車載以太網(wǎng)智能汽車的中樞神經(jīng)

1、目錄 HYPERLINK l _TOC_250009 產(chǎn)業(yè)回顧：功能需求的復(fù)雜化拉動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 1 HYPERLINK l _TOC_250008 總線：汽車電子化浪潮的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1 HYPERLINK l _TOC_250007 E/E 架構(gòu)：汽車電子化浪潮中的系統(tǒng)化結(jié)構(gòu) 2 HYPERLINK l _TOC_250006 產(chǎn)業(yè)展望：電動(dòng)汽車和智能駕駛推動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 3 HYPERLINK l _TOC_250005 ECU 數(shù)量和 CAN 總線長度的大增對(duì)傳統(tǒng) E/E 架構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn) 3 HYPERLINK l _TOC_250004 集中化 E/E 架構(gòu)及自動(dòng)駕駛傳感器大流量對(duì)總

2、線帶寬提出了新的需求 4 HYPERLINK l _TOC_250003 車載以太網(wǎng)汽車的下一代中樞神經(jīng) 6 HYPERLINK l _TOC_250002 以太網(wǎng)具備成為下一代汽車主干網(wǎng)絡(luò)的基本特性 6 HYPERLINK l _TOC_250001 車載以太網(wǎng)的落地：從信息娛樂網(wǎng)絡(luò)到主干網(wǎng)絡(luò) 6風(fēng)險(xiǎn)因素 8投資建議 8 HYPERLINK l _TOC_250000 投資策略 8插圖目錄圖 1：老爺車素描圖 1圖 2：汽車 E/E 架構(gòu)圖例 2圖 3：汽車 E/E 架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì) 3圖 4：Model3 區(qū)域 Zone EEA 4圖 5：Tesla 主要線型長度 4圖 6：集中化 E/E 架

3、構(gòu)下的信息傳輸 4圖 7：智能駕駛對(duì)算力和汽車網(wǎng)絡(luò)的需求 5圖 8：車載以太網(wǎng) OSI 模型 6圖 9：BroadR-Reach 解決方案 7表格目錄表 1：主流總線技術(shù)概覽 2表 2：主流自動(dòng)駕駛解決方案的傳感器配置 5表 3：車載以太網(wǎng)落地的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn) 7 產(chǎn)業(yè)回顧：功能需求的復(fù)雜化拉動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展總線：汽車電子化浪潮的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)說，最早汽車上的電子設(shè)備并不復(fù)雜，并沒有電子架構(gòu)乃至總線之類的需求。直到 20 世紀(jì)初，開始出現(xiàn)更多需要電力進(jìn)行啟動(dòng)的設(shè)備如起動(dòng)機(jī)、車載收音機(jī)等，電子電氣系統(tǒng)才逐漸成型。圖 1：老爺車素描圖資料來源：汽車之家而現(xiàn)代汽車內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的雛形源于汽車的電子化浪潮。電

4、子化實(shí)現(xiàn)了諸多汽車功能的升級(jí)換代，同時(shí)也造成汽車內(nèi)部 ECU（電子控制單元）數(shù)量激增。面對(duì)各 ECU 間復(fù)雜的通信需求，沿用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式會(huì)帶來較高的布線難度和線束成本，于是各大整車廠商與Tier 1 廠商紛紛推出多路復(fù)用的總線系統(tǒng)。其中，BOSCH 于 1986 年推出的 CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線由于帶寬適宜、靈活性高，逐漸成為行業(yè)的主流標(biāo)準(zhǔn)，并至今仍在大量汽車中作為通信網(wǎng)絡(luò)的主干。CAN 總線車內(nèi)各個(gè)控制模塊之間的傳輸速率為到 83.3-500 kbit/s，其中用于發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的 CAN 總線傳輸速度為 500kbit/s。本質(zhì)上，CAN 總線是一種局域網(wǎng)技術(shù)，電氣系統(tǒng)和設(shè)備的

