全面分析車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)及其標準化

　　隨著(zhù)汽車(chē)電子的日益復雜化、聯(lián)網(wǎng)化和寬帶化，車(chē)載以太網(wǎng)順應此發(fā)展趨勢在車(chē)內具有廣闊的發(fā)展空間。本文對車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)，包括其起源、定義、發(fā)展趨勢、主要技術(shù)以及其標準化的概況進(jìn)行了全面的分析和介紹。

　　1.引言

　　以太網(wǎng)作為一種局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)自1973年發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)歷40多年的發(fā)展歷程，成為當前應用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)主要由IEEE 802.3工作組負責標準化，以太網(wǎng)從最初支持10Mbit/s的吞吐量開(kāi)始，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，支持快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆以太網(wǎng)（1Gbit/s）、萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10Gbit/s）及100Gbit/s。同時(shí)，為了適應應用的多樣化，以太網(wǎng)速率打破了以10倍為一級來(lái)提升的慣例，開(kāi)始支持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。以太網(wǎng)技術(shù)不僅支持雙絞線(xiàn)的銅線(xiàn)傳輸介質(zhì)，也支持光纖傳輸。隨著(zhù)城域以太網(wǎng)論壇（MEF）不斷將以太網(wǎng)技術(shù)作為交換技術(shù)和傳輸技術(shù)廣泛應用于城域網(wǎng)建設，以太網(wǎng)已經(jīng)不僅僅局限于局域網(wǎng)應用，可以更廣泛地應用到城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）的領(lǐng)域。

　　在進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域之前，以太網(wǎng)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，同時(shí)還具有技術(shù)成熟、高度標準化、帶寬高以及低成本等優(yōu)勢。隨著(zhù)近年來(lái)汽車(chē)電子化的快速發(fā)展，車(chē)內電子產(chǎn)品數量逐年增加，復雜性日益提高。以太網(wǎng)所具有的技術(shù)優(yōu)勢可以很好地滿(mǎn)足汽車(chē)制造商對車(chē)內互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的需求。但由于車(chē)內電磁兼容的嚴格要求，以太網(wǎng)直到近些年才取得了技術(shù)突破從而得以應用到汽車(chē)內。

　　目前，主流的車(chē)載以太網(wǎng)的技術(shù)標準是基于博通公司的BroadR-Reach（BRR）技術(shù)，IEEE已經(jīng)完成對100Mbit/s車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)的標準化，正在對1Gbit/s傳輸速度的車(chē)載以太網(wǎng)進(jìn)行標準化。車(chē)載以太網(wǎng)在車(chē)內將主要應用在對帶寬需求較高的系統上（見(jiàn)圖1），如高級駕駛輔助系統（ADAS）、車(chē)載診斷系統（OBD）以及車(chē)載信息娛樂(lè )系統等。與傳統的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )不同，車(chē)載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應用所需的更高數據傳輸能力，未來(lái)其將在車(chē)內具有廣泛的應用前景。

　　2.車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)

　　2.1 什么是車(chē)載以太網(wǎng)

　　車(chē)載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車(chē)內電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)。與普通的以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）電纜不同，車(chē)載以太網(wǎng)在單對非屏蔽雙絞線(xiàn)上可實(shí)現100Mbit/s甚至1Gbit/s的數據傳輸速率，同時(shí)還應滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。

　　車(chē)載以太網(wǎng)的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù)，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術(shù)已經(jīng)由單線(xiàn)對以太網(wǎng)聯(lián)盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標準化，因此有時(shí)也稱(chēng)車(chē)載以太網(wǎng)為BroadR-Reach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。

　　車(chē)載以太網(wǎng)的MAC層采用IEEE 802.3的接口標準，無(wú)需做任何適配即可無(wú)縫支持廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（如TCP/IP）。

　　2.2 車(chē)載以太網(wǎng)主要技術(shù)

　　車(chē)載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術(shù)架構如圖2所示。車(chē)載以太網(wǎng)主要涉及OSI的1、2層技術(shù)，本文分別介紹車(chē)載以太網(wǎng)各主要技術(shù)。

