摘要：自動(dòng)駕駛汽車和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）對(duì)更高帶寬、更低延遲提出了更迫切的需求。車載以太網(wǎng)已經(jīng)成為搭建更高速汽車網(wǎng)絡(luò)的新骨干。對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、鏈路分段和高層協(xié)議功能進(jìn)行的全面測試確保其得到成功實(shí)施。

推動(dòng)汽車行業(yè)創(chuàng)新的主要?jiǎng)恿煞殖扇箢悾涸鰪?qiáng)安全性、保護(hù)環(huán)境，以及通過互連提高便利性。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，汽車制造商、汽車供應(yīng)商、政府、學(xué)術(shù)界甚至傳統(tǒng)汽車行業(yè)之外的企業(yè)（如無線芯片制造商、移動(dòng)設(shè)備制造商和無線服務(wù)提供商）都紛紛參與進(jìn)來，全力開發(fā)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、互聯(lián)汽車技術(shù)乃至最終的目標(biāo) — 自動(dòng)駕駛汽車。

ADAS 和自動(dòng)駕駛汽車需要通過高帶寬和低延遲的網(wǎng)絡(luò)來連接所有傳感器、攝像頭、診斷工具、通信系統(tǒng)以及中央人工智能。

目前，線束無論從重量還是成本上來說，都在所有汽車零部件中排名第三。在汽車組裝過程中，線束安裝占到了人工成本的 50%。

車載以太網(wǎng)是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的新興解決方案。就像 WiFi 是專用短程通信（DSRC）的基石一樣，以太網(wǎng)在傳統(tǒng)局域網(wǎng)（LAN）領(lǐng)域也是眾所周知、值得信賴、應(yīng)用廣泛的解決方案。以太網(wǎng)有很多優(yōu)勢，例如多點(diǎn)連接、更寬帶寬和低時(shí)延等等，這對(duì)于汽車制造商來說極具吸引力。不過若是在汽車中使用，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)還是噪聲太大，很容易受到干擾。為了滿足汽車行業(yè)的特定需求，IEEE 現(xiàn)已制定了新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

自動(dòng)駕駛需要以更快速度采集并處理更多數(shù)據(jù)

自動(dòng)駕駛汽車中使用的各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用了眾多新型電子元器件。第一類支持在無線電探測和測距（RADAR）、激光探測和測距（LIDAR）以及攝像頭中使用的傳感器實(shí)現(xiàn)融合。第二類包括車輛到車輛（V2V）、車輛到網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車輛到行人（V2P）、車輛到公用事業(yè)（V2U）以及車聯(lián)網(wǎng)（V2X）的無線通信。多種相鄰組件，比如采用高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的高清（HD）地圖、功能強(qiáng)大的信號(hào)處理以及人工智能等，都是自動(dòng)駕駛所需要的組件。

這些技術(shù)會(huì)產(chǎn)生、發(fā)送、接收、存儲(chǔ)和處理海量數(shù)據(jù)。例如，一個(gè) LIDAR 模塊可以提供圍繞汽車的高精度、高分辨率三維和 360° 成像數(shù)據(jù)。LIDAR 模塊可能生成 70 Mbps 的數(shù)據(jù)流量，一個(gè)攝像頭可能生成 40 Mbps 的數(shù)據(jù)流量，RADAR 模塊可能生成 100 Kbps 的數(shù)據(jù)流量，而導(dǎo)航系統(tǒng)可能生成 50 Kbps 的數(shù)據(jù)流量。

