車載以太網(wǎng)-兩個世界的深度擁抱-科普

車載以太網(wǎng)——兩個世界的深度擁抱|科普本文作者：老涂編輯：谷磊2017-04-0919:29導(dǎo)語：車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、影音娛樂、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力，它將成為實現(xiàn)多層它將成為實現(xiàn)多層面高速通信的基石雷鋒網(wǎng)（公眾號：雷鋒網(wǎng)）按：本文作者老涂，汽車電子工程師，供職于國內(nèi)某汽車技術(shù)中心，從事汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)研發(fā)。汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化，甚至自動駕駛大浪已經(jīng)來臨；浪潮帶來的是ADAS技術(shù)的不斷革新、高品質(zhì)車載娛樂影音的影音推進、以及OTA遠程升級、V2X、大數(shù)據(jù)、云計算等一系列技術(shù)的發(fā)展；這推進了車載網(wǎng)絡(luò)容量需求的爆發(fā)式發(fā)展，顯然這已經(jīng)超出了CAN或FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的歷史使命。這也正是以太網(wǎng)與汽車深度擁抱集成的契機。車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、影音娛樂、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力（如自動駕駛時代所需要的更大數(shù)據(jù)傳輸）。它將成為實現(xiàn)多層面高速通信的基石，相對于20世紀90年代的控制器局域網(wǎng)（CAN）革命，它的規(guī)模將更大，意義將更深遠。專家預(yù)測，到2020年，汽車中部署的以太網(wǎng)端口將達5億個。Ethernet/MOST/FleaRayAdoptionForecast蹴太網(wǎng)刪GST*Ethernet/MOST/FleaRayAdoptionForecast蹴太網(wǎng)刪GST*肉用燈的應(yīng)用預(yù)測ZD11比12JD1J中必2Q15-MIAZD17沖回德132QW卻11EthsmetIW&STTEtherent,FlexRay,MOST節(jié)點裝載數(shù)量預(yù)測一、傳統(tǒng)汽車總線技術(shù)1、傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)當前主流的車載網(wǎng)絡(luò)主要由CAN、LIN、FlexRay、MOST、LVDS等構(gòu)成。除了LVDS這些網(wǎng)絡(luò)標準基本上都是面向汽車行業(yè)制定，有著濃重的汽車行業(yè)特色。表1中對各種不同網(wǎng)絡(luò)形式對了簡要的對比。表1傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)對比總線類型最高帶寬網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)傳輸介質(zhì)優(yōu)勢缺陷成用領(lǐng)域CAN1Mbit/s總線型雙線線成本低可靠帶寬低共享介質(zhì)實忖控制LIN19.2Kbit/s總我型電纜成本更低常寬低J七享介質(zhì)低帶寬控制FlexRay2*10Mbit/s總線型/星型/混合型雙絞線「光纖帶寬高成本高共享介憒實時控制成木高MOST壞形光纖帶寬高僅有限個娛樂系統(tǒng)攝像頭LVDS655Mbit/s點對點雙絞線帶寬高成本低僅一個報像頭.視頻設(shè)備駕駛輔助攝像頭CAN主要用于車上控制數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)役車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的標準，最大傳輸速度為1Mb/s,可以說興起于20世紀90年代的控制器局域網(wǎng)（CAN）革命，對于整個汽車電子行業(yè)發(fā)展的推動是巨大的。LIN是一種低成本通用串行總線，在汽車領(lǐng)域主要用于車門、天窗、座椅控制等，最大傳輸速度為20kb/s。FlexRay是繼CAN和LIN之后的新一代汽車控制總線技術(shù)，同樣屬于共享式總線技術(shù)，帶寬可達10Mbps。FlexRay的主要優(yōu)勢在于相比CAN總線具有較高的帶寬，可以滿足汽車關(guān)鍵應(yīng)用的要求，但是同樣作為共享式總線技術(shù)，其成本卻很高，主要適用于中高端車中的線控系統(tǒng)（如懸架控制、變速箱控制、制動器控制、轉(zhuǎn)向控制等）。MOST主要支持的多媒體流數(shù)據(jù)傳輸，MOST150標準的最大帶寬為150Mb/s的，在車載多媒體數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用較多，MOST150支持基于IP的應(yīng)用程序，由于單一供應(yīng)商的問題，基礎(chǔ)開發(fā)成本較高。LVDS是一種電氣數(shù)字信號系統(tǒng)，通過銅纜雙絞線傳輸高速數(shù)據(jù)（最高可達850Mb/s，最長傳輸距離10m），是計算機總線的一部分。在汽車領(lǐng)域LVDS主要用于屏幕和攝像頭之間的數(shù)據(jù)傳輸。2、深度擁抱的契機如果說2013年寶馬在X5僅僅是拉開了以太網(wǎng)進軍車載系統(tǒng)的帷幕（圖例），那么可以毫不夸張的說時至今日以太網(wǎng)與汽車將迎來了一次深度擁抱的契機，它們也將共同演繹一場“融合”大戲。

