01核心觀點

數(shù)據(jù)傳輸需求快速增長催化 E/E 架構變革。

由于車內(nèi) ADAS 及大量的傳感器的數(shù)量提升，智能汽車迎來了從分布式向域集中式過渡階段，從全車 100 余 ECU 到 5 個 DCU，控制功能迅速集中。在域集中式汽車架構設計中，域控制器處于需要強大的計算能力、超高的實時性能以及大量的通信外設。因此，大量的高速傳輸需求，帶來了車載網(wǎng)絡通訊的變革，我們認為以太網(wǎng)將成為域間控制器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡骨干介質(zhì)，并用于代替現(xiàn)有串行網(wǎng)絡(如 MOST 和 FlexRay)，未來高速總線將以以太網(wǎng)為主。

當前產(chǎn)業(yè)鏈以海外供應商為主，國產(chǎn)化替代空間較大。

車載以太網(wǎng)上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括芯片和處理器部分，大多為海外廠商供應。隨著國產(chǎn)化需求的逐步提升，以及華為、百度等巨頭對汽車行業(yè)的加碼，國內(nèi)廠商未來有望占據(jù)一席之地。例如，裕太車通和景略半導體均已在 2019 年成功研發(fā)出車載以太網(wǎng) PHY 芯片，并已進入量產(chǎn)階段，打破了海外芯片巨頭公司在芯片領域的壟斷。

以太網(wǎng)以新型網(wǎng)絡的姿態(tài)介入汽車網(wǎng)絡當然無法一蹴而就，在短期內(nèi)是無法取代現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡，因此以太網(wǎng)在進入汽車網(wǎng)絡時考慮分階段、從子系統(tǒng)開始逐步深入，并最終整合汽車網(wǎng)絡的演進過程。

第一階段：子系統(tǒng)級別，單獨在某個子系統(tǒng)使用以太網(wǎng)，這一階段的衍生產(chǎn)品目前已經(jīng)在整車上實施，如基于DoIP標準的OBD診斷設備;或已有示例應用，如使用 IP攝像頭的駕駛輔助系統(tǒng);

第二階段：架構級別，將幾個子系統(tǒng)功能整合，形成一個擁有功能集合的小系統(tǒng);

第三階段：域級別，以太網(wǎng)為車載網(wǎng)絡骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個域級別的汽車網(wǎng)絡。

02市場分析

全球及中國車載以太網(wǎng)市場規(guī)模預測

車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡架構主要包括網(wǎng)關、交換機、域控制器、連接器、雙絞線纜等，各個域控制器均通過車載以太網(wǎng)總線連接網(wǎng)關的交換機，車載以太網(wǎng)交換機用于實現(xiàn)各個域控制器之間的信息交互，網(wǎng)關將通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換后的執(zhí)行請求通過交換機轉(zhuǎn)發(fā)給域控制器，實現(xiàn)各個域控制器之間信號的高效交互。

根據(jù)測算 2020 年單車車載以太網(wǎng)節(jié)點約為 6 個，隨著域控制器需求的增加預計 2025 年提升至 13 個，2030 年提升至 17-20 個，節(jié)點數(shù)對應交換機需求數(shù)量，另外單車配備一個中央網(wǎng)關。從車載以太網(wǎng)的滲透率來看，我們預計2020 年滲透率約為10%，考慮到自動駕駛對車載以太網(wǎng)的需求方面，我們認為到 2030 年 L3 級別以上的自動駕駛車輛將以車載以太網(wǎng)技術為主，滲透率有望達到 50%。依照以上假設測算，我們預計 2030 年全球車載以太網(wǎng)上游網(wǎng)關和交換機市場規(guī)模約為 426 億元，較 2020 年的 10 億元增長超過 40 倍。

市場的驅(qū)動因素及趨勢

應用驅(qū)動：

以太網(wǎng)的通用技術

就目前采用的車載網(wǎng)絡技術，都是難以與外部設備及網(wǎng)絡服務連接的封閉標準。究其原因，目前占主流的車載網(wǎng)絡標準CAN、LIN及FlexRay，以及面向媒體的系統(tǒng)傳輸標準MOST等都具有濃重的“汽車行業(yè)”色彩，導致其應用的局限性，反之以太網(wǎng)是一種簡單、成熟的開放標準，基于以太網(wǎng)的應用都極大地降低了應用成本。

