本文由塗孝軍，張瑩，李曉平聯合創作
前言
随着半導體技術和智能化技術的發展演進，越來越多的新技術在汽車領域得到了推廣，汽車電器成本在整車成本中所占比重也在不斷增長，實作車載控制器間資料互動的網絡帶寬也日益增長，CAN、FlexRay 等傳統汽車網絡帶寬極限很難滿足新一代汽車的發展需求。此外，伴随着車輛網聯化、智能化的推進，雲和大資料的運用，以及自動駕駛技術的發展，基于新的汽車網絡技術，構築新的汽車網絡架構已經成為開發新一代高性能、高可靠性汽車的必然基礎。
1 汽車網絡技術發展
1.1 典型汽車網絡技術
現今汽車普及的網絡技術主要有 CAN、FlexRay、LIN、MOST 和 LVDS 等。以上通訊協定主要是由汽車行業聯盟組織發起後推廣的，承載着深厚的汽車工業色彩。
CAN 是使用最為廣泛的汽車通訊技術，可用于各類控制指令、互動資料的傳輸，傳輸帶寬可達 1Mbps。FlexRay 技術帶寬可達 20Mbps，可支援多種拓撲形式，但成本相對較高，主要運用在中高端車線控系統，如線控轉向、線控換擋和制動器控制等。LIN 是一種低成本汽車通用串行總線，最大傳輸速度約 20kbps，适用于對網絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用，如車門、車窗和後視鏡的控制等。MOST 總線主要運用場景是多媒體流資料傳輸，以 MOST150 為例，其最大傳輸帶寬可達 150Mbps，但因為供應鍊體系相對單一，開發成本高，主要使用者中高端車載影音系統。LVDS 一種基于電氣數字信号的通訊技術，對線束要求較高，通常采用銅纜或雙絞線作為高速資料的傳輸媒體，主要用于數字視訊傳輸，如全景系統螢幕和攝像頭間的圖像資料傳輸。
1.2 汽車以太網技術
如圖 1，2010 年博通（Broadcom）公司提出的 BroadR- Reach 技術。該技術可實作以單對非屏蔽雙絞線為傳輸媒體的汽車以太網通訊，在提供 100Mbps 及更高的帶寬性能的同時可滿足汽車電磁相容要求。此外，汽車以太網技術能有效降低網絡複雜性和線纜成本，線束約可減重 30%。
圖 1 BroadR-Reach 技術示意圖
2 汽車以太網技術現狀分析
2.1 汽車以太網技術聯盟
目前推動汽車以太網技術應用與發展的組織包括：OPEN Alliance（One-Pair Ether-Net Alliance SIG）聯盟，主要緻力于汽車以太網推廣與使用，該聯盟通過推進 BroadR- Reach 單對非屏蔽雙絞線以太網傳輸技術的标準化和汽車以太網标準的完善逐漸實作汽車以太網技術标準的開放系統的建立。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers） 電氣和電子工程師協會則根據汽車行業需求，對汽車以太網的實體層和上層通信協定進行标準化，其中，IEEE 802.3 主要負責定義傳輸實體層的标準，IEEE 802.1 則主要負責定義二層資料鍊路中的标準。AVNu 聯盟關注的是汽車以太網上層協定，該聯盟是一個旨在建立了一個可互操作的生态系統的社群，通過認證使用開放标準來滿足不同應用程式的精确計時和低延遲通訊需求。AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）即汽車電子軟體标準的聯盟，從 AUTO-SAR 4.0 版本開始包含汽車以太網相關内容，主要為 DoIP 協定，新版本中已經支援車載 Ethernet AVB 以及 SOME/IP 協定。
2.2 汽車以太網技術優勢
2.2.1 低成本下的高帶寬
智能網聯汽車浪潮下，自動駕駛系統、智能座艙系統和車輛大資料采集等引發了車輛對總線帶寬需求的爆發式增長。新一代汽車需要的是擴充性強、高帶寬，且易于與其他控制器或系統互動的車載網絡技術，同時有利于減少功耗、線束重量和成本。對于上述需求汽車以太網技術是一種很有優勢的解決方案，以 BroadR-Reach 技術為例，能在夠提供100Mbps 及更高的寬帶性能同時實作 30%的線束減重、80% 通信連接配接成本降低。
2.2.2 支援多應用場景的協定镞