此外，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的等級(jí)越高，獨(dú)立傳感器的數(shù)量也將極大增長，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量也更大。例如，二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以提供縱向和橫向車輛運(yùn)動(dòng)控制，因此駕駛員可以放開雙手，并暫時(shí)休息一下眼睛。該系統(tǒng)可能需要使用 5 個(gè) RADAR 傳感器和 5 個(gè)攝像頭。全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（四級(jí)和五級(jí)）將需要多達(dá) 20 個(gè) RADAR 傳感器和 6 個(gè)攝像頭，還要使用 V2X 通信。我們預(yù)測，一輛自動(dòng)駕駛汽車每天將會(huì)產(chǎn)生大約 4 TB 的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要以極短的延遲在高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)上傳輸、存儲(chǔ)和共享，這正是基于車載以太網(wǎng)的高吞吐量、低延遲網(wǎng)絡(luò)的長處。

汽車串行總線概述

通過回顧主要的傳統(tǒng)汽車串行總線，包括 CAN、LVDS、LIN、MOST、FlexRay 和CAN FD，我們可以更好地理解為什么自動(dòng)駕駛汽車和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)現(xiàn)在需要車載以太網(wǎng)。

CAN（控制器局域網(wǎng)）— 1983 年

CAN 是 Bosch 公司開發(fā)的一種共享串行總線，其傳輸速率可達(dá)到 1 Mbps。CAN 后來經(jīng)過 ISO 批準(zhǔn)，成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)。它的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)高效，而且可靠性高。但缺點(diǎn)是共享訪問，帶寬較低。CAN 主要在動(dòng)力總成、底盤和車身電子設(shè)備中使用。

LVDS（低壓差分信令）— 1994 年

LVDS 是一種點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，不是共享總線。它的成本比 MOST（媒體定向系統(tǒng)傳輸）低得多，很多汽車制造商都用它來傳輸攝像頭和視頻數(shù)據(jù)。不過，每個(gè) LVDS 鏈路一次只能連接一個(gè)攝像頭或視頻輸出。

LIN（局域互連網(wǎng)絡(luò)）— 1998 年

LIN 是由汽車制造商和技術(shù)合作伙伴聯(lián)盟開發(fā)的。其速率只有 19,200 比特/秒，并且只需要一條共享線路，而 CAN 需要 2 條。LIN 采用了主從體系結(jié)構(gòu)，而 CAN 將所有節(jié)點(diǎn)都視為是平等的。LIN 的成本比 CAN 低，其速度和成本正好適合車身電子設(shè)備，例如鏡子、電動(dòng)座椅和配件等。

MOST（媒體定向系統(tǒng)傳輸）— 1998 年

MOST 采用環(huán)形體系結(jié)構(gòu)，使用光纖或銅纜互連，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到 150 Mbps（MOST150）。每個(gè)環(huán)可以包含 64 個(gè) MOST 器件。對(duì)于汽車市場而言，MOST 的優(yōu)勢是帶寬相對(duì)較高，但其價(jià)格也較為昂貴。它最初僅適用于攝像頭或視頻連接。

FlexRay — 2000

FlexRay 是一種數(shù)據(jù)速率高達(dá) 10 Mbps 的共享串行總線。它是由 FlexRay 聯(lián)盟開發(fā)的。該聯(lián)盟是由半導(dǎo)體制造商、汽車制造商和基礎(chǔ)設(shè)施提供商所建立的一個(gè)組織。與CAN 不同，它沒有內(nèi)置的誤碼恢復(fù)功能，而是將誤碼處理留給了應(yīng)用層。它的優(yōu)勢是帶寬比 CAN 高，但缺點(diǎn)在于成本較高，而且需要共享使用媒體。FlexRay 主要用于高性能動(dòng)力總成和安全系統(tǒng)，如線控驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)懸架和自適應(yīng)巡航控制。

CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率）— 2012 年

CAN FD 是 BOSCH 公司在 2012 年發(fā)布的一種標(biāo)準(zhǔn)，它是對(duì)原始 CAN 總線協(xié)議的擴(kuò)展。其設(shè)計(jì)初衷是為了滿足汽車網(wǎng)絡(luò)對(duì)更高帶寬的要求。CAN FD 通過最大限度縮短協(xié)議時(shí)延和提供更高帶寬，實(shí)現(xiàn)更精確和接近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。CAN FD 可以與現(xiàn)有的 CAN 網(wǎng)絡(luò)兼容。

