車載以太網將成下一代汽車網絡

汽車電氣架構向中央集中式演進

集中式架構成智能駕駛主流，以太網在中心節點占據優勢地位。電子電氣構架的演進為提升智能駕駛能力提供了堅實的基礎。在自動駕駛、智能座艙、電動化等趨勢的推動下，汽車所需功能增多，信息傳輸量及算力需求持續增長，傳統分布式架構在可拓展性與通信性能方面難以滿足產品需求。域/跨域集中式架構逐漸成為智能駕駛汽車的主流，同時多個域控制器將繼續融合，從而形成中央計算單元與各個區域控制器的最終形態；疊加以太網及TSN滿足實時計算、高速數據傳輸、低延遲及時間同步需求，最大化滿足智能網聯汽車發展所需的軟件需求。車載通信中，以太網在中心節點逐漸占據了優勢地位。

圖1：EE架構持續向中央集中式演進

車載以太網將成下一代汽車網絡

關鍵技術

經過多年發展，車載網絡已形成以CAN總線為主流，多種總線技術并存的解決方案。目前車輛使用的總線技術有CAN、LIN、FlexRay、MOST、LVDS及車載以太網等，主要以CAN總線為主，LIN總線為輔。CAN主要用于車上控制數據的傳輸，是現役車載網絡應用最為廣泛的標準協議；LIN是一種低成本通用串行總線，為CAN總線提供輔助功能，主要用于汽車內的車門、天窗、座椅控制等，CAN、LIN的成本和傳輸速率較低。FlexRay是繼CAN和LIN之后的新一代汽車控制總線技術，與CAN相比擁有更高的帶寬，但需加入標準組織、成本較高，主要適用于中高端車中的線控系統；MOST在車載多媒體數據傳輸的應用較多，但由于供應商單一、基礎開發成本較高。LVDS是一種低壓差分信號技術接口，在汽車領域主要用于顯示屏和攝像頭之間的圖像數據信號傳輸。

圖2：主流車用網絡系統架構圖

車載以太網提供高帶寬和輕量化線束、性價比較高，將成為下一代汽車網絡的關鍵技術。由于CAN總線只能實現半雙工通訊，且傳輸速度較低，不符合汽車智能化、網聯化趨勢下對實時高速雙向數據交互的需求。隨著近年來汽車電子化浪潮的快速發展，汽車內部電子電氣元器件的數量和復雜度大幅提升，單車ECU數量已逐漸從20-30個發展到100多個，部分車輛線束長度已高達2.5英里，傳統分布式架構已經不能滿足汽車智能化時代的發展需求，所以車載網絡轉向域控制和集中控制的趨勢越來越明顯，車內通信架構將逐漸向以太網升級。與傳統的車載網絡不同，車載以太網可以提供帶寬密集型應用所需的更高數據傳輸能力，同時其技術優勢可以很好地滿足汽車高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲、輕量化等方面的要求，將成為下一代汽車網絡的關鍵技術。

表1：車載以太網與其他總線的性能對比

以太網不斷向更高傳輸速率進階，逐步

滲透車載網絡

車載以太網具有規模經濟性和互操作性，主要使用銅雙絞線傳輸。根據EthernetAlliance在2020年的預測，2021年全球將有超過1億輛汽車搭載以太網端口，部署的全部車載以太網端口將多達5億個。車載以太網具有規模經濟性和互操作性，可以同時提供數據和電力傳輸，極大程度上降低車輛的成本和重量，是以太網近年來的主要發展趨勢之一。在傳輸介質方面，車載以太網主要使用銅雙絞線，由于銅雙絞線機械強度好、耐候性強、彎曲半徑小，同時無需光電轉換設備即可直接使用，因而成為數據傳輸“最后一百米”的最優解決方案。根據以太網聯盟數據，目前基于銅介質的以太網傳輸速率主要介于10Mbit/s至10Gbit/s之間，隨著終端形態和數據類型的不斷豐富，數據總量和傳輸要求不斷攀升到新的量級，未來基于銅介質的以太網將不斷向更高傳輸速率演進。

圖3：以太網應用分類

千兆以太網是高速網絡技術的首選。以太網經歷50年的發展歷程，因具備技術成熟、高度標準化、帶寬高以及低成本等諸多優勢，已取代其他網絡成為當今世界應用最普遍的局域網技術，為萬物互聯奠定基礎。在傳輸速率上，以太網具有多種速率標準，早期慣例以10倍來提升，如標準以太網（10Mbps）、快速以太網（100Mbps）、千兆以太網（1Gbps）。近年來為適應多樣化需求，開始出現2.5GE、5GE、25GE、50GE等多種新速率標準。綜合考慮應用場景和成本因素，目前基于雙絞線的以太網主流技術是基于802.3ab標準的千兆以太網1000BASE-T，可在超過100M的5類雙絞線上傳輸1000Mbit/s的數據流，大多數企業在組建

網絡時將千兆以太網作為首選高速網絡技術。

圖4：車載以太網技術發展路線

車載以太網將從智能座艙等局部應用，逐步拓展成為車內通信主干網絡。車載以太網是目前各類總線中傳輸速率最快的通信方案。隨著汽車智能化發展，車載以太網技術有望率先應用于智能駕駛及智能座艙，并在未來實現對整車現有車內通信技術的逐步替代。車載以太網的發展主要可分為三個階段。第一階段為面向車載診斷系統和ECU軟件刷新的DoIP協議的推廣運用，以及使用IP攝像頭的駕駛輔助系統；第二階段將幾個子系統整合，面向車載智能座艙和智能輔助駕駛的推廣應用，如將多媒體，駕駛輔助和診斷界面結合在一起；第三階段將使用以太網作為車載主干網絡，集成動力總成、底盤和車身控制、智能座艙等，形成一個跨域汽車網絡，并逐步引入TSN等新一代以太網技術。