自动驾驶汽车之“大动脉”- 车载以太网

1、什么是车载以太网

1）车载以太网是一种用于连接汽车内部不同电气设备的新型局域网技术。

2）车载以太网概念是由 OPEN 联盟 SIG 提出来的，也叫IEEE 802.3bw ( 原 BroadR-Reach)，是为汽车联网应用设计的一种以太网物理层标准，如高级安全功能、舒适和信息娱乐功能。

3）车载以太网主要由MAC（介质访问控制）、PHY（物理接口收发器）组成；为实现更高的信号带宽，车载以太网在双绞线电缆上采用全双工通信链路，支持同时收发功能及 PAM3 信令，可实现100Mbit/s及以上的传输速率。

                                                                        图1.车载以太网全双工通信链条

2、 为什么未来汽车会采用车载以太网

1）较高数据吞吐量需求

越来越多的系统生成越来越多的车载数据，因此在数量越来越多的传感器和 ECU 之间需要更快的数据速率和更宽的带宽，必须采用以太网这样的高带宽总线来保证数据传输的速率要求。

                          

                                                                表1. 车载总线拓扑和数据速率对比

2）低延迟需求，如AEB、LKA等ADAS类功能需求；

3）需要整合行业标准以节省成本：用100BASE-T1代替MOST总线；

                             

                                                                                      图2.未来车载以太网标准

4）传统车载网络支持的通信协议较为单一，而车载以太网可以同时支持AVB、TCP／IP、DOIP、SOME/IP等多种协议或应用形式。

a、AVB 是对传统以太网功能的扩展，通过增加精确的时钟同步、带宽预留等协议来增强传统以太网音频/视频传输的实时性，是极具发展潜力的网络音视频实时传输技术；

b、SOME／IP规定了车载摄像头应用的视频通信接口要求，可应用于车载摄像头领域，并通过API实现驾驶辅助摄像头的模式控制。

c、车载时间敏感网络（TSN）则引入时间触发式以太网的相关技术，能高效的实现汽车控制类信息的传输。

d、POE （Power Over Ethernet）功能可在双绞线传输数据的同时为连接的终端设备供电，省去了终端外接电源线，降低了供电的复杂度。

5）车载以太网标准，如音频视频桥接、时间敏感网络，可支持新的应用；

6）有助于减少整车线束的重量和成本；

a、车载以太网使用单对非屏蔽电缆可支持15m的传输距离(对于屏蔽双绞线可支持40m)，这种优化处理使车载以太网可满足车载EMC要求。可减少高达80%的车内连接成本和高达30%的车内布线重量。

b、专门为车载以太网开发的PoDL，同时支持供电和数据传输，可为ECU的正常运行提供12VDC或者5VDC供电电压。

 

3、车载以太网在汽车上的应用

 

车载以太网应用的三个阶段：

1） 阶段一：子系统级别应用

实例：基于DoIP标准的车载诊断系统（OBD）和ECU软件刷新

a、以ECU软件刷新为例，和原有的CAN（1M／S）相比，刷新时间将缩短为原来的百分之一，该应用将大大提升诊断和刷新效率，节省时间、生产及服务成本。

b、基于DoIP标准的车载诊断系统（OBD），具有高速的数据传输速率。总数据速率达到100MBit/s，与使用ISO-TP的高速CAN相比，DOIP诊断总体速率是CAN诊断的100-200倍。同时，DOIP技术可以完美匹配IT基础设施，固定诊断和远程诊断均能应用。

2） 阶段二：系统级别应用

实例：应用于车载信息娱乐系统和ADAS系统

随着BroadR－Reach技术的日益成熟和标准化的不断推进，基于AVB，SOME／IP等技术将逐步推广使用，车载以太网将以单节点或多个节点的形式进行搭载，如使用高分辨率的IP摄像头的全景泊车等驾驶辅助系统和多屏互动的高清信息娱乐系统。

                                  

                                                                                   图3. 车载以太网在子系统和系统级别的应用

3） 阶段三：整车架构级别应用

实例：以太网为主干网的车载网络

未来的汽车总线将由以太网将取代CAN成为主干网，而子网将是由若干域控制器（Domain Controller）组成。如下图所示，该车载网络以高速以太网作为骨干，将4个核心域控制器（动力总成域、车身域、影音域、ADAS域）连接在一起。同时，车内的网络还可以通过车联网模块与外部的云端服务平台进行信息交互。

 

                                  

                                                                        图4. 车载以太网作为总线网络的主干网

 

4、车载总线技术应用路线

 

                              

                                                                              图5. 车载总线技术应用路线图

                                                      注：信息来源于2018年2月，车载以太网会议 – BMW AG，Dr. Kirsten Matheus

车载总线应用规划大致可划分为三个阶段：

1）2010以前：主要应用一些不支持IP和大数据传输的总线技术

2）2010~2020 ：开始不断应用一些支持IP和大数据传输的总线技术

3）2020~2025 ：主要应用新开发的以太网总线技术

 

参考资料：

 

1. 车载以太网优势与挑战

2. 汽车以太网：查看真实信号

3. Automotive Ethernet - The Future for In-Vehicle Networks

4. 下一代汽车网络：车载以太网技术现状与发展

 

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