10BASE-T1S標準如何支持和推動(dòng)新汽車(chē)E/E架構的部署？

新的IEEE汽車(chē)以太網(wǎng)標準不斷涌現，10BASE-T1S以太網(wǎng)是最新標準之一。本文討論汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢，它們反映了汽車(chē)電子/電氣(E/E)架構的變化，以及新10BASE-T1S標準如何支持和推動(dòng)這種新架構的部署。

大趨勢提供新機遇

汽車(chē)行業(yè)目前正在經(jīng)歷大變革。汽車(chē)制造商需要快速針對幾個(gè)大趨勢提供解決方案，例如個(gè)性化、電氣化、自動(dòng)化和全面互連。OEM需要徹底改變他們的E/E架構，以支持新功能。雖然這種變革帶來(lái)了重大的技術(shù)挑戰，但也為OEM提供了機會(huì )，讓他們開(kāi)始考慮在E/E架構中不再使用基于獨立域的解決方案，因為隨著(zhù)一代代平臺發(fā)布，此類(lèi)解決方案隨著(zhù)控制模組的不斷增加而變得笨重不堪。在架構發(fā)生這種重大改變后，OEM可以集中精力開(kāi)發(fā)更出色的技術(shù)解決方案，同時(shí)通過(guò)汽車(chē)個(gè)性化、銷(xiāo)售服務(wù)和無(wú)線(xiàn)(OTA)升級等功能增加售后收入。該行業(yè)正在轉向一種常見(jiàn)的新架構，通常被稱(chēng)為區域架構，并希望利用其他行業(yè)（特別是IT行業(yè)）的技術(shù)和經(jīng)驗，使汽車(chē)成為車(chē)輪上的計算機。

區域架構按實(shí)際的物理位置，而不是按功能來(lái)決定連接，基于獨立域的架構屬于后者（按功能來(lái)決定連接）。這種改變大大減少了汽車(chē)中的電子控制單元(ECU)的數量，并且讓線(xiàn)纜總長(cháng)減少達1 km。其次，它讓硬件和軟件解耦，提供以服務(wù)為導向的架構(SOA)。許多OEM都開(kāi)始大力投資軟件自主研發(fā)，希望能夠提供端到端解決方案，以簡(jiǎn)化平臺集成，提供更多跨職能的功能。這種可擴展的軟件平臺方法可以最大限度減少設計變更，增加新的收入來(lái)源，幫助減少長(cháng)期的研發(fā)投資，縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)支持多個(gè)車(chē)型系列。

這些革命性的架構變革帶來(lái)了很多挑戰，促使許多OEM對整個(gè)組織進(jìn)行重組，從各個(gè)部門(mén)各自負責特定獨立域功能控制器，轉向集成度更高的跨職能組織。

汽車(chē)正快速成為使用以太網(wǎng)設備的主要領(lǐng)域，在汽車(chē)中廣泛部署以太網(wǎng)則成為成功推出這些新架構的關(guān)鍵基礎之一。以太網(wǎng)帶來(lái)了所需的擴展能力，支持多種速率等級，是一種成熟可靠的傳輸媒體，支持基于服務(wù)的架構，采用充分開(kāi)發(fā)的安全和防護構建模塊。以太網(wǎng)采用定義明確、易于理解的OSI模型，能夠更輕松的管理整個(gè)車(chē)輛的復雜網(wǎng)絡(luò )。

圖1. 汽車(chē)的區域架構。

汽車(chē)領(lǐng)域的獨特需求

雖然可以利用其他行業(yè)的許多以太網(wǎng)基本概念，但汽車(chē)E/E架構有一些獨特的需求，因此需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)。對于汽車(chē)，一個(gè)關(guān)鍵因素就是減輕汽車(chē)的重量，這會(huì )直接影響到汽車(chē)的行駛里程。如今使用的電纜線(xiàn)束是汽車(chē)中最重的三個(gè)子系統之一（重達60千克）。傳統的以太網(wǎng)電纜使用四個(gè)差分對進(jìn)行數據傳輸，這會(huì )增大汽車(chē)的重量和布線(xiàn)復雜性，對汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)不是最佳選擇。為了解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新的IEEE標準，支持通過(guò)單對雙絞線(xiàn)進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，此外，還通過(guò)區域架構縮短線(xiàn)纜線(xiàn)束的長(cháng)度，以顯著(zhù)節省線(xiàn)纜成本并減輕重量。