車載以太網(wǎng)

盡管傳統(tǒng)的汽車串行總線在各種汽車應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，但它們也都有各自的缺點(diǎn)，而車載以太網(wǎng)能夠克服這些缺點(diǎn)。例如，大多數(shù)汽車串行總線都無法達(dá)到 LIDAR 所要求的 70 MB/s 數(shù)據(jù)速率。當(dāng)各種傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)整合在一起時(shí)，通常需要同時(shí)使用 LIDAR、RADAR、攝像頭和 V2X 通信。在這種情況下，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過了傳統(tǒng)汽車串行總線的現(xiàn)有容量。因此，汽車行業(yè)想要引入車載以太網(wǎng)，以便使自動(dòng)駕駛和先進(jìn) ADAS 系統(tǒng)變成現(xiàn)實(shí)。

車載以太網(wǎng)是什么？

車載以太網(wǎng)是在汽車中連接電子元器件的一種有線網(wǎng)絡(luò)。其設(shè)計(jì)初衷是希望滿足汽車行業(yè)對(duì)帶寬、延遲、同步、干擾（例如 電磁干擾（EMI））、安全性和網(wǎng)絡(luò)管理等方面的要求。車載以太網(wǎng)的概念最初是由 Broadcom 提出的，后來 OPEN（單對(duì)以太網(wǎng)）聯(lián)盟采納了這一標(biāo)準(zhǔn)并承擔(dān)起管理職責(zé)。OPEN 推廣 Broadcom 的 100 Mbps BroadR-Reach 作為多供應(yīng)商許可解決方案。100 Mbps PHY 實(shí)施借鑒了 1 Gbps 以太網(wǎng)的技術(shù)，能夠在一對(duì)線纜上實(shí)現(xiàn) 100 Mbps 雙向傳輸。此技術(shù)使用了更先進(jìn)的編碼方案，可以消除回聲，將基本頻率（從 125 MHz）降至 66 MHz。這使得以太網(wǎng)能夠達(dá)到汽車EMI 技術(shù)指標(biāo)。IEEE 和 OPEN 聯(lián)盟已在 IEEE 802.3 和 802.1 小組中制定出并負(fù)責(zé)維護(hù) 100 Mbps 和 1000 Mbps 車載以太網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)。

在早期階段，以太網(wǎng)從 DLC 診斷端口到網(wǎng)關(guān)只有一條 100Base-T1 1TPCE 鏈路，所以它只用于診斷和固化軟件更新。圖 1 顯示了車載以太網(wǎng)作為新骨干（使用更快速的千兆位以太網(wǎng) 1000Base-T1 RTPGE 鏈路）的角色演變。

圖1：車載以太網(wǎng)的演進(jìn)過程

為何選擇車載以太網(wǎng)？

在車載電子系統(tǒng)連接和通信、自動(dòng)駕駛和 ADAS 系統(tǒng)方面，車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)汽車串行總線相比具有明顯優(yōu)勢。汽車電子體系結(jié)構(gòu)正變得越來越復(fù)雜，其中包含的傳感器、控制器和接口越來越多，并且需要更高的帶寬、更多的計(jì)算機(jī)和通信鏈路。連接這些系統(tǒng)的線束無論是重量還是成本都排在目前汽車所有零部件中的第三位。現(xiàn)在，汽車制造商使用多種不同的專有標(biāo)準(zhǔn)來提供通信功能；大部分元器件都使用一條專用線路或電纜。車載以太網(wǎng)是支持所有通信的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。它使用一對(duì)電纜連接每個(gè)電子元器件與中央網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。Broadcom 和博世進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)查顯示，通過使用非屏蔽雙絞線（UTP）電纜和更小的緊湊型連接器，連接成本最多可降低 80％，線纜重量最多可減輕30%。