　?。?）物理層PHY

　　車(chē)載以太網(wǎng)使用單對非屏蔽電纜以及更小型緊湊的連接器，使用非屏蔽雙絞線(xiàn)時(shí)可支持15m的傳輸距離（對于屏蔽雙絞線(xiàn)可支持40m），這種優(yōu)化處理使車(chē)載以太網(wǎng)可滿(mǎn)足車(chē)載EMC要求。100M車(chē)載以太網(wǎng)的PHY采用了1G以太網(wǎng)的技術(shù)，通過(guò)使用回聲抵消在單線(xiàn)對上實(shí)現雙向通信。車(chē)載以太網(wǎng)的物理層與標準的100BASE-TX的物理層主要區別有：

　　●與100BASE-TX所使用的擾頻器相比，車(chē)載以太網(wǎng)數字信號處理器（DSP）采用了高度優(yōu)化的擾頻器，可以更好地分離信號，比100BASE-TX系的頻譜效率更高。

　　●車(chē)載以太網(wǎng)的信號帶寬為66.7MHz，只有100BASE-TX系統的一半。較低的信號帶寬可以改善回波損耗，減少串擾，并確保車(chē)載以太網(wǎng)可滿(mǎn)足汽車(chē)電磁輻射標準要求。

　?。?）“一對數據線(xiàn)供電”PoDL

　　以太網(wǎng)供電PoE技術(shù)是2003年推出的，可通過(guò)標準的以太網(wǎng)線(xiàn)纜提供15.4W的供電功率。在一條電纜上同時(shí)支持供電與數據傳輸，對進(jìn)一步減少車(chē)上電纜的重量和成本很有意義。由于常規的PoE是為4對電纜的以太網(wǎng)設計的，因此專(zhuān)門(mén)為車(chē)載以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)了PoDL，可在一對線(xiàn)纜上為電子控制單元ECU的正常運行提供12VDC或者5VDC供電電壓。

　?。?）先進(jìn)電纜診斷ACD

　　ACD功能可以通過(guò)分析反射信號的幅度和延遲來(lái)檢測電纜的故障位置，這對于實(shí)現車(chē)載以太網(wǎng)連接的高度可靠性至關(guān)重要。

　?。?）高能效以太網(wǎng)

　　當關(guān)閉引擎時(shí)，車(chē)上電子單元并不是全部關(guān)閉，這時(shí)需要用電池供電，而電池的電量又是有限的，這種情況下可采用高效能以太網(wǎng)技術(shù)通過(guò)關(guān)閉不在用的網(wǎng)絡(luò )以降低耗電量。

　?。?）時(shí)間同步

　　車(chē)內某些應用需要實(shí)現不同傳感器之間的時(shí)間同步，或者在執行某次測量時(shí)需要知道不同節點(diǎn)的時(shí)刻，這就需要在全部參與測試的節點(diǎn)間做到同步，某些精度甚至需要達到亞微秒級別。車(chē)載以太網(wǎng)采用了IEEE 802.1AS的定時(shí)同步標準，該標準通過(guò)IEEE 1588V2的Profile從而用一種更簡(jiǎn)單快速地方法確定主時(shí)鐘，規定了廣義的精確時(shí)間協(xié)議（gPTP）。

　?。?）時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)

　　車(chē)內的許多控制要求通信延遲要在微秒級。在傳統以太網(wǎng)中，只有當現有的包都處理完后才會(huì )處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿(mǎn)足不了車(chē)內應用的需求。為了解決這一問(wèn)題，IEEE 802.3工作組開(kāi)發(fā)了一種高優(yōu)先級的快速包技術(shù)，使得快速包可插入到正在處理的包隊列中被優(yōu)先處理以保證延遲在微秒級范圍內。

　?。?）音視頻橋接AVB

　　為了滿(mǎn)足車(chē)內音視頻應用的低延遲和可保證的帶寬要求，可在車(chē)內使用IEEE802工作組開(kāi)發(fā)的AVB相關(guān)標準。

　　AVB技術(shù)提供了優(yōu)先級、流預留協(xié)議（SRP）、流量整形協(xié)議（FQTSS）等核心功能。AVB在車(chē)內的應用案例有唇同步多媒體播放、在線(xiàn)導航地圖等汽車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用、ADAS以及診斷功能等。

　　IEEE同時(shí)還制定了AVB的傳輸協(xié)議，包括：

　　●IEEE 1722-2011：橋接局域網(wǎng)中的時(shí)間敏感應用第二層傳輸協(xié)議標準，也被稱(chēng)為音視頻傳輸協(xié)議（AVTP）。