哪些因素驅動(dòng)對10BASE-T1S的需求？

隨著(zhù)基于區域的架構概念不斷發(fā)展，為了充分利用這種新架構的優(yōu)勢，顯然需要將以太網(wǎng)連接擴展到終端傳感器和驅動(dòng)器?，F有的傳統連接技術(shù)（例如FlexRay和CAN）通常要求在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現協(xié)議轉換，這可能導致成本、復雜性和延時(shí)增加?，F有的汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)（例如100BASE-T1）需要使用點(diǎn)對點(diǎn)交換連接，無(wú)法滿(mǎn)足支持終端連接應用向以太網(wǎng)過(guò)渡的系統成本要求。所以，IEEE呼吁提供解決此問(wèn)題的方法。一些關(guān)鍵要求包括：

■ 實(shí)現比現有技術(shù)更快的通訊速度；例如，CAN(FD)

■ 取代FlexRay等傳統車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

■ 如果使用100BASE-T1連接ECU不經(jīng)濟高效，則需要100BASE-T1的    替代方案

■ 能夠支持簡(jiǎn)單、冗余的傳感器網(wǎng)絡(luò )連接

什么是10BASE-T1S？

10BASE-T1S規范是IEEE 802.3cg標準的一部分，于2020年2月發(fā)布。10BASE-T1S提供汽車(chē)以太網(wǎng)生態(tài)系統中缺失的一環(huán)，支持真正的以太網(wǎng)到邊緣連接，并滿(mǎn)足區域架構的需求。

10BASE-T1S與其他汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)不同的一個(gè)獨特之處：它支持多點(diǎn)拓撲結構，所有節點(diǎn)都通過(guò)同一對非屏蔽雙絞線(xiàn)連接。這種總線(xiàn)配置提供一個(gè)優(yōu)化的BOM，只需在每個(gè)節點(diǎn)上部署一個(gè)以太網(wǎng)PHY，無(wú)需采用與其他以太網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)的切換或星型拓撲。該標準規定必須支持至少8個(gè)節點(diǎn)（可以支持更多節點(diǎn)），總線(xiàn)長(cháng)度必須達到25米。

 圖2. 10BASE-T1S總線(xiàn)拓撲。

該標準的另一個(gè)新特點(diǎn)是物理層沖突規避(PLCA)，顧名思義，就是避免共享網(wǎng)絡(luò )上發(fā)生沖突。這種配置確保確定性最大延時(shí)主要由網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)數量和要傳輸的數據數量決定。每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )獲得傳輸機會(huì )。如果彼時(shí)一個(gè)節點(diǎn)沒(méi)有數據要傳輸，它會(huì )將傳輸機會(huì )移交給下一個(gè)節點(diǎn)，以充分利用可用的10 Mbps帶寬。

由于它是交流耦合系統，所以也支持10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò )供電。這樣可進(jìn)一步節省電纜，減小連接器的大小，并因電纜節省和連接器復雜性降低而實(shí)現更高的可靠性。數據線(xiàn)供電標準化(PoDL)可用于點(diǎn)對點(diǎn)配置，目前作為IEEE標準改進(jìn)的一部分，也支持多點(diǎn)拓撲。

10BASE-T1S在汽車(chē)領(lǐng)域的應用廣泛多樣，多種傳感器和驅動(dòng)器在車(chē)身領(lǐng)域、舒適性、信息娛樂(lè )以及ADAS系統中的跨多個(gè)功能應用仍在探討中。

結論

汽車(chē)E/E架構正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。向區域E/E架構過(guò)渡迫在眉睫。10BASE-T1S提供缺失的鏈接，通過(guò)優(yōu)化的以太網(wǎng)到邊緣連接支持這種過(guò)渡。在這個(gè)部署過(guò)程中，仍然需要克服一些問(wèn)題，例如以太網(wǎng)連接會(huì )增加模塊實(shí)施方案的元件成本和復雜性。10BASE-T1S通過(guò)降低系統成本，以及提供多種支持不同類(lèi)型的信號鏈分區的產(chǎn)品選擇來(lái)解決這些問(wèn)題。