汽車以太網(wǎng)是一種物理層標準，將標準以太網(wǎng)技術(shù)適配到電動汽車（EV）環(huán)境的具體需求。本文探討了AE如何演進車載網(wǎng)絡(luò)，以滿足下一代互聯(lián)和自動駕駛車輛的高帶寬、可靠性和架構(gòu)需求。

諸如控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）和本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）等網(wǎng)絡(luò)多年來一直支持著該行業(yè)。然而，電動汽車和自動駕駛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求超出了這些傳統(tǒng)公交車的能力。因此，汽車以太網(wǎng)為未來車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）提供了必要的架構(gòu)。

傳感器融合與數(shù)據(jù)需求

對更高車輛自動駕駛的需求正在推動汽車以太網(wǎng)的采用。先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛利用了各種傳感器。電動汽車通常集成了高分辨率攝像機、激光雷達、遠程雷達和超聲波傳感器。

這些傳感器能生成高帶寬的數(shù)據(jù)流，每個傳感器通常超過1 Gbps。為了處理這些信息以實現(xiàn)行人檢測和物體規(guī)避等功能，IVN必須支持超出傳統(tǒng)公交所能提供的帶寬。汽車以太網(wǎng)處理這些數(shù)據(jù)負載，促進環(huán)境數(shù)據(jù)以最小延遲傳輸?shù)街醒胗嬎銌卧?/p>

既然標準以太網(wǎng)已經(jīng)存在，為什么還需要特定的汽車標準？

IT環(huán)境中使用的標準以太網(wǎng)并非為汽車環(huán)境設(shè)計，包括溫度波動、機械振動和電磁干擾。汽車以太網(wǎng)通過標準化的汽車級物理層（PHY）來解決這些因素，這些層是為該環(huán)境設(shè)計的。

當(dāng)前標準提供多種數(shù)據(jù)速率以支持特定區(qū)域需求，包括100BASE-T1（100 Mbps）、1000BASE-T1（1 Gbps）和多吉（2.5、5和10 Gbps）。

汽車以太網(wǎng)的一個顯著特點是其物理連接能力。標準以太網(wǎng)（100BASE-TX）使用兩對雙絞線實現(xiàn)100 Mbps，而汽車以太網(wǎng)（100BASE-T1）則通過單對無屏蔽雙絞線實現(xiàn)全雙工通信，速度相同。

圖1。標準以太網(wǎng)（雙同步）與汽車以太網(wǎng)（全雙工）的比較。（圖片來源：Keysight)

如圖1所示，這種單對配置在重量和空間上具有優(yōu)勢。線束是車輛重量和成本的重要組成部分。采用汽車以太網(wǎng)使工程師能夠減輕電纜重量和直徑，從而提升電動汽車的效率和制造效率。

高帶寬是否足以保證車輛安全？

汽車應(yīng)用需要確定性通信以確保消息在規(guī)定時間內(nèi)到達。為了解決標準以太網(wǎng)的盡力而為特性，行業(yè)采用了時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）系列標準（IEEE 802.1）。

主要TSN標準包括：

• IEEE 802.1Qbv：設(shè)置傳輸門，規(guī)劃需要快速發(fā)送的幀流量。

• IEEE 802.1Qbu / 802.3br：該功能允許高優(yōu)先級幀在標準幀之前傳輸，從而降低關(guān)鍵數(shù)據(jù)的延遲。

• IEEE 802.1CB（FRER）：跨不同路徑復(fù)制幀提高了可靠性。

• IEEE 802.1AS-2020：提供電子控制單元（ECU）間的同步時序，這對于傳感器數(shù)據(jù)的相關(guān)性至關(guān)重要。

汽車以太網(wǎng)還支持標準的TCP/IP協(xié)議棧，使得使用上層協(xié)議成為可能。

圖2。汽車以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)。（圖片來源：傳感器，MDPI)

圖2展示了協(xié)議架構(gòu)，支持基于服務(wù)的ECU通信中的SOME/IP（面向服務(wù)中間件）和DoIP（基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的診斷通信）。DoIP通過實現(xiàn)ECU的并行重編程速度，提升了維護流程，速度高于傳統(tǒng)接口。

這種連接性如何影響車輛的物理結(jié)構(gòu)？

汽車以太網(wǎng)促進了車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常采用基于域的架構(gòu)，ECU根據(jù)其功能進行連接。這種方法導(dǎo)致了復(fù)雜的跨車載電纜。汽車以太網(wǎng)支持向區(qū)域架構(gòu)的過渡，即按物理位置組織布線。區(qū)域網(wǎng)關(guān)管理車輛特定區(qū)域內(nèi)的設(shè)備，無論其功能如何。

圖3。向區(qū)域網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的轉(zhuǎn)型。（圖片來源：應(yīng)用科學(xué)，MDPI)

圖3展示了這種拓撲結(jié)構(gòu)。高速以太網(wǎng)骨干網(wǎng)，通常為10 Gbps或更高，將這些區(qū)域網(wǎng)關(guān)連接到中央高性能計算機。區(qū)域網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)骨干網(wǎng)與連接邊緣傳感器的遺留本地總線（CAN/LIN）之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)簡化了線束，減輕了重量，并支持可擴展的軟件定義平臺。

總結(jié)

軟件定義車輛開發(fā)得益于汽車以太網(wǎng)，促進了從基于域設(shè)計向分區(qū)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，并通過TSN實現(xiàn)了確定性性能。汽車以太網(wǎng)為擁有眾多傳感器的自主系統(tǒng)建立了必要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。憑借這種可擴展的架構(gòu)，汽車工程師能夠設(shè)計出能夠滿足新興出行解決方案數(shù)據(jù)處理和安全需求的電動汽車。