随着汽车电⼦的⽇益复杂化、联⽹化和宽带化，车载以太⽹顺应此发展趋势在车内具有⼴阔的发展空间。本⽂对车载以太⽹技术，包括其起源、定义、发展趋势、主要技术以及其标准化的概况进⾏了全⾯的分析和介绍。
1.引言
以太⽹作为⼀种局域⽹（LAN）技术⾃1973年发明以来，已经历40多年的发展历程，成为当前应⽤最为普遍的局域⽹技术。
以太⽹主要由IEEE 802.3⼯作组负责标准化，以太网从最初⽀持10Mbit/s的吞吐量开始，经过不断的发展，⽀持快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1Gbit/s）、万兆以太网（10Gbit/s）及100Gbit/s。同时，为了适应应⽤的多样化，以太⽹速率打破了以10倍为⼀级来提升的惯例，开始⽀持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。以太网技术不仅⽀持双绞线的铜线传输介质，也⽀持光纤传输。随着城域以太网论坛（MEF）不断将以太网技术作为交换技术和传输技术⼴泛应⽤于城域网建设，以太网已经不仅仅局限于局域网应⽤，可以更⼴泛地应⽤到城域网（MAN）和⼴域网（WAN）的领域。
在进⼊汽车领域之前，以太⽹已经获得了⼴泛的应⽤，同时还具有技术成熟、⾼度标准化、带宽⾼以及低成本等优势。随着近年来汽车电⼦化的快速发展，车内电⼦产品数量逐年增加，复杂性⽇益提⾼。以太⽹所具有的技术优势可以很好地满⾜汽车制造商对车内互联⽹络的需求。但由于车内电磁兼容的严格要求，以太⽹直到近些年才取得了技术突破从⽽得以应⽤到汽车内。
目前，主流的车载以太⽹的技术标准是基于博通公司的BroadR-Reach（BRR）技术，IEEE已经完成对100Mbit/s车载以太⽹技术的标准化，正在对1Gbit/s传输速度的车载以太⽹进⾏标准化。车载以太⽹在车内将主要应⽤在对带宽需求较⾼的系统上，如⾼级驾驶辅助系统（ADAS）、车载诊断系统（OBD）以及车载信息娱乐系统等。与传统的车载⽹络不同，车载以太⽹可以提供带宽密集型应⽤所需的更⾼数据传输能⼒，未来其将在车内具有⼴泛的应⽤前景。
2.车载以太网技术
2.1 什么是车载以太网
车载以太⽹是⼀种⽤以太⽹连接车内电⼦单元的新型局域⽹技术。与普通的以太⽹使⽤4对⾮屏蔽双绞线（UTP）电缆不同，车载以太⽹在单对⾮屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚⾄1Gbit/s的数据传输速率，同时还应满⾜汽车⾏业对⾼可靠性、低磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等⽅⾯的要求。车载以太⽹的物理层采⽤了博通公司的BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层（PHY）技术已经由单线对以太⽹联盟One-pair Ethernet Alliance，OPEN）标准化，因此有时也称车载以太⽹为BroadR-Reach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。车载以太⽹的MAC层采⽤IEEE 802.3的接⼝标准，⽆需做任何适配即可⽆缝⽀持⼴泛使⽤的⾼层⽹络协议（如TCP/IP）。
2.2 车载以太网主要技术
车载以太⽹主要涉及OSI 的1、2层技术，本⽂分别介绍车载以太⽹各主要技术。
（1）物理层PHY
车载以太⽹使⽤单对⾮屏蔽电缆以及更⼩型紧凑的连接器，使⽤⾮屏蔽双绞线时可⽀持15m的传输距离（对于屏蔽双绞线可⽀持40m），这种优化处理使车载以太⽹可满⾜车载EMC要求。100M车载以太⽹的PHY采⽤了1G以太⽹的技术，通过使⽤回声抵消在单线对上实现双向通信。车载以太⽹的物理层与标准的100BASE-TX的物理层主要区别有：