ADASOn-BoardDiagnostics360°CameraSystem■TWISTED-吶ADASOn-BoardDiagnostics360°CameraSystem■TWISTED-吶IRETHERNETInfotainmentt寶馬車載以太網(wǎng)搭載大家耳熟能詳?shù)哪柖筛嬖V我們微處理器上的晶體管數(shù)目每兩年就會增加一倍；這一定律似乎同樣適合汽車行業(yè)，隨著處理器運算能力和硬件的高速發(fā)展，使得許多創(chuàng)新在汽車環(huán)境下得到迅速推進，汽車電子產(chǎn)品在整車中所占比重也與日俱增，連接ECU的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求也相應(yīng)的增大，這一需求將遠遠超出CAN或FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的容量極限。此外，伴隨著車輛網(wǎng)聯(lián)化、智能的推進，智能手機與車載設(shè)備的聯(lián)動、云和大數(shù)據(jù)的運用，以及高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及，構(gòu)筑新電子網(wǎng)絡(luò)總線平臺已經(jīng)成為新一代汽車的必然任務(wù)，一直被汽車行業(yè)拒之門外的以太網(wǎng)不會放過這次絕佳的契機。

t未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車二、車載以太網(wǎng)技術(shù)1、車載以太網(wǎng)相關(guān)優(yōu)勢低成本下的高帶寬新的汽車功能，如自動泊車系統(tǒng)、車道偏離檢測系統(tǒng)、盲點檢測和高級信息娛樂系統(tǒng)等引發(fā)了對新的數(shù)據(jù)總線需求。顯然未來我們需要的是更加開放、高速，且易于與其他電子系統(tǒng)或者設(shè)備集成的車載網(wǎng)絡(luò)，同時有助于減少功耗，線束重量和部署成本。對于上述需求以太網(wǎng)似乎能提供一攬子的解決方案，以博通公司采用的突破性BroadR-Reach技術(shù)為例，其可用單對的非屏蔽雙絞線進行信號傳輸，并能夠提供100Mbit/s及更高的寬帶性能，并使電纜重量減輕30%、降低連接成本可達80%。BROADCOMT2015BROADCOMT2015年CES發(fā)布的下一代BroadR-Reach車載以太網(wǎng)芯片支持不同應(yīng)用的多種協(xié)議和功能傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)支持的通信協(xié)議較為單一，而車載以太網(wǎng)可以同時支持AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多種協(xié)議或應(yīng)用形式。其中，EthernetAVB是對傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能的擴展，通過增加精確時鐘同步、帶寬預(yù)留等協(xié)議增強傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶崟r性，是極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)音視頻實時傳輸技術(shù)。SOME/IP(ScalableService-OrientedMiddlewarEonIP)則規(guī)定了車載攝像頭應(yīng)用的視頻通信接口要求，可應(yīng)用于車載攝像頭領(lǐng)域，并通過API實現(xiàn)駕駛輔助攝像頭的模式控制。作為AVB協(xié)議的擴展，車載時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN,Time-SensitiveNetworking)則引入時間觸發(fā)式以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，能高效的實現(xiàn)汽車控制類信息的傳輸。此外，1Gbit速率通信標準的車載以太網(wǎng)同時還支持POE(PowerOverEthernet)功能和高效節(jié)能以太網(wǎng)(EEE,Energy-EfficientEthernet)功能，POE功能可在雙絞線傳輸數(shù)據(jù)的同時為連接的終端設(shè)備供電，省去了終端外接電源線，降低了供電的復(fù)雜度。適應(yīng)未來的能力歷史經(jīng)驗告訴我們，以太網(wǎng)之所以長期以來如此成功，主要原因之一便是以太網(wǎng)是一種可持續(xù)更新、發(fā)展的技術(shù)。在經(jīng)歷了標準以太網(wǎng)(10Mbps)、快速以太網(wǎng)(100Mbps)和千兆以太網(wǎng)(GigabitEthernet)推進和發(fā)展后，以太網(wǎng)還在繼續(xù)著不斷的自我迭代升級。當然在支持帶寬持續(xù)增長的同時，它任然保持對原有系統(tǒng)的兼容性。所以說：一旦以太網(wǎng)技術(shù)推廣至汽車行業(yè)，它帶來的不僅僅是一種成熟的通信技術(shù)，更是一種對未來的適應(yīng)能力。無線功能多年來，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就是當前非常流行的無線網(wǎng)絡(luò)wifi的引入。類似于Broadcom公司的BroadR-Reach，WiFi也有專供汽車使用的變體，“汽車環(huán)境無線存取"WAVE；2010年發(fā)布的IEEE802.11p通信規(guī)范對WAVE進行了定義，后被寫入

