以太網(wǎng)上汽車(chē)，確保實(shí)時(shí)性和故障安全性（上）

在消費類(lèi)產(chǎn)品上已普及的以太網(wǎng)，在汽車(chē)領(lǐng)域也開(kāi)始廣泛采用。2008年前后起用于故障自我診斷，而2013年以后，其用途將擴展到周邊監控用攝像頭系統、運行輔助系統及影像傳輸領(lǐng)域。將來(lái)還有可能用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的主干網(wǎng)。由于消費類(lèi)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，汽車(chē)世界的“開(kāi)放化”似有可能加速。

　　為了將“以太網(wǎng)”用于連接汽車(chē)內ECU和電裝品的網(wǎng)絡(luò )，即車(chē)載LAN規格，汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始扭轉航向。以太網(wǎng)已于2008年前后在故障自我診斷（OBD）用途上開(kāi)始實(shí)用化。今后將在提高實(shí)時(shí)性、確保故障安全、削減成本以及提高數據傳輸速度等的同時(shí)，進(jìn)一步擴大適用范圍注1）。

注1） 法規的強化等也將推動(dòng)以太網(wǎng)的普及。例如，據麥瑞半導體日本稱(chēng)，“ISO13400規定，2019年之前，汽車(chē)必須配備采用以太網(wǎng)IP的OBD功能”（）。此外，關(guān)于車(chē)載攝像頭，美國有必須要配備后攝像頭的動(dòng)向等。

　　具體來(lái)說(shuō)，以預定2013年上市的新車(chē)周邊監控攝像頭系統中的利用為契機，2014年車(chē)載AV產(chǎn)品的影像傳輸（信息）系統似也將利用以太網(wǎng)。

　　2015年以后，以太網(wǎng)的應用范圍可能會(huì )擴大到將綜合了車(chē)身系統、控制系統、安全系統及信息系統等的網(wǎng)關(guān)連接起來(lái)的主干網(wǎng)絡(luò )（圖1）。甚至就控制系統，也“考慮在部分用途采用”（豐田）。

圖1：以太網(wǎng)普及的先兆
因可確保實(shí)時(shí)性和故障安全以及削減成本等，以太網(wǎng)在汽車(chē)領(lǐng)域的應用似將增加。以太網(wǎng)從2008年開(kāi)始在OBD用途實(shí)現實(shí)用化，預計從2013年開(kāi)始將用于攝像頭系統。2014～2015年前后用于影像傳輸系統，2020年之前有可能導入控制系統和主干網(wǎng)?！?/P>

端口將達2.7億

　　車(chē)載以太網(wǎng)可能會(huì )與其他已有車(chē)載LAN規格一同普及。例如，信息系統將與“CAN”和“MOST”，安全系統將與CAN和“FlexRay”共同被采用（圖2）?？刂葡到y方面，制動(dòng)器和姿勢控制等要求極高實(shí)時(shí)性和可靠性的用途將采用FlexRay和CAN。

　　據標準化團體“IEEE802.3”下設的RTPGE（Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet） Study Group預測，汽車(chē)領(lǐng)域的以太網(wǎng)端口數將在2015年一舉激增，到2019年估計會(huì )達到2.7億（圖3）。

圖2：與其他規格共存
車(chē)載以太網(wǎng)的應用范圍雖然不斷擴大，但依用途，可能會(huì )與其他已有規格并存。例如，在安全系統中估計會(huì )與CAN和FlexRay共同得以采用。

圖3：2019年端口數將達2.7億
據制定1Gbit/秒車(chē)載以太網(wǎng)標準的RTPGE Study Group預測，車(chē)載以太網(wǎng)的端口數2019年將達到2.7億。

變成開(kāi)放式環(huán)境

　　因以太網(wǎng)車(chē)載用途的普及，汽車(chē)的環(huán)境將向消費類(lèi)產(chǎn)品靠近。例如，可將高畫(huà)質(zhì)數字影像在多臺產(chǎn)品上利用、可利用基于移動(dòng)通信的云服務(wù)等。與智能手機和平板終端的聯(lián)動(dòng)也會(huì )變得容易。

　　CAN、FlexRay及MOST等以往的車(chē)載LAN規格，是汽車(chē)行業(yè)專(zhuān)門(mén)為本行業(yè)開(kāi)發(fā)的。因此，是一種難以與外部產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)連接的“封閉環(huán)境”。隨著(zhù)以太網(wǎng)的應用，其有望變成像消費類(lèi)產(chǎn)品那樣的“開(kāi)放”環(huán)境。

　　實(shí)際上，實(shí)現標準制定的過(guò)程以及參與制定的成員企業(yè)都發(fā)生了很大的變化。比如，豐田早就以白皮書(shū)形式向行業(yè)團體提出了其正在討論的車(chē)載以太網(wǎng)標準。這是因為，僅是為與外部產(chǎn)品和服務(wù)實(shí)現聯(lián)動(dòng)，就需要從外部廣泛收集意見(jiàn)。

　　這種事例在汽車(chē)行業(yè)比較少見(jiàn)。以往的車(chē)載LAN規格是由非常有限的企業(yè)制定和導入標準后，其他汽車(chē)廠(chǎng)商才開(kāi)始采用的。

　　而對此次的白皮書(shū)，德國寶馬、美國通用汽車(chē)（GM）及韓國現代汽車(chē)等世界各地的汽車(chē)廠(chǎng)商都表示了極大的關(guān)心，現已開(kāi)始根據該白皮書(shū)討論標準制定。

　　參與車(chē)載以太網(wǎng)標準制定的企業(yè)也不同于以往。除了以前主導標準制定的歐洲企業(yè)等汽車(chē)行業(yè)的企業(yè)外，英特爾、思科系統及博通等美國IT企業(yè)也參與其中。有了重視開(kāi)放性的美國企業(yè)參與，車(chē)載以太網(wǎng)的機制將成為一個(gè)更加開(kāi)放的環(huán)境。