5、ECU 之間的通信可以通過 CAN 總線來完成。但由于需求的復(fù)雜性以及各廠商間的獨(dú)立性，總線方式并不只有博世提出的 CAN 總線一種。汽車內(nèi)部各功能對(duì)通信能力的要求各不相同，各廠商的技術(shù)路線與商業(yè)策略也有所差異，這兩個(gè)因素決定了汽車網(wǎng)絡(luò)目前是，且未來仍將是多種通信技術(shù)結(jié)合而成的解決方案。目前應(yīng)用較為廣泛的總線技術(shù)包括 CAN、CAN-FD、LIN、MOST、LVDS、FlexRay等，其主要特性如下：表 1：主流總線技術(shù)概覽總線類型CANCAN-FDLINMOSTLVDSFlexRay提出時(shí)間198320111998199819942000提出者BOSCHBOSCH理論最大傳輸速LIN 聯(lián)盟（

6、由 Audi， BMW ， Daimler ， Volkswagen， Volvo， Freescale ， Mentor Graphics 創(chuàng)立）MOST 公司（由 BMW ， Daimler ， OASIS ， Harman Becker 創(chuàng)立）美國國家半導(dǎo)體公司FlexRay 聯(lián)盟 （由Freescale， NXP ， BMW ，Daimler 創(chuàng)立）2*10Mbps（雙信率技術(shù)成熟，靈相對(duì) CAN 帶寬較帶寬較高，道）帶寬較高，雙冗優(yōu)點(diǎn)活性高，可靠高，單幀容量從 8成本極低，靈活性高帶寬較高抗干擾能力余通道，安全性性強(qiáng)，成本低字節(jié)提高到64 字節(jié)強(qiáng)較高技術(shù)相對(duì)封閉，多技術(shù)相對(duì)封閉，缺點(diǎn)

7、傳輸速率低傳輸速率較低傳輸速率低點(diǎn)到點(diǎn)傳輸媒體系統(tǒng)共用帶寬成本較高適用功能舉例主干網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)絡(luò)燈光、座椅等車載多媒體系統(tǒng)攝像頭主干網(wǎng)絡(luò)1Mbps8Mbps20Kbps150Mbps數(shù)百 Mbps資料來源：Automotive Ethernet: The Definitive Guide(Charles M. Kozierok, Colt Correa, Robert B. Boatright, Jeffrey Quesnelle)，中信證券研究部E/E 架構(gòu)：汽車電子化浪潮中的系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)光有總線結(jié)構(gòu)還不夠，電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備的大量出現(xiàn)，還驅(qū)使供應(yīng)商開始設(shè)計(jì)一套整體的布局方案。在總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上

8、，Delphi（德爾福公司）在 2007 年進(jìn)一步提出了 E/E Architecture（電子電氣架構(gòu)）的概念，將汽車內(nèi)部所有的電子電氣元器件視為一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、車窗控制、車載娛樂系統(tǒng)等一切需要電力控制的軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和不斷優(yōu)化。E/E 架構(gòu)解決了汽車電子的通信和效率問題，讓汽車的性能越來越好。而現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)，指的就是以總線為通信通道，以 E/E 架構(gòu)為通信結(jié)構(gòu)的汽車內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)。圖 2：汽車 E/E 架構(gòu)圖例資料來源：VECTOR由于燃油動(dòng)力的電子設(shè)備并沒有那么復(fù)雜，同時(shí)數(shù)據(jù)吞吐量也并非特別龐大，E/E 架構(gòu)和 CAN 總線結(jié)構(gòu)很好的滿足了傳統(tǒng)燃油車的需求。然而，隨著以特

9、斯拉為代表的電動(dòng)汽車的出現(xiàn)以及 L3/L4 自動(dòng)駕駛帶來大量高吞吐量的傳感器，原有的 CAN 總線和 E/E 架構(gòu)逐漸暴露出它的問題。 產(chǎn)業(yè)展望：電動(dòng)汽車和智能駕駛推動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展ECU 數(shù)量和 CAN 總線長度的大增對(duì)傳統(tǒng) E/E 架構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)隨著車子電子化程度越來越高，尤其是自動(dòng)駕駛、主動(dòng)安全等功能的增加，車子的 ECU 會(huì)急速增加，基本上一輛車子里的 ECU 平均會(huì)達(dá)到 50-70 個(gè)，而現(xiàn)在一些電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車子，ECU 數(shù)量早就超過了一百。2005 年的 BMW 7 系已經(jīng)配別 65 個(gè) ECU。到了 2010 年，奧迪 A8 上使用的 ECU 數(shù)量超過了 100 個(gè)。與此同時(shí)