高層應用對帶寬的迫切需求

從功能性的角度，車載子系統(tǒng)增加，不同的子系統(tǒng)之間對共享數(shù)據(jù)的需求越來越多;另外隨著攝像頭分辨率的提升，顯示需求大量增加，傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡在帶寬上面臨巨大挑戰(zhàn)，目前主導車載網(wǎng)絡標準的CAN和FlexRay無疑將遭遇發(fā)展的瓶頸，在這方面最有競爭力的是MOST。MOST總線目前最大帶寬為150 Mb/s，但MOST常用架構為多個設備共享帶寬。與 MOST相比，以太網(wǎng)可以采用更為靈活的星形連接架構，使得每一條鏈路都可以專享 100 Mb/s 甚至更高的帶寬。

以太網(wǎng)的開放性和互聯(lián)擴展優(yōu)勢

伴隨不斷增長的ADAS的復雜性，行業(yè)內(nèi)需求一種簡化和標準化的方法。對于車載網(wǎng)絡，以太網(wǎng)提供的先決條件就是這種整體性的辦法，是適合作為主干網(wǎng)絡連接各個應用領域，特別是需求更高帶寬的應用。由于以太網(wǎng)的靈活性及可擴展的帶寬，遠程信息處理和多媒體娛樂系統(tǒng)、基于IP的WEB應用程序與車載網(wǎng)絡的接口過渡變得平滑，車輛與外部世界的交互將會更加頻繁。

產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

當前車載以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈以海外供應商為主，國產(chǎn)化替代空間較大。上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括芯片和處理器部分，大多為海外廠商供應。隨著國產(chǎn)化需求的逐步提升，以及華為、百度等巨頭對汽車行業(yè)的加碼，國內(nèi)廠商未來有望占據(jù)一席之地。例如，裕太車通和景略半導體均已在 2019 年成功研發(fā)出車載以太網(wǎng) PHY 芯片，并已進入量產(chǎn)階段，打破了海外芯片巨頭公司在芯片領域的壟斷。

中國企業(yè)和startups主要參與車載以太網(wǎng)中下游產(chǎn)業(yè)鏈，中游主體為軟件協(xié)議棧供應商，下游為系統(tǒng)供應商、整車廠及測試提供商。從全產(chǎn)業(yè)鏈分析，行業(yè)由國際企業(yè)占據(jù)領先優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)在芯片、處理器、軟件等多個領域均處于落后地位，仍處于追趕階段。

細分領域市場潛力分析

車載以太網(wǎng)具有大帶寬、低時延等優(yōu)勢，是滿足自動駕駛算力和數(shù)據(jù)傳輸需求的核心技術。車載以太網(wǎng)起源于汽車新四化快速發(fā)展，即汽車電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化需求提升，使得帶有網(wǎng)絡接口的 ECU 大幅提升，傳統(tǒng) CAN、LIN、以及 FlexRay 等車載網(wǎng)絡技術在數(shù)據(jù)傳輸時延和傳輸帶寬限制等問題凸顯。

從2021年當前時間點來看，自動駕駛是驅(qū)動車載以太網(wǎng)滲透率提升的核心要素。主要原因是 ADAS、激光雷達、智能視覺安全應用、V2X 等應用帶來算力和數(shù)據(jù)吞吐速率大幅提升。根據(jù) LeadLeo 2020 年 7 月發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，自動駕駛每提升一級，算力將呈現(xiàn)指數(shù)級增長，且高清攝像頭和雷達傳感器等對于數(shù)據(jù)吞吐速率的要求亦進一步提升。車載以太網(wǎng)可利用不同的方式傳輸車輛數(shù)據(jù)，既可以是網(wǎng)絡接口，也可以是在 1Gbps 下運行的高速低延遲傳感器或無線連接，滿足了自動駕駛技術演進對于數(shù)據(jù)帶寬和傳輸時延的高要求。

細分領域的分類

車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線電纜不同，車載以太網(wǎng)在單對非屏蔽雙絞線上可實現(xiàn)100Mbit/s，甚至1Gbit/s的傳輸速率，同時還滿足汽車行業(yè)對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。

車載以太網(wǎng)是車載以太網(wǎng)的協(xié)議分層：車載以太網(wǎng)協(xié)議是一組多個不同層次上的協(xié)議簇，但是通常是被認為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)。

最基本的協(xié)議：TCP/IP,簡稱網(wǎng)絡通信協(xié)議，是車載以太網(wǎng)的最基本的協(xié)議，是由一系列的交互方式工作的協(xié)議所組成，是當前廣泛應用于技術按及的通信協(xié)議。網(wǎng)絡層和傳輸層被認為是TCP/IP的核心協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)、傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議(TCP)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。