高速性和擴展性出色

　　以太網(wǎng)導入車(chē)載用途的主要原因在于其高速的通信速度及高擴展性（圖4）。如果是普通以太網(wǎng)，利用電信號可將速度提高至1Gbit/秒，利用光信號可提高至10Gbit/秒。

圖4：著(zhù)眼于“快速、高擴展性”的特點(diǎn)
汽車(chē)行業(yè)之所以關(guān)注以太網(wǎng)，是因為其有望實(shí)現高速傳輸。另外，與外部的連接性以及可支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲的高擴展性也是以太網(wǎng)的特點(diǎn)。

　　利用多個(gè)高畫(huà)質(zhì)攝像頭的系統以及利用多臺顯示器觀(guān)看高清影像的后座娛樂(lè )系統（Rear Seat Entertainment）需要100Mbit/秒、主干網(wǎng)用途需要1Gbit/秒以上的數據傳輸速度。以太網(wǎng)即使在車(chē)載用途也可實(shí)現100Mbit/秒的水平。今后的目標是，在車(chē)載用途通過(guò)電信號實(shí)現1Gbit/秒的速度。

　　關(guān)于另一個(gè)特點(diǎn)——高擴展性，支持通信產(chǎn)品和消費類(lèi)產(chǎn)品常用的TCP/IP時(shí)，與外部產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的聯(lián)動(dòng)將變得容易?？芍С?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/總線(xiàn)">總線(xiàn)型及星型等多種網(wǎng)絡(luò )拓撲。

為解決課題積極展開(kāi)行動(dòng)

　　雖然對以太網(wǎng)的期待日益高漲，但車(chē)載用途在以下方面還存在課題：（1）實(shí)時(shí)性、（2）故障安全、（3）導入成本、（4）數據傳輸速度。其中，要想擴大車(chē)載用途，必須解決實(shí)時(shí)性和故障安全的課題。

　　消費類(lèi)用途的以太網(wǎng)在盡力服務(wù)（Best Effort）型通信中對延遲時(shí)間沒(méi)有保證（圖5）。因此，如果不確保實(shí)時(shí)性，控制系統自不必說(shuō)，信息系統也無(wú)法應用。故障安全方面，如果從故障中恢復的時(shí)間“最大需要數十秒的話(huà)，就難以用于車(chē)載用途”（某汽車(chē)企業(yè)的技術(shù)人員）。

圖5：計劃確保實(shí)時(shí)性和故障安全等
要想將以太網(wǎng)用于車(chē)載用途，必須對實(shí)時(shí)性和故障安全采取對策，而且存在成本還比較高等課題。因此，各公司為解決課題各盡所能，目前已經(jīng)開(kāi)始考慮用于信息系統。今后還設想用于控制系統，計劃進(jìn)一步加以改善。

　　以太網(wǎng)在共7層的OSI基本參考模型中，規定下層的物理層和數據鏈路層兩個(gè)層。其中，將主要通過(guò)數據鏈路層的改善，來(lái)提高實(shí)時(shí)性和確保故障安全。

　　課題的解決以思科和英特爾等2009年成立的“AVnu聯(lián)盟”（圖6）為中心推進(jìn)。該團體為了除家庭以外還在汽車(chē)內構筑高品質(zhì)視聽(tīng)環(huán)境，推進(jìn)了“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Ethernet AVB）的采用。汽車(chē)行業(yè)著(zhù)眼于此，就車(chē)載用途所需的實(shí)時(shí)性和故障安全展開(kāi)了討論。

圖6：汽車(chē)行業(yè)參加車(chē)載以太網(wǎng)的標準制定團體
汽車(chē)行業(yè)的多家企業(yè)為制定以太網(wǎng)標準紛紛展開(kāi)了行動(dòng)。其中，車(chē)載產(chǎn)品廠(chǎng)商哈曼、半導體廠(chǎng)商博通是AVnu聯(lián)盟和OPEN Alliance SIG兩大團體的主導企業(yè)。

　　Ethernet AVB的現有標準有“IEEE802.1AS/Qat/Qav/BA”等4個(gè)項目的規格（表1）。根據這些規格，能實(shí)現提前為特定用途確保通信帶寬的“帶寬預約”及時(shí)間同步，并將延遲時(shí)間控制在7跳點(diǎn)（hop）、2ms以下。

　　在部分車(chē)載用途中，Ethernet AVB的現行標準已經(jīng)達到實(shí)用水平。比如，7跳點(diǎn)、2ms以下的延遲時(shí)間“雖然不能一概而論，但滿(mǎn)足了車(chē)載攝像頭系統和信息系統用途的標準”（瑞薩電子）。

　　該公司試制了Ethernet AVB的IP內核，將其安裝于FPGA等，進(jìn)行了設想用于信息系統的動(dòng)作演示，并確認可以正常工作（圖7）。在展示中，瑞薩電子利用IEEE802.1Qat為影像傳輸確保了帶寬，在影像傳輸過(guò)程中，即使在網(wǎng)上進(jìn)行其他數據通信也能穩定傳輸影像數據。

圖7：利用Ethernet AVB實(shí)現流暢的影像播放
瑞薩電子在“人與車(chē)科技展2012”上利用Ethernet AVB進(jìn)行了演示。即使傳輸影像時(shí)在同一網(wǎng)絡(luò )內與個(gè)人電腦和硬盤(pán)進(jìn)行數據交換，也能順利接收影像數據進(jìn)行播放。而如果是普通以太網(wǎng)的話(huà)會(huì )產(chǎn)生延遲，導致影像混亂。