10、，線束長度從 1.5 英里增加到 2.5 英里。按此速度發(fā)展下去，隨著汽車電動(dòng)化和自動(dòng)駕駛的到來，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將更加不堪重負(fù)。2017 年，從德爾福拆分出來的安波福提出 smart architecture（智能架構(gòu)），將汽車內(nèi)部的大量模塊，整合為三類：分別是發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、信息娛樂模塊以及自動(dòng)駕駛與主動(dòng)安全模塊，并提出神經(jīng)和大腦的概念，神經(jīng)代表傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，大腦代表計(jì)算平臺(tái)。這種新的定義方式意味著供應(yīng)商開始注重軟件算法對(duì) E/E 架構(gòu)的影響。與此同時(shí)，博世、采埃孚、大陸等也紛紛意識(shí)到軟件對(duì)于汽車的沖擊，均提出要從分布式向集中式轉(zhuǎn)變的新一代 E/E 架構(gòu)，以適應(yīng)時(shí)代變化。而集中式 E/E 架構(gòu)又可分為

11、域集中和整車集中。現(xiàn)有汽車主要處于分布式階段和域集中階段。以 BOSCH 的技術(shù)路線為例，BOSCH 認(rèn)為汽車 E/E 架構(gòu)的變遷將主要經(jīng)歷如下 3 個(gè)階段，每一階段中又存在向上一階段發(fā)展的趨勢(shì)：圖 3：汽車 E/E 架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)資料來源：博世分布式（Distributed）E/E 架構(gòu)：車體的任一功能都由專門對(duì)應(yīng)的 ECU 負(fù)責(zé)；這一階段，車內(nèi)各功能和對(duì)應(yīng)的 ECU 之間有融合的趨勢(shì)。（跨）域集中式（Cross Domain Centralized）E/E 架構(gòu)：將車體功能及對(duì)應(yīng)的 ECU劃分為數(shù)個(gè)域，各域內(nèi)的功能由 DCU（域控制單元）統(tǒng)籌負(fù)責(zé)，目前主流的域劃分方法為 BOSCH 的五域分

12、法，即將汽車拆分為動(dòng)力域、底盤域、座艙/智能信息域、智能駕駛域和車身域；這一階段，各域之間有融合的趨勢(shì)，硬件的集中程度不斷提升。整車集中式（Vehicle Centralized）E/E 架構(gòu)：整車的功能和資源全部由汽車中央控制計(jì)算機(jī)統(tǒng)籌負(fù)責(zé)；這一階段，車體功能可能部分實(shí)現(xiàn)向云端的遷移。而特斯拉的 Model 3 和 Model Y，則是新一代 E/E 架構(gòu)的典型代表。Model3 率先啟用了 Zone 區(qū)域的概念，而 Model3 更是通過控制域的劃分和 FPC 軟板等一系列手段將線束控制在 100m 左右，開啟了汽車電子一個(gè)新時(shí)代。圖 4：Model3 區(qū)域 Zone EEA圖 5：Tes

13、la 主要線型長度單位：m資料來源：博世資料來源：特斯拉官網(wǎng)集中化 E/E 架構(gòu)及自動(dòng)駕駛傳感器大流量對(duì)總線帶寬提出了新的需求集中化的 E/E 架構(gòu)對(duì)汽車網(wǎng)絡(luò)提出了更大的挑戰(zhàn)。在集中式的 E/E 架構(gòu)中，大量信息不會(huì)停留在相應(yīng)功能所處的硬件模塊，而是需要傳輸?shù)接蚩刂茊卧踔林醒肟刂朴?jì)算機(jī)進(jìn)行處理，之后再將結(jié)果返回給需要的元器件，因此，集中化的 E/E 架構(gòu)需要汽車在特定的域級(jí)別和整車級(jí)別擁有較高性能的網(wǎng)絡(luò)配置。圖 6：集中化 E/E 架構(gòu)下的信息傳輸資料來源：大陸成熟的傳感器系統(tǒng)是智能駕駛技術(shù)的起點(diǎn)。智能駕駛的實(shí)質(zhì)是由機(jī)器代替人完成駕駛過程中的感知、決策與控制行為。要實(shí)現(xiàn)這一流程，首先需要感知