應用層(Layer5-7)：是用戶與網(wǎng)絡的交互界面，負責處理網(wǎng)絡特定細節(jié)，覆蓋OSI的參考模型的第五層到第七層，應用層可為用戶提供多種應用協(xié)議，如HTTP、SMTP和FTP等。

傳輸層(Layer4):主要任務是促進互聯(lián)網(wǎng)絡終端的通信，為多臺主機上的應用程序提供端到端的通信。涉及到的協(xié)議是：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)。

網(wǎng)絡層(Layer3)：包括IP協(xié)議、ICMP協(xié)議以及PGMP協(xié)議。

數(shù)據(jù)鏈路層(Layer2)：MAC 層采用IEEE 802.3 的接口標準，無需做任何適配即可支持廣泛使用的高層網(wǎng)絡協(xié)議(如TCP/IP)。

物理層(Layer1)：采用了博通公司的BroadRReach 技術，BroadR-Reach 的物理層(PHY)技術已經(jīng)由單線對以太網(wǎng)聯(lián)盟(One- pair Ethernet Alliance，OPEN)標準化，因此有時也稱車載以太網(wǎng)為Broad RReach(BRR)或OABR(Open Alliance BroadR-Reach)。

03技術分析

技術迭代分析—數(shù)據(jù)鏈路層MAC

數(shù)據(jù)鏈路層中主要發(fā)展的技術為TSN時間敏感網(wǎng)絡，以太網(wǎng)是一種非確定性的網(wǎng)絡系統(tǒng)，本身沒有應對實時關鍵數(shù)據(jù)傳輸問題的解決方案，為解決在車內(nèi)音視頻數(shù)據(jù)的傳輸路徑上存在多個交換器節(jié)點時面臨的多流并發(fā)困。

TSN消除了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于多流并發(fā)導致的不確定性，對于具有關鍵時間約束的應用尤為重要，目前TSN的發(fā)展已經(jīng)可滿足汽車對可預測延遲和帶寬持續(xù)增長的需求。

TSN交換實現(xiàn)機制可前向兼容目前標準的以太網(wǎng)，在現(xiàn)有民用以太網(wǎng)交換芯片多數(shù)邏輯保持不變的情況下，只需增加時間同步和輸出接口整型邏輯即可實現(xiàn)TSN交換，技術發(fā)展前景更佳。

目前能夠解決汽車領域以太網(wǎng)對實時關鍵數(shù)據(jù)傳輸問題的主要有兩種方法，一是TSN技術(時間出發(fā)以太網(wǎng)首次由Kopetz等人提出的、由TTTech公司開發(fā)的一種基于802.3以太網(wǎng)之上的汽車或工業(yè)領域的實時通信候選網(wǎng)絡，已經(jīng)通過美國汽車工程師學會(SAE)的標準化(SAEAS6802);二是TTEthernet技術(TTEthernet允許實時的時間觸發(fā)通信與低優(yōu)先級的事件觸發(fā)通信共存，使以太網(wǎng)具備滿足高安全等級的系統(tǒng)要求的同時，依然可承擔對實時性要求不過分嚴格但仍然有高帶寬傳輸需求的場景。

TTEthernet技術建立在以透明時鐘+步固化函數(shù)+壓縮函數(shù)的底層技術基礎上，通過IEEE以太網(wǎng)802.3再到上層的協(xié)議控制架構?？蓪⑵湟怨叫问奖磉_：TTEthernet=Ethernet+時鐘同步+時間觸發(fā)通信+速率受約傳輸+保證傳輸。

技術迭代分析—PHY物理層

車載以太網(wǎng)的物理層應用了博通公司的BroadR-Reach技術(由OPEN聯(lián)盟推動)。BroadR-Reach提供標準以太網(wǎng)的MAC層接口，因而能使用與其他以太網(wǎng)類型相同的數(shù)據(jù)鏈路層邏輯及幀格式，并能通過與其他以太網(wǎng)類型相同的方式運行高層協(xié)議與軟件，在技術上具有以下三點優(yōu)勢。

共享媒介：物理雙全功接口支持一條鏈路上的兩個車載以太網(wǎng)節(jié)點在同一對雙絞線上同時傳輸和接受數(shù)據(jù)，使得100BASE-T1可降低車輛的整體線纜重量，從而降低材料成本、提高燃料效率。