IEEE802.11-2012主標準中。車載以太網(wǎng)的普及無疑將成為WAVE引入汽車最佳催化劑，而在智能交通時代，WAVE也將為V2X提供新的想象空間。TV2X通訊場景2、車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢第一階段診斷累統(tǒng)HECUriashiing第二階段信息娛樂素統(tǒng)包鶯駛輔助系豌第三階段以太網(wǎng)作為汽車上干網(wǎng)ViideiOCorrirnunicaitioninterface(ISO17215JPawer-over-Ethernet(EEPoEIEEESO2.3bw}some/ipServiceDtscoverv)Tinie-5ensitiveNwfwcsrk(A.VBGeo2)Ethef^etAVBGenlTirne-TrjggeredElhemet口的耳匚5over1P[ISO13^00)100a6A5E-Tl[RTPGE)QEEE蛇23bmBroadFlRe-jch[OPENMimncE1?？?F/tFNiprnar(IEEESO23U)應(yīng)用息2C15T車載以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展路線以太網(wǎng)作為一種新型車載網(wǎng)絡(luò)的進入汽車網(wǎng)絡(luò)，肯定是無法一蹴而就，在短期內(nèi)是無法取代現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)，因此以太網(wǎng)在進入汽車網(wǎng)絡(luò)時考慮分階段、從子系統(tǒng)開始逐步深入，并最終統(tǒng)籌汽車網(wǎng)絡(luò)的演進過程?，F(xiàn)今可預(yù)期的車載以太網(wǎng)的發(fā)展主要可分為三個階段：

第一階段（已經(jīng)有實用案例），基于DoIP標準的車載診斷系統(tǒng)（OBD）和ECU軟件刷新。以ECU軟件刷新為例，和原有的CAN（1M/S）相比，刷新時間將縮短為原來的百分之一，該應(yīng)用將大大提升診斷和刷新效率，節(jié)省時間、生產(chǎn)及服務(wù)成本。第二階段車載以太網(wǎng)在信息娛樂系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)的使用，伴隨著BroadR-Reach技術(shù)的日益成熟和標準化的不斷推進，基于AVB，SOME/IP等技術(shù)將逐步推廣使用，車載以太網(wǎng)將以單節(jié)點或多個節(jié)點的形式進行搭載，如使用高分辨率的IP攝像頭的全景泊車等駕駛輔助系統(tǒng)，多屏互動的高清信息娛樂系統(tǒng)等進入人們的視野。T基于車載以太網(wǎng)技術(shù)的全景泊車T基于車載以太網(wǎng)技術(shù)的全景泊車第三階段，前兩個階段專注于一個特定的應(yīng)用領(lǐng)域，在經(jīng)歷的前兩個階段的積累和磨練，第三階段將使用以太網(wǎng)為車載網(wǎng)絡(luò)骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個域級別的汽車網(wǎng)絡(luò)。3、挑戰(zhàn)雖然不乏OPENALLIANCE.IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織在積極推動車載以太網(wǎng)的發(fā)展，但是各類標準的完善和落地還需一些時日；雖然Broadcom、NXP、Marvell等半導(dǎo)體公司對車載以太網(wǎng)保持著積極的研發(fā)投入，但是市場上其他各類配套開發(fā)、測試技術(shù)似乎才邁出“萬里長征第一步”。因此，現(xiàn)階段對于車載以太網(wǎng)的推進而言相關(guān)開發(fā)工具、配套測試裝備的相對匱乏將成為最大的難題。此外，車載以太網(wǎng)的引入，將給汽車帶來新的數(shù)據(jù)信息安全風險，相關(guān)應(yīng)對措施也值得開發(fā)人員的思考。OPENALLIANCE令I(lǐng)EEE OPENALLIANCE令I(lǐng)EEE aT車載以太網(wǎng)標準化組織三、基于域控制器的混合車載網(wǎng)絡(luò)

如第二部分所述，汽車電子發(fā)展的趨勢似乎表明以太網(wǎng)將取代CAN成為骨干網(wǎng)，而子網(wǎng)將是由若干域控制器（DomainController）組成的車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖，該車載網(wǎng)絡(luò)以高速以太網(wǎng)作為骨干，將5個核心域控制器（動力總成、底盤控制、車身、娛樂、ADAS）連接在一起。各個域控制器在實現(xiàn)專用的控制功能的同時，還提供強大的網(wǎng)關(guān)功能。這種基于域控制器的架構(gòu)改變傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)中ECU到ECU的點到點通信方式，如：在車身控制域內(nèi)部，各部件通過CAN、LIN溝通實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享（類似于傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)），在娛樂子網(wǎng)中，娛樂域控制器與其子部件的通信將通過以太網(wǎng)實現(xiàn)；當一個域需要與其他域交換信息時則經(jīng)由網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)路由實現(xiàn)。標準以太網(wǎng)t面向域控制器的混合車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)ADASl