典型車載網絡技術支援的通信協定相對單一，而車載以太網技術可同時提供包括 TCP/IP、AVB、SOME/IP、DOIP 等多種協定镞。作為傳統以太網功能的擴充，AVB 基于新增的精準時鐘同步、流預留、隊列控制等協定，可提升傳統以太網音視訊傳輸的實時性，是極具發展潛力的網絡音視訊實時傳輸技術。車載時間敏感網絡（TSN，Time-Sensitive Networking）是 AVB 的進一步拓展，TSN 引入時間觸發式以太網的理念，能滿足汽車控制類資料的傳輸的超低延遲時間要求，可用于自動駕駛資料、車輛控制指令傳輸等高實時性要求場景。SOME/IP（Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP）則定義了面向服務的通信傳輸方法，與傳統 CAN/LIN 等總線面向信号的通信方式有顯著的差别，是新一代面向服務汽車網絡架構（SOA）的關鍵通訊技術。此外，1Gbit 速率通信标準的高速汽車以太網将實作 POE（Power Over Ether-net）功能和高效節能以太網（EEE，Energy-Efficient Ethernet）功能，POE 功能可在雙絞線發送資料的同時為網絡的終端裝置提供電源，省去終端外接供電，降低了線束複雜度。
2.2.3 無線功能
無線網絡 WiFi 技術的發展是最能展現以太網是如何适應新需求的、發掘新潛力的事例之一。類似于 BroadR-Reach， WiFi 技術也有面向汽車工業領域的變種，即汽車無線存取技術（WAVE）；在通信規範 IEEE802.11p 中對 WAVE 進行了較長的描述，IEEE802.11-2012 中也納入了相關章節進行定義。汽車以太網技術的推廣将成為 WAVE 普及的最佳載體，在智能交通領域，V2X 也将為 WAVE 技術提供重要應用場景。
2.2.4 可擴充性強
以太網的可持續更新及相容擴充技術，是其能在網際網路技術的發展中永葆生機關鍵因素之一。在完成标準以太網（10Mbps）、快速以太網（100Mbps）和千兆以太網（1000 Mbps）演進和疊代後，以太網還在不斷的自我更新擴充；它不但完成了持續性帶寬擴容，還維持了對原有協定的相容性。将以太網技術運用到汽車領域，引入的是一種穩定的高帶寬通信技術，更給汽車帶來了一種對潛在場景的擴充能力。
2.3 汽車以太網的發展趨勢
2.3.1 汽車以太網技術的應用
作為一種新的汽車網絡技術，汽車以太網在汽車的搭載普及不是一蹴而就的，它不會在短周期内完全代替現有車載網絡技術。在進入汽車領域後，車載以太網技術更多的是先從部分子系統慢慢融合，并最終推進汽車網絡架構的演進過程。如圖 2，目前可預期的車載以太網技術的運用可歸納成如下階段：
圖 2 汽車以太網技術應用發展路線
第一階段，面向汽車診斷功能（OBD）和 ECU 軟體更新的 DOIP 協定的推廣運用。以 ECU 軟體更新為例，相對于傳統基于 CAN 的重新整理（1Mbps），刷寫帶寬可提高 100 倍，此舉将顯著提高汽車診斷和軟體更新時效性，降低生産和服務成本。
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 技術不斷完善，産業氛圍的形成。基于 SOME/IP、AVB 等協定，車載以太網技術會以獨立的節點或小範圍内子系統的形式實作量産，如使用高清以太網攝像頭的環視泊車系統，基于以太網傳輸的多屏互動的高清智能座艙系統等。
第三階段，上述階段更多的是聚焦于個别指定的子系統， 基于的前兩個階段的積累，将開啟以太網為汽車主幹網絡， 內建動力總成、底盤控制、車身控制、數字座艙等，形成一個跨域汽車以太網網絡，并逐漸引入 TSN，Giga Mbps 超高速汽車以太網等技術。
2.3.2 基于域控制器的混合汽車網絡拓撲
汽車電子電器網絡架構演進方向預示着以太網将替代CAN 成為高速主幹網，基于域控制器（Domain Controller） 建構的網絡拓撲将成為子網系統。如圖 3，該拓撲中以太網為主幹網絡，将車載域控制器系統（車身域、底盤域、動力域、資訊娛樂域、輔助駕駛域）進行高速互聯。域控制器除了完成專用的控制邏輯外，還将作為子網關實作跨域資料互動功能。面向域控制器的網絡拓撲改變傳統車輛網絡架構中控制器到控制器的點對點互動方式。新架構中，如：車身域内部，各控制器基于 CAN、LIN 總線完成資料互動（類似于傳統汽車網絡架構），在資訊娛樂域中，娛樂域控制器與其子部件的通信将通過以太網實作；如一個域需跨與其他控制器互動資訊時則需經由車域網關經以太網路由完成。