14、層對(duì)汽車自身及周圍的信息進(jìn)行精確、高速的采集和傳輸。單個(gè)攝像頭所需帶寬約 20-40Mbps，單個(gè)激光雷達(dá)所需帶寬約 10-70Mbps，單個(gè)雷達(dá)所需帶寬約 10-100Kbps。目前投產(chǎn)的 L2.5-L3 級(jí)別自動(dòng)駕駛解決方案普遍尚未配備激光雷達(dá)，所需攝像頭在 6-14 個(gè)左右，若涉及相應(yīng)信息的融合處理，則僅攝像頭對(duì)主干網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求就達(dá)數(shù)百 Mbps?？紤]到汽車網(wǎng)絡(luò)需要一定冗余性，實(shí)際的帶寬需求可能更高。未來隨著激光雷達(dá)等高精度傳感器的落地和汽車智能化程度的進(jìn)一步提高，汽車網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求還將持續(xù)提升。表 2：主流自動(dòng)駕駛解決方案的傳感器配置車型/智能駕駛系統(tǒng)自動(dòng)駕駛等級(jí)攝像頭毫米波雷達(dá)超聲

15、波雷達(dá)/傳感器激光雷達(dá)激光掃描傳感器Tesla AutopilotL2.58112N/AN/AAudi A8L36512N/A1長安 UNI-TL36512N/AN/A小鵬 XPILOT 3.0L314512N/AN/AApollo Pilot APCL39412N/AN/A資料來源：各公司官網(wǎng)，中信證券研究部理想的汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具有高帶寬、低延遲、高靈活性與適中的布線成本，其中，高帶寬是主干網(wǎng)絡(luò)最重要的特性之一。Intel 曾于 2016 年預(yù)測(cè)，一輛自動(dòng)駕駛汽車每天將產(chǎn)生4,000GB 數(shù)據(jù)，而 Aptiv 副總裁 Lee Bauer 在 2018 年預(yù)測(cè)自動(dòng)駕駛汽車每小時(shí)就將產(chǎn)生4TB 數(shù)

16、據(jù)。雖然未來汽車網(wǎng)絡(luò)對(duì)于帶寬的需求還存在較大的不確定性，但可以確定的是，帶寬是汽車網(wǎng)絡(luò)升級(jí)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。2018 年，Aquantia，BOSCH，Continental， Nvidia 和Volkswagen 組建了NAV 聯(lián)盟（Networking for Autonomous Vehicles Alliance），力圖推動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化。NAV 聯(lián)盟預(yù)測(cè)，高度自動(dòng)化的駕駛系統(tǒng)對(duì)汽車網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求不低于 25Gbps。圖 7：智能駕駛對(duì)算力和汽車網(wǎng)絡(luò)的需求資料來源：NAV Alliance 車載以太網(wǎng)汽車的下一代中樞神經(jīng)以太網(wǎng)具備成為下一代汽車主干網(wǎng)絡(luò)的基本特性高帶寬是

17、以太網(wǎng)獲得汽車行業(yè)關(guān)注的首要原因。目前，以太網(wǎng)能夠提供數(shù)百 Gbps 的帶寬，車載以太網(wǎng)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 100Mbps 帶寬的落地。與傳統(tǒng)總線尤其是主干型總線 CAN和 FlexRay 相比，車載以太網(wǎng)在帶寬上具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也是最有希望實(shí)現(xiàn)數(shù)十Gbps 智能駕駛目標(biāo)帶寬的主流技術(shù)。線束成本是以太網(wǎng)相較于傳統(tǒng)總線的另一大優(yōu)勢(shì)。線束的復(fù)雜性使其成為汽車結(jié)構(gòu)中第三重的部件（在底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)之后），同時(shí)也是制造成本第三高的部件（在發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤之后），其耗費(fèi)的勞動(dòng)力成本占整車的 50%。線束的輕量化將為汽車的制造、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修節(jié)省大量成本。部分傳統(tǒng)總線線纜厚、重，且需要額外的屏蔽以保護(hù)其不受電磁干擾。而