　　●IEEE 1733-2011：橋接局域網(wǎng)中的時(shí)間敏感應用第三層傳輸協(xié)議標準。由于該協(xié)議是一個(gè)第三層協(xié)議，預計不會(huì )被汽車(chē)行業(yè)廣泛采用。

　　為了提升AVB的適應性，滿(mǎn)足工業(yè)等更多應用場(chǎng)景，IEEE AVB任務(wù)組已更名為“時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò )”TSN工作組，現在是IEEE802.1五大任務(wù)組之一，致力于開(kāi)發(fā)實(shí)現超低時(shí)延的控制網(wǎng)絡(luò )。

　　2.3 車(chē)載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢

　　車(chē)載電子變得日益復雜，越來(lái)越多的傳感器、控制器以及接口對帶寬的要求越來(lái)越高，車(chē)內不同的計算單元和不同的域之間彼此通信的需求越來(lái)越強。這種復雜性直接導致了對車(chē)內連線(xiàn)使用上的增長(cháng)。在車(chē)載以太網(wǎng)進(jìn)入汽車(chē)應用之前，車(chē)內已有多種不同的標準技術(shù)在應用，包括LIN、CAN、FlexRay、MOST以及LVDS等。幾乎每個(gè)汽車(chē)電子器件都有其特定的線(xiàn)纜和通信要求，這必然導致車(chē)內復雜的連線(xiàn)，車(chē)內線(xiàn)束已成為繼引擎和底盤(pán)之外車(chē)內第三大成本支出的部分，生產(chǎn)環(huán)節中布置配線(xiàn)的人工成本占整車(chē)的50%。同時(shí)，車(chē)內線(xiàn)束在重量上也是繼底盤(pán)和引擎之外占第三位的部分。降低線(xiàn)束重量的技術(shù)將會(huì )直接改善燃油使用的經(jīng)濟性。車(chē)載以太網(wǎng)承載在單線(xiàn)對非屏蔽雙絞線(xiàn)的傳輸介質(zhì)上，使用更小巧緊湊的連接器，將可減少高達80％的車(chē)內連接成本和高達30％的車(chē)內布線(xiàn)重量。

　　據全球著(zhù)名的咨詢(xún)公司弗若斯特沙利文公司（Frost Sullivan）和Strategy Analysis預測，到2020年，全球將部署4億個(gè)車(chē)載以太網(wǎng)端口；到2022年，全球部署的全部車(chē)載以太網(wǎng)端口將超過(guò)所有其他已部署的以太網(wǎng)端口總和。Frost Sullivan還預測，到2020年，對于低端車(chē)型每輛車(chē)上將有6~40個(gè)車(chē)載以太網(wǎng)節點(diǎn)，而豪華車(chē)型和混合/電動(dòng)車(chē)型上將會(huì )有50~80個(gè)車(chē)載以太網(wǎng)節點(diǎn)，有40%的已售車(chē)上使用車(chē)載以太網(wǎng)；到2025年，車(chē)載以太網(wǎng)的市場(chǎng)滲透率將增加至80%。

　　截止到2016年3月底，車(chē)載以太網(wǎng)領(lǐng)域里最為重要的OPEN聯(lián)盟成員已增長(cháng)到300個(gè)，包括汽車(chē)領(lǐng)域里眾多的汽車(chē)廠(chǎng)商、一級供應商、芯片商、技術(shù)公司以及研究機構等。中國車(chē)企和供應商也在積極關(guān)注并逐漸采用OPEN聯(lián)盟的技術(shù)，在OPEN聯(lián)盟中已有一汽集團、北汽、長(cháng)城、泛亞、華晨、恒潤、航盛以及中國信息通信研究院等十幾家中國成員。全世界采用OABR技術(shù)的主流汽車(chē)制造商的數量正在增長(cháng)，截止到2015年10月底，已有多個(gè)車(chē)型上采用了車(chē)載以太網(wǎng)，包括寶馬公司的X3、X4、X5、X6、i3、i8、6系以及7系、捷豹的XJ和XF、以及大眾的帕薩特等。