圖2：車載以太網(wǎng)的發(fā)展過程

車載以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)

圖2中的進(jìn)步得益于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，包括：

AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)）

AUTOSAR 是開放和標(biāo)準(zhǔn)化的汽車軟件體系結(jié)構(gòu)。它由汽車制造商、供應(yīng)商和工具開發(fā)商聯(lián)合開發(fā)完成。AUTOSAR 包括在汽車中使用的 TCP/ IP 協(xié)議模型。汽車行業(yè)已經(jīng)達(dá)成一致，同意將 AUTOSAR 確立為標(biāo)準(zhǔn)，各家汽車制造商將在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)層面展開競爭，而不必再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)本身提出爭議。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施將使多個(gè)設(shè)備可以在一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)上無縫運(yùn)行。

單對(duì)以太網(wǎng)（OPEN）

Broadcom 開發(fā)了BroadR-Reach 作為專有物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持更長距離的 100 Mbps 銅纜以太網(wǎng)連接。該標(biāo)準(zhǔn)在物理層上采用了千兆以太網(wǎng)銅纜技術(shù)，包括多電平 PAM-3 信令和更好的編碼方案，減少了電纜所需要的帶寬。它還使用了回聲消除器，實(shí)現(xiàn)在一對(duì)線纜中雙向傳輸數(shù)據(jù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的帶寬為 27 MHz，比 100Base-T 標(biāo)準(zhǔn) 62.5MHz 的帶寬小，因而達(dá)到了汽車 EMI 要求。OPEN SIG 開發(fā)了一個(gè)獲得許可的開放標(biāo)準(zhǔn)，并得到汽車市場主流廠商的支持。業(yè)界已經(jīng)認(rèn)識(shí)到 100 Mbps 對(duì)于視頻傳輸已經(jīng)足夠，但它還不足以充當(dāng)汽車中的骨干網(wǎng)，特別是無法滿足 ADAS 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的需求，為此 IEEE 802.3 工作組（ 802.3bp）成立了一個(gè)小組，其任務(wù)是定義通過一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn) 1000 Mbps（1 Gbps）數(shù)據(jù)速率的新標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)千兆位以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)被稱為 1000Base-T1（1 代表 1 對(duì)）。

時(shí)間同步

有些汽車算法要求多個(gè)傳感器同時(shí)采樣，或者將執(zhí)行某項(xiàng)測量的時(shí)間作為參考時(shí)間。由于這些測量是在不同的節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行，因此汽車中的所有節(jié)點(diǎn)必須做到亞微秒級(jí)的精確時(shí)間同步。用于橋接局域網(wǎng)中時(shí)間敏感型應(yīng)用的 IEEE 802.1AS 計(jì)時(shí)和同步標(biāo)準(zhǔn)已被選作同步計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用了 IEEE 1588 v2 的配置文件，并引入了一種簡化的方法來更快選擇主時(shí)鐘。

時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)

一些時(shí)間敏感型控件要求通信延遲在 1 微秒之內(nèi)，以便控制器可以快速獲得傳感器讀數(shù)或是控制對(duì)時(shí)間要求極為嚴(yán)格的功能。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包必須逐個(gè)傳輸，即使達(dá)到千兆位的速度，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包也需要幾百微秒。IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）工作組正在開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)來解決這個(gè)問題，其中高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包（稱為 Express 數(shù)據(jù)包）可以中斷現(xiàn)有數(shù)據(jù)包的傳輸過程優(yōu)先進(jìn)行傳輸，當(dāng)它傳輸完畢后，被中斷的數(shù)據(jù)包再繼續(xù)進(jìn)行傳輸。

AV 橋接

ADAS 主要依賴從攝像頭和其他傳感器及時(shí)獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)在計(jì)算機(jī)上觀看視頻時(shí)，可以使用緩沖方式來解決網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)不可靠的問題，但汽車 AV 系統(tǒng)不能這樣，它需要同時(shí)控制延遲和保證帶寬。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組制定了相應(yīng)的規(guī)范，支持時(shí)間同步的低延遲數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。