18、一項(xiàng)由 Broadcom 和 BOSCH 聯(lián)合進(jìn)行的研究表示，BroadR-Reach 標(biāo)準(zhǔn)的車載以太網(wǎng)通過使用單根非屏蔽雙絞線以及更小型緊湊的連接器，與 LVDS 等傳統(tǒng)總線相比可減少高達(dá) 80%線束成本和 30%的布線重量。分層組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)為車載以太網(wǎng)提供了巨大的靈活性與可能性。以太網(wǎng)之所以成為最普遍應(yīng)用的局域網(wǎng)技術(shù)，很大程度上是由于其改變和進(jìn)化的能力，而這種能力來自其分層組網(wǎng)的協(xié)議架構(gòu)：即當(dāng)對(duì)物理層進(jìn)行更改以實(shí)現(xiàn)新的布線類型和更快的運(yùn)行速度時(shí)，高級(jí)協(xié)議和軟件可以保持不變。對(duì)于車載以太網(wǎng)而言，其應(yīng)用和發(fā)展需要對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)的物理層進(jìn)行更改、標(biāo)準(zhǔn)化和升級(jí)，在這一系列過程中，AVB，TCP/IP

19、等高層次協(xié)議和軟件則可以得以保留，這使得車載以太網(wǎng)領(lǐng)域可以較容易地運(yùn)用以太網(wǎng)在其他領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)大幅降低了未來技術(shù)迭代升級(jí)的成本。圖 8：車載以太網(wǎng) OSI 模型資料來源：是德科技車載以太網(wǎng)的落地：從信息娛樂網(wǎng)絡(luò)到主干網(wǎng)絡(luò)解決方案及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形成為車載以太網(wǎng)的落地解決了初步的技術(shù)障礙。BroadR-Reach 解決方案改善了以太網(wǎng)的電氣特性。BroadR-Reach 由 Broadcom 設(shè)計(jì)，并在 One-Pair EtherNet 聯(lián)盟的支持下成為最主流的車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一。該方案使用 1G以太網(wǎng)的技術(shù)在單根雙絞線上實(shí)現(xiàn) 100Mbps 的雙向傳輸速率，同時(shí)通過編碼方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕?/p>

20、頻由 125MHz 降低到 66Mhz，從而使以太網(wǎng)滿足汽車應(yīng)用對(duì)抗電磁干擾和抗射頻干擾的需求。AVB（Audio Video Bridging）擴(kuò)展了以太網(wǎng)的音視頻實(shí)時(shí)傳輸能力。AVB體系通過時(shí)間同步、保障帶寬、限制延遲和精確時(shí)鐘同步，完善了以太網(wǎng)在視聽數(shù)據(jù)處理方面的劣勢(shì)，使其可以運(yùn)用于汽車的音視頻流中。目前，車載以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化，在 IEEE802.3 和 IEEE802.1 中形成了多項(xiàng)具體標(biāo)準(zhǔn)，為車載以太網(wǎng)的大范圍落地打下了基礎(chǔ)。圖 9：BroadR-Reach 解決方案資料來源：Broadcom從信息娛樂網(wǎng)絡(luò)到主干網(wǎng)絡(luò)，車載以太網(wǎng)將逐漸落地成為汽車的中樞神經(jīng)。

21、以太網(wǎng)技術(shù)在汽車領(lǐng)域最早的應(yīng)用是診斷接線。使用標(biāo)準(zhǔn) 4 對(duì)線纜的 100Mbps 以太網(wǎng)在 OBD（車載診斷系統(tǒng)）領(lǐng)域已有成熟的運(yùn)用，用于連接 DLC 診斷網(wǎng)口與網(wǎng)關(guān)。然而，OBD 在嚴(yán)格意義上并不是汽車內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，因?yàn)樵\斷網(wǎng)絡(luò)僅在有外部工具連接時(shí)才進(jìn)入工作狀態(tài)，而汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)需要在汽車正常運(yùn)行時(shí)保持活躍。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn) 4 對(duì)線纜的100Mbps 以太網(wǎng)無法達(dá)到對(duì)抗電子干擾能力的要求。從目前車載以太網(wǎng)的落地情況來看，首先落地的領(lǐng)域是與視頻信息有關(guān)的攝像頭和信息娛樂系統(tǒng)，隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)與汽車 E/E 架構(gòu)的持續(xù)發(fā)展，車載以太網(wǎng)有望在更多汽車的決策系統(tǒng)和主干網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。表 3：車載以太網(wǎng)落地的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)間進(jìn)程2008 年10 月BMW7 系首次使用非屏蔽 100BASE-TX 作為診斷連線，使用屏蔽 100BASE-T