以太网与车载系统：金风玉露一相逢，便胜却人间无数
2013-11-12 11:43:02   来源：日本经济在线   作者:    评论：0

　　以太网是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，也是应用最为广泛的局域网。以太网从今年开始进入车载LAN系统，从车载摄像头的影像传输系统开始，其应用范围逐渐扩大到信息、安全和控制等系统。

　　使车载网络物美价廉

　　宝马在法兰克福车展上推出的新款X5可以算是以太网进入车载系统的标志，X5在连接周边监控用摄像头模块和ECU的传输路径采用了车载以太网。据宝马主导车载以太网的开发和导入的KirstenMatheus解释，采用车载以太网的理由“关键是其导入成本比LVDS低”。使用以太网主要能在两个方面削减成本。

第一，能在要求高速传输数据的用途削减线缆成本。与LVDS相比，采用车载以太网可减少信号线数量，而且无需针对线缆电磁噪声采取屏蔽措施，从而大幅削减线缆成本。除了摄像头模块的传输系统外，预计2015年前后还将用于要求速度达到几十Mbps的车载AV设备的影像传输信息网络。

　　                              削减线缆成本

　　将来，碰撞传感器和激光雷达等传感器组成的安全系统网络、连接制动器和方向盘等的控制系统网络也有可能采用以太网。同样是考虑到当处理数据量增加时，可以不需要增加线缆数量。线缆数量的减少在设置空间和降低重量方面也很有利。

　　第二，利用以太网可简化车载网络的构成，从而削减成本。目前的车载网络一般是通过CAN和LIN连接多个ECU，通过网关一个一个地联网。尤其是日本厂商，大多都采用这种构成。采用这种构成时，每次为汽车配备新功能都要通过CAN来连接ECU，容易使网络复杂化。这样就会增加开发时间，从而增加成本。如果使用以太网，能更简单地组建车载网络，后续车型的开发和设计的灵活性更高，易于降低成本。

　　                           车载网络结构的简化

　　两种方式，一处闲愁

　　为了简化车载网络的构成，一般通过“中央网关”和“域控制器”两种方式进行（如上图所示）。

　　中央网关方式是为控制系统、安全系统、车身系统、信息系统等各个系统单独构筑网络，然后连接至中央网关。中央网关是车载网络的“大脑”，在各系统之间进行协调控制。欧洲部分汽车厂商已经开始采用这种方式。

　　目前的主流方向是经由以太网把中央网关分成“基本功能用网关”和“扩展功能用网关”的两种。前者主要用来连接车身系统和控制系统等车型标配设备，而后者用来连接只有高级车配备的、或作为选配装备追加的AV设备及摄像头系统等。这样一来，就可以在大部分车型上采用通用的网络设计。用以太网连接两个网关是因为二者都需要进行高速通信。现在有很多汽车厂商都在开发这种方式的车载网络。

　　而域控制器方式则进一步推进了各项功能的模块化，能以系统为单位灵活利用设计。通过设置控制各系统ECU的“大脑”——域控制器，用主干网络连接各个域控制器进行协调控制。这种方式中，主干网络必须采用高速的以太网。

　　不过，通过域控制器方式构成车载网络可能要到2020年以后才能实现，因为目前还在制定这种方式所需标准。

　　以太网在车载网络应用的基础，是必须要有能满足通信实时性等汽车特有要求的独有标准。AVnuAlliance制定的“IEEE802.1Audio/VideoBridging”（以下简称以太网AVB）是能用于控制系统的、具备实时性的协议基础（图3）注1）。ISO制定了通信功能的OSI基本参考模型，从物理层到应用层，共有七层。其中，第二层(MAC层）使用的是普通的以太网标准，但面向车载用途实施了优先控制等扩展。现在已被用于车载摄像头等信息系统。不过，能使用该标准的只有信息系统，从实时性和故障安全方面来看，还没达到用于控制系统的水平。

　　                           OSI基本参考模型

　　要想像域控制器方式那样在车载网络整体应用以太网，需要等后续规格“IEEE802.1TimeSensitiveNetworking（TSN）”实现标准化。预计IEEE802.1TSN标准会在2016年前后制定出来，而其实用化要到2020年前后。

　　现行标准以太网AVB由保证延迟时间的“IEEE802.1Qat”和“IEEE802.1Qav”，以及实现时间同步的“IEEE802.1AS”等规格群构成。按照现行标准，以100Mbps的速度传输时，延迟时间可控制在7跳点、2ms以下。而IEEE802.1TSN以100Mbps的速度传输时，延迟时间可控制在5跳点、100μs以下。在故障安全方面，IEEE802.1TSN标准提出了发生故障后100ms内恢复的目标。