成功實(shí)施的全面測試要求

車載以太網(wǎng)工程師需要處理常見的高頻電路板設(shè)計(jì)問題，包括信號(hào)噪聲、信號(hào)質(zhì)量、串?dāng)_、反射、阻抗匹配和直流電源完整性。為了確保成功實(shí)施和可靠運(yùn)行，車載以太網(wǎng)還需要對(duì)物理層、協(xié)議、一致性、安全性和線束執(zhí)行全面的測試。物層層一致性測試有三個(gè)測試點(diǎn)（圖 3）：發(fā)射機(jī)及協(xié)議觸發(fā)和解碼；鏈路分段，包括線束和連接器；接收機(jī)。

圖3：車載以太網(wǎng)的物理層測試點(diǎn)

發(fā)射機(jī)測試

收發(fā)信機(jī)測試與其他高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)的物理層表征解決方案相似。工程師必須選擇一個(gè)包含協(xié)議觸發(fā)與解碼軟件包的測試解決方案，此軟件包將查看數(shù)據(jù)流量和協(xié)議層動(dòng)態(tài)，從而節(jié)省調(diào)試早期設(shè)計(jì)的時(shí)間。所有必需的一致性測試都需要在設(shè)置、配置和報(bào)告階段中預(yù)先打包，以便設(shè)計(jì)人員可以專注于他們的核心任務(wù)，按期完成工作。

接收機(jī)測試功能強(qiáng)大的 100Base-T1 接收機(jī)（RX）一致性測試應(yīng)用軟件應(yīng)能自動(dòng)配置所有必需的測試設(shè)備，簡化并加快整個(gè)測試過程。該軟件還提供比特誤碼率測試（BERT 或 BER 測試）。 ? 簡化接收機(jī)一致性測試 ? 自動(dòng)配置所有必需設(shè)備，縮短測試時(shí)間 ? 以圖形方式顯示與被測器件的連接 ? 生成 HTML 格式且可打印輸出的合格/不合格測試報(bào)告，報(bào)告中還包含裕量分析結(jié)果 鏈路分段測試一個(gè)完整的鏈路分段一致性測試解決方案需要支持電纜測試、連接器測試、通信信道測試、連接器串?dāng)_測試，以及跨越整個(gè)通信信道的串?dāng)_測試。 高層協(xié)議測試車載以太網(wǎng)不僅僅需要物理層測試。驗(yàn)證解決方案還需要更高層的測試方法，包括汽車TCP/IP 協(xié)議模型、時(shí)間同步（IEEE 802.1AS）、音頻視頻橋接傳輸（802.1Qav）以及預(yù)定的流量傳輸（IEEE 802.1Qbv）協(xié)議實(shí)施。下面的圖 4 顯示了完整的車載以太網(wǎng)協(xié)議模型。

圖4：車載以太網(wǎng)的完整模型 車載以太網(wǎng)是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的未來 自動(dòng)駕駛和 ADAS 將會(huì)造福社會(huì)，但也會(huì)給工程師帶來許多新的測試挑戰(zhàn)。目前，汽車對(duì)高數(shù)據(jù)速率、帶寬和數(shù)據(jù)安全性的需求不斷提高，同時(shí)還要求做好更充分的準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)未來需求，車載以太網(wǎng)為此提供了必要的先進(jìn)功能，并克服了傳統(tǒng)汽車串行總線在車載電子系統(tǒng)連接和通信方面的缺點(diǎn)。是德科技提供了性能卓越的解決方案，能夠幫助工程師全面測試發(fā)射機(jī)、鏈路分段、接收機(jī)以及更高層的協(xié)議功能，最終成功實(shí)施車載以太網(wǎng)。

審核編輯 ：李倩