圖 3 以太網為主幹網的混合汽車網絡拓撲示意
2.3.3 汽車以太網帶寬擴充
針對不同場景下通訊帶寬需求，汽車以太網在100BASE- T1 的基礎上進行了擴充，目前汽車以太網已經正式釋出的技術标準包括：100Mbps 汽車以太網 IEEE802.3bw（100BASE- T1）、1000Mbps 汽車以太網 IEEE802.3bp（1000BASE-T1）、 10Mbps 汽車以太網 IEEE802.3cg（10BASE-T1S：10Mbps Single Pair Ethernet）和 Giga Mbps 級汽車以太網 IEEE802.3ch（Multi-Gig Automotive Ethernet）等。
值得注意的是與百兆汽車以太網和千兆快速以太網相比，10M 汽車以太網采用了總線型的拓撲結構，如圖 4 所示， 該拓撲可支援 25m 總線傳輸。10M 汽車以太網的以上特性，可應用于動力系統、底盤系統、車身系統、音頻系統、超音波雷達等大部分車輛功能系統。未來技術成熟後，有可能會替代現有的車輛 CAN 總線系統。
圖 4 10M 以太網總線式拓撲示意圖
3 汽車以太網技術的挑戰
雖然在汽車以太網标準制定方面有 OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR 等組織積極推動，但是各類規範、标準的豐富和量産落地還需一些時日；雖然博通、恩智浦、馬威爾等車載晶片供應商對汽車以太網維持着高增長的研發投入，但是相對于傳統 CAN/LIN 通訊技術，目前市場上其他各類配套開發、測試技術還處于初級階段。[8][9]是以，目前技術标準的完整體系建構、配套産業供應鍊的形成是車載以太網推廣普及重要挑戰。此外，随着汽車以太網的引入，全新的汽車網絡拓撲，更為豐富的應用場景将給汽車帶來新的資訊安全考驗，相關應對政策也值得汽車行業從業者進一步思考。
4 總結
汽車智能網聯化大浪已經來臨，ADAS 技術的快速革新、高品質數字座艙、OTA 遠端更新、5G 通訊技術等的運用推進着車載網絡帶寬需求的爆發式增長。擁有高帶寬的汽車以太網能很好的滿足上述需求，且針對未來更高性能需求，其可擴充支援超高 Giga 比特帶寬，超低延遲時間 TSN 時間敏感型以太網技術等。顯然，汽車以太網将成為建構新一代汽車高速通信網絡架構的基石，相對于上世紀末 CAN 通訊技術給汽車工業帶來的變革，它将更具革命性。當然，汽車以太網技術的發展也面臨着行業配套發展剛起步、新的資訊安全風險等衆多挑戰，讓我們一起期待汽車以太網技術的發展。
參考文獻
[1]李海甯.基于 Ethernet AVB 的汽車混合網絡的分析與設計[D].重慶郵電大學,2016.
[2]孟祥坤,張起朋,張宏偉.車載以太網技術發展與測試方法研究[J].汽車電器,2019,(05):40-44.
[3]孟超.基于以太骨幹網的域集中式網絡架構設計與驗證[D].吉林大學,2018.
[4]吳晨曉.汽車網絡通信總線現狀及發展[J].汽車實用技術,2019, (02):203-204.
[5]提芳.車載時間敏感網絡流預留協定研究[D].導師：陳晨.西安電子科技大學,2018.
[6]楊光,潘俊家,崔根群,安康,朱永健.車載以太網TCP/IP 協定一緻性測試系統研究[J].現代電子技術,2020,43(07):29-33+38.
[7]李志濤.車載以太網系統測試的研究與分析[J].汽車電器,2019, (10):9-12.
[8]王鑫,田麗媛.車載以太網技術發展與測試方法研究[J].網絡安全技術與應用,2019,(10):116-117.
[9]董明,張久慶,潘歡,楊尚詠,劉榮濤.車載以太網網關的設計和應用[J].中國內建電路,2019,28(06):55-59.
寫在最後
關于投稿
如果您有興趣給《九章智駕》投稿（“知識積累整理”類型文章），請掃描右方二維碼，添加從業人員微信。
注：加微信時務必備注您的真實姓名、公司、現崗位
以及意向崗位等資訊，謝謝！
“知識積累”類稿件品質要求：
A：資訊密度高于絕大多數券商的絕大多數報告，不低于《九章智駕》的平均水準；
B：資訊要高度稀缺，需要80%以上的資訊是在其他媒體上看不到的，如果基于公開資訊，需要有特别牛逼的獨家觀點才行。多謝了解與支援。