　　3.車(chē)載以太網(wǎng)標準化

　　在車(chē)載以太網(wǎng)的標準化方面，如下4個(gè)標準化組織或聯(lián)盟起到了主要的推動(dòng)作用，它們是IEEE 802.3和IEEE802.1工作組、汽車(chē)開(kāi)放系統架構聯(lián)盟AUTOSAR、OPEN聯(lián)盟以及AVnu聯(lián)盟，標準化情況匯總見(jiàn)圖3。

　　3.1 IEEE

　　IEEE 802.3制定的局域網(wǎng)標準代表了業(yè)界主流的以太網(wǎng)技術(shù)，車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)是在IEEE802.3基礎上開(kāi)發(fā)研制的，因此IEEE是目前最為重要的車(chē)載以太網(wǎng)國際標準化機構。為了滿(mǎn)足車(chē)內的要求，涉及到IEEE 802.3和802.1兩個(gè)工作組內的多個(gè)新規范的制定和原有規范的修訂，包括PHY規范、AVB規范、單線(xiàn)對數據線(xiàn)供電等。

　　另外，AVB中有關(guān)AV的傳輸、定時(shí)同步等規范還需IEEE的其他技術(shù)委員會(huì )的標準化，如IEEE1722、IEEE1588等。

　　3.2 OPEN

　　OPEN聯(lián)盟于2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及寶馬（BMW）公司發(fā)起成立的開(kāi)放產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在推動(dòng)將基于以太網(wǎng)的技術(shù)標準應用于車(chē)內聯(lián)網(wǎng)。相關(guān)單位可通過(guò)簽署OPEN聯(lián)盟的規范允可協(xié)議成為其成員，參與其相關(guān)規范的制定活動(dòng)。

　　OPEN的主要標準化目標有：

　　●制定100Mbit/s BroadR-R的物理層標準并將其推廣成為開(kāi)放的產(chǎn)業(yè)標準。

　　●在相關(guān)標準化組織中鼓勵和支持開(kāi)發(fā)更高速的物理層技術(shù)規范。

　　●制定OPEN的互通性要求，選擇第三方執行互操作性測試。

　　●發(fā)現車(chē)載以太網(wǎng)在實(shí)現過(guò)程中的標準化缺口。

　　OPEN聯(lián)盟與IEEE802形成緊密的標準化合作。

　　3.3 AUTOSAR

　　AUTOSAR是由汽車(chē)制造商、供應商以及工具開(kāi)發(fā)商發(fā)起的聯(lián)盟，旨在制定一個(gè)開(kāi)放的、標準化的車(chē)用軟件架構。AUTOSAR的規范包括車(chē)用TCP/UDP/IP協(xié)議棧。AUTOSAR獲得了汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的普遍認可，各制造商將放棄私有標準的開(kāi)發(fā)轉而在標準實(shí)現上展開(kāi)競爭，實(shí)現AUTOSAR的標準可使多個(gè)設備無(wú)縫的運行在同一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò )上。

　　3.4 AVnu

　　AVnu聯(lián)盟是由博通聯(lián)合思科、哈曼和英特爾成立，致力于推廣IEEE 802.1的AVB標準和時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )（TSN）標準，建立認證體系，并解決諸如精確定時(shí)、實(shí)時(shí)同步、帶寬預留以及流量整形等重要的技術(shù)和性能問(wèn)題。

　　目前，AVnu已發(fā)布其車(chē)載以太網(wǎng)AVB的認證測試規范，并已認證了多個(gè)型號的產(chǎn)品。

　　需要補充的是，AVnu的技術(shù)不僅僅可應用于汽車(chē)領(lǐng)域，也可應用于專(zhuān)業(yè)A/V、工業(yè)以及消費類(lèi)電子領(lǐng)域。

　　4.結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)汽車(chē)日益智能化和聯(lián)網(wǎng)化，汽車(chē)電子也將更為復雜化，其對帶寬的需求也日益增強。車(chē)載以太網(wǎng)基于目前已經(jīng)非常成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，可以很好地滿(mǎn)足汽車(chē)電子的新需求并為其提供可靠、成熟、低價(jià)和標準化的解決方案，未來(lái)在車(chē)內具有廣闊的發(fā)展空間。由于篇幅所限，本篇涉及到一些技術(shù)和標準化內容未能過(guò)多展開(kāi)。