针对车载系统的参数更改

　　花开两朵，各表一枝

　　没有统一的行业标准可以说是实现以太网在车载网络中的普遍应用的不利因素。不过，这个问题也将在2015年～2020年期间得到解决。因为有两种标准的是现行速度为100Mbps的最下层物理层LSI产品。根据这两种标准，目前车载用途的以太网使用了两种不同的传输技术。

　　一部分半导体厂商采用的是与普通以太网使用的IEEE802.3不同的传输技术，另一部分厂商采用的是以IEEE802.3标准“100BASE-TX”为基础的传输技术。前者代表为博通，该公司独自开发了数据传输技术“BroadR-Reach”，后者代表为美满和麦瑞，两公司紧随率先实现产品化的博通，于2012年秋季开始样品供货物理层LSI。这两种规格各有利弊，采用的汽车厂商也分为两类：

　　两种技术都能通过车载用途要求使用的UTP线缆实现100Mbps的最大数据传输速度，博通和麦瑞的物理层LSI无需外置滤波器部件即可利用UTP，美满的物理层LSI需要外置滤波器部件；

　　两种技术在信号线数量、采用业绩及互连性方面存在差异——BroadR-Reach用一对信号线就能实现100Mbps的速度，但100BASE-TX要使用两对，因此前者在传输线缆的成本方面更占优势。BroadR-Reach之所以用一对信号线就能传输，是因为其调制方式采用了适合高速化的“PAM”；

　　采用业绩方面也是BroadR-Reach领先，该技术被用于宝马新车的摄像头模块，美满和麦瑞的物理层LSI目前仅在车辆故障自我诊断（OBD）上被用来连接车外检查专用终端和车载网关，但还没在车载网络上实际使用。美满和麦瑞的产品的优点是实现了可在不同企业的物理层LSI间通信的互连性。目前提供BroadR-Reach物理层LSI的企业只有博通一家，出现新的供货商最早要在2014年前后，预计荷兰恩智浦半导体将开始量产。

　　要想普及车载以太网，必须确保多家厂商的产品供货和互连性。因此，博通在2011年11月成立了BroadR-Reach技术的普及促进团体“OPEN（One-PairEther-Net）AllianceSIG”，正在努力招揽同盟。该团体在成立之初只有宝马和博通等几家企业加盟，但到今年6月，加盟企业已经突破140家。主导企业除宝马外，还有戴姆勒、通用、现代、日产、丰田等汽车厂商以及恩智浦半导体。

　　作为先行100Mbps产品的提升，新一代1Gbps产品预计将有统一的标准。实现1Gbps传输速度的车载以太网物理层LSI标准是目前正在“IEEEP802.3bp”讨论的“RTPGE（ReducedTwistedPairGigabitEthernet）”，其目的是应对在主干网中的使用和信息系统数据容量的增大。

　　普通以太网标准“1000BASE-T”使用4对信号线，而RTPGE的目标是仅使用1对信号线来实现1Gbps的传输速度，真正达到削减线缆成本的目的。

　　除博通、美满和麦瑞等半导体厂商外，大型汽车厂商也参加了讨论。预计将于2014年5月之前确定标准，2018年前后用于市售车。宝马的KirstenMatheus虽然没公布具体用途，但表示“打算2018年利用1Gbps的车载以太网”。

　　新功能新动向

　　物理层中，为了通过不使用电线来削减成本，旨在在车载以太网中导入“PoweroverEthernet”的动向日益活跃。比如，用一对信号线供电的标准“PoweroverDataLines（PoDL）”，将不仅在汽车，还计划用于工业设备、铁路和飞机上。为实现其标准化，2013年7月在IEEE802.3内成立了“1-pairPoweroverDataLines（1PPoDL）StudyGroup”。

　　1PPoDLStudyGroup负责讨论供给电力的大小以及相应的电力等级、电压值等。虽然没有公布标准的完成时间，不过因还打算用于RTPGE，因此估计在RTPGE标准出台的2014年5月前后能确定标准。

　　在实际产品中，以太网供电功能可能会先于1PPoDL的标准化用于100Mbps的车载以太网。因为多家半导体厂商已经试制出可通过车载以太网提供约6W电力的技术。这些电力除了驱动车载摄像头模块外，还能驱动多种传感器和低功率ECU。

　　预计供电功能最初的用途是车载摄像头模块。半导体厂商已经实际进行过运行演示，估计2016年前后将得到采用。1PPoDLStudyGroup预测，2017年出货的100Mbps的车载以太网端口中，25%将支持供电功能。