wǎng)交換機固件。據(jù)Elektrobit（EB）介紹，EB zoneo SwitchCore 現(xiàn)可用于行業(yè)領(lǐng)先硬件供應商的交換機，并已在量產(chǎn)電動汽車中得以應用。EB zoneo SwitchCore 增加了智能模塊的固件，能夠滿足增強車輛可擴展性、功能安全和信息安全的要求；提供高級網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡安全功能，例如路由、網(wǎng)關(guān)、防火墻以及網(wǎng)絡入侵檢測和防御系統(tǒng)。
Cisco（思科）IE4000 系列TSN 交換機提供高帶寬交換（第2 層）和經(jīng)過驗證的基于CiscoIOS 軟件的路由（第3 層）功能，使用思科彈性以太網(wǎng)協(xié)議（REP）提供高度安全的訪問并且支持工業(yè)協(xié)議，具有更高的整體性能、更大的帶寬、更全面的功能集和增強的硬件。
Belden（百通）2017 年發(fā)布的模塊化管理的赫斯曼（Hirschmann）交換機類型RSPE35和RSPE37 可針對TSN 技術(shù)進行升級。RSPE35 和RSPE37 版本支持符合IEEE 1588-2008 的精確時間協(xié)議（PTP），并具有FPGA 模塊，可以實現(xiàn)基于硬件的選擇性冗余機制，如高可用性無縫冗余（HSR）、并行冗余協(xié)議（PRP）。
MOXA（摩莎）推出兩款TSN 交換機TSN-G5004 和TSN-G5008，采用緊湊型設計，配有用戶友好配置界面的全新Moxa web GUI，簡化了網(wǎng)絡部署。支持IEEE 802.1 AS，IEEE 802.1Qbv 等TSN 協(xié)議，并將進一步提供對其他TSN 協(xié)議的支持。
TTTech?推出的PCIE-0400-TSN 網(wǎng)卡是基于FPGA 的超薄型千兆以太網(wǎng)接口卡，支持IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE802.1Qbu、IEEE 802.1Qcc 等標準，用于將工控機連接到符合IEEE 802.1TSN 的網(wǎng)絡，具有四個10/100/1000 Base-T 以太網(wǎng)端口，可用于從生產(chǎn)層到IT 層的融合網(wǎng)絡中構(gòu)建確定性控制應用。
近年來，國內(nèi)廠商對TSN 技術(shù)的關(guān)注度持續(xù)提高，積極推進TSN 相關(guān)網(wǎng)絡設備的研發(fā)和應用。2017 年起，包括華為、東土科技、研華、新華三在內(nèi)的多家通信設備廠商已經(jīng)研發(fā)出或正在研發(fā)TSN 相關(guān)網(wǎng)絡設備，包括交換機、網(wǎng)關(guān)及通信模塊。
研華公司于2020 年發(fā)布了EKI-8500G 工業(yè)級TSN 以太網(wǎng)交換機，采用TSN 專用芯片設計，具備8 個千兆RJ45 端口+ 2 個千兆SFP 端口。支持IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbu、IEEE802.1Qbv 和IEEE 802.1CB 等TSN 協(xié)議。
東土科技推出兩款TSN 交換機SICOM3000TSN、SICOM3028TSN 及基于SDN（軟件定義網(wǎng)絡）的時間敏感網(wǎng)絡交換機的組網(wǎng)管理配置平臺，具有IEEE802.1Qbu、IEEE802.1Qbv、IEEE802.1Qci、IEEE 802.1Qch、IEEE 802.1Cr 等協(xié)議功能模塊。
華為2018 年首次展出的中國國內(nèi)第一款TSN 交換機樣機，支持IEEE 802.1AS 和IEEE1588v2 時鐘同步協(xié)議，支持IEEE802.1Qbv（門控調(diào)度）、IEEE802.1Qbu（幀搶占）、IEEE802.1Qci（流過濾）、IEEE 802.1CB（無縫環(huán)網(wǎng)冗余）等TSN 協(xié)議。同時打通了OPCUA 至TSN 協(xié)議棧，并可通過YANG 模型從網(wǎng)絡控制器對網(wǎng)絡中TSN 交換機進行集中配置。
新華三（H3C）推出兩款TSN 工業(yè)交換機IE4320-10S-UPWR、IE4320-10S，同時支持基于SDN 的時間敏感網(wǎng)絡交換機的網(wǎng)絡管理配置平臺， 目前已支持IEEE802.1AS 、IEEE802.1Qbv、IEEE802.1Qcc 等TSN 特性，具體性能為：轉(zhuǎn)發(fā)延時最低小于10us 秒，時延抖動最高指標能達到正負2us 內(nèi)，802.1Qbv 門控精度可達到ns 級。
中國電子技術(shù)標準化研究院和華中科技大學／國家數(shù)字化設計與制造創(chuàng)新中心聯(lián)合搭建的TSN 測試床，包含當前主流的TSN 交換機設備和終端設備，用于進行TSN 設備的兼容性測試、互操作性測試，面向典型應用場景的網(wǎng)絡配置和性能測試。在兼容性和互操作性測試方面，目前主要針對IEEE802.1AS、IEEE802.1Qbv 和IEEE802.1Qcc 的核心內(nèi)容進行測試。在網(wǎng)絡延遲和抖動等性能測試方面，主要參照正在制定中的IEEE60802 標準，對8 種類型網(wǎng)絡流量的的QoS 進行測試。
總體而言，目前TSN 產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，產(chǎn)業(yè)鏈包括了科研機構(gòu)、標準化機構(gòu)、芯片廠商、設備廠商、應用廠商和測試廠商。TSN 產(chǎn)品主要包括芯片、交換機等終端設備以及測試床。從TSN 產(chǎn)業(yè)發(fā)展看來，國內(nèi)外差距明顯。大部分的TSN 芯片廠商和設備廠商為國外企業(yè)。國內(nèi)廠商主要以開發(fā)TSN 交換機為主，但數(shù)量遠遠不及國外廠商。
編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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