回聲消除：100BASE-T1物理系統(tǒng)集成了混合系統(tǒng)，使用回聲消除來去除自身的發(fā)射信號，并從鏈路伙伴處提取接收到的信息，使各以太網(wǎng)節(jié)點能夠區(qū)分發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)。

低成本高速率：BroadR-Reach利用兩組編碼和信令方法將MAC層100Mb/s的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成66Mbaud/s的三元信號，可使100Mb/s的數(shù)據(jù)速率能夠在較低的范圍內(nèi)實現(xiàn)，從而使得BroadR-Reach以較低的布線成本實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。

物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設備提供標準接口。物理層的芯片稱之為PHY。PHY(Physical Layer，物理層)是IEEE802.3中定義的一個標準模塊，STA(station management entity，管理實體，通常為MAC或CPU)經(jīng)過SMI(Serial Manage Interface)對PHY的行為、狀態(tài)進行管理和控制，而具體管理和控制動做是經(jīng)過讀寫PHY內(nèi)部的寄存器實現(xiàn)的。

技術迭代分析—車載以太網(wǎng)組織

OPEN Alliance(One-Pair EtherNet，OPEN聯(lián)盟)于2011年由NXP、博通和寶馬攜手創(chuàng)建，目前已超340位成員。OPEN Alliance是一個非盈利性開放行業(yè)聯(lián)盟，主要由知名汽車主機廠和相關技術供應商組成，目標是將基于以太網(wǎng)的通信廣泛應用于汽車網(wǎng)絡。OPEN Alliance成立了14個技術委員會(Technical Committees)，分別致力于制定和統(tǒng)一IEEE 100BASE-T1、1000BASE-T1 及1000BASE-RH等通信方式的物理層、協(xié)議一致性和互操作性等規(guī)范;同時，通過制定線束、交換機、ECU和其他功能需求及測試規(guī)范，幫助Tier1和汽車制造商完善汽車以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會)，成立于1980年的IEEE 802.3工作組主要負責定義以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制(MAC)部分。隨著汽車以太網(wǎng)技術的發(fā)展，汽車行業(yè)已經(jīng)成為IEEE 802.3的一個新的應用領域，并成立了多個與汽車以太網(wǎng)相關的任務組，負責汽車以太網(wǎng)物理層相關技術的標準化工作。此外，IEEE(802.1工作組)還制定了發(fā)展迅速的AVB/TSN技術規(guī)范，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)高可靠、低延遲及同步傳輸。

AVnu AIIiance成立于2009年，它的使命是推動AVB/TSN相關標準的應用，創(chuàng)建一個開放、安全、低延遲和高度可靠的網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng)。AVnu專注于A/V、工業(yè)、消費電子和汽車行業(yè)，為了保證AVB/TSN互操作性，AVnu聯(lián)盟專門為相關領域創(chuàng)建了符合市場要求的合規(guī)性和互操作性(C&I)測試集。由此可見，IEEE和AVnu的區(qū)別很明顯：IEEE負責制定AVB/TSN標準，AVnu負責制定系列測試標準來解決AVB/TSN技術在某個領域的應用。

AUTOSAR(AUTomotive Open System Architecture，汽車開放系統(tǒng)架構)聯(lián)盟致力于為汽車工業(yè)制定標準化的軟件架構，通過使用統(tǒng)一的軟硬件接口實現(xiàn)不同開發(fā)商軟件模塊的兼容性。Classic AUTOSAR從4.0版本開始支持以太網(wǎng)通信，主要包括Ethernet驅(qū)動、Ethernet接口、TCP/IP、Socket Adaptor、DoIP、UDPNM、SOME/IP等軟件模塊。AUTOSAR的以太網(wǎng)相關文檔詳細定義了以太網(wǎng)通信軟件模塊的需求、函數(shù)接口、配置參數(shù)等內(nèi)容。(注意：這些內(nèi)容相應的協(xié)議本身，還是由IEEE、IETF等標準組織定義。)

04Startup Mapping

上游：PHY芯片+傳輸電纜，主要玩家：裕太車通、恩智浦NXP、博通Broadcom、德州儀器。

中游：軟件協(xié)議+測試，主要玩家：經(jīng)緯恒潤、博世、電裝、APTIV。

下游：OEM，主要玩家：奧迪、寶馬、奔馳，蔚來、小鵬。

審核編輯：湯梓紅