●与100BASE-TX所使⽤的扰频器相⽐，车载以太⽹数字信号处理器（DSP）采⽤了⾼度优化的扰频器，可以更好地分离信号，⽐100BASE-TX系的频谱效率更⾼。
●车载以太⽹的信号带宽为66.7MHz，只有100BASE-TX系统的⼀半。较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，并确保车载以太⽹可满⾜汽车电磁辐射标准要求。
（2）“⼀对数据线供电”PoDL
以太⽹供电PoE技术是2003年推出的，可通过标准的以太⽹线缆提供15.4W的供电功率。在⼀条电缆上同时⽀持供电与数据传输，对进⼀步减少车上电缆的重量和成本很有意义。由于常规的PoE是为4对电缆的以太⽹设计的，因此专门为车载以太⽹开发了PoDL，可在⼀对线缆上为电⼦控制单元ECU的正常运⾏提供12VDC或者5VDC供电电压。
（3）先进电缆诊断ACD
ACD功能可以通过分析反射信号的幅度和延迟来检测电缆的故障位置，这对于实现车载以太⽹连接的⾼度可靠性⾄关重要。
（4）高能效以太网
当关闭引擎时，车上电⼦单元并不是全部关闭，这时需要⽤电池供电，⽽电池的电量⼜是有限的，这种情况下可采⽤⾼效能以太⽹技术通过关闭不在⽤的⽹络以降低耗电量。
（5）时间同步
车内某些应⽤需要实现不同传感器之间的时间同步，或者在执⾏某次测量时需要知道不同节点的时刻，这就需要在全部参与测试的节点间做到同步，某些精度甚⾄需要达到亚微秒级别。车载以太⽹采⽤了IEEE 802.1AS的定时同步标准，该标准通过IEEE 1588V2的Profile从⽽⽤⼀种更简单快速地⽅法确定主时钟，规定了⼴义的精确时间协议（gPTP）。
（6）时间触发以太网
车内的许多控制要求通信延迟要在微秒级。在传统以太⽹中，只有当现有的包都处理完后才会处理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要⼏百微秒的延迟，满⾜不了车内应⽤的需求。为了解决这⼀问题，IEEE 802.3⼯作组开发了⼀种⾼优先级的快速包技术，使得快速包可插⼊到正在处理的包队列中被优先处理以保证延迟在微秒级范围内。
（7）音视频桥接AVB
为了满⾜车内⾳视频应⽤的低延迟和可保证的带宽要求，可在车内使⽤IEEE802⼯作组开发的AVB相关标准。AVB技术提供了优先级、流预留协议（SRP）、流量整形协议（FQTSS）等核⼼功能。AVB在车内的应⽤案例有唇同步多媒体播放、在线导航地图等汽车联⽹应⽤、ADAS以及诊断功能等。
IEEE同时还制定了AVB的传输协议，包括：
●IEEE 1722-2011：桥接局域⽹中的时间敏感应⽤第⼆层传输协议标准，也被称为⾳视频传输协议（AVTP）。
●IEEE 1733-2011：桥接局域⽹中的时间敏感应⽤第三层传输协议标准。由于该协议是⼀个第三层协议，预计不会被汽车⾏业⼴泛采⽤。为了提升AVB的适应性，满⾜⼯业等更多应⽤场景，IEEE AVB任务组已更名为“时间敏感性⽹络”TSN⼯作组，现在是IEEE802.1五⼤任务组之⼀，致⼒于开发实现超低时延的控制⽹络。
2.3 车载以太网发展趋势
车载电⼦变得⽇益复杂，越来越多的传感器、控制器以及接⼝对带宽的要求越来越⾼，车内不同的计算单元和不同的域之间彼此通信的需求越来越强。这种复杂性直接导致了对车内连线使⽤上的增长。在车载以太⽹进⼊汽车应⽤之前，车内已有多种不同的标准技术在应⽤，包括LIN、CAN、FlexRay、MOST以及LVDS等。⼏乎每个汽车电⼦器件都有其特定的线缆和通信要求，这必然导致车内复杂的连线，车内线束已成为继引擎和底盘之外车内第三⼤成本⽀出的部分，⽣产环节中布置配线的⼈⼯成本占整车的50%。同时，车内线束在重量上也是继底盘和引擎之外占第三位的部分。降低线束重量的技术将会直接改善燃油使⽤的经济性。车载以太⽹承载在单线对⾮屏蔽双绞线的传输介质上，使⽤更⼩巧紧凑的连接器，将可减少⾼达80％的车内连接成本和⾼达30％的车内布线重量。
据全球着名的咨询公司弗若斯特沙利⽂公司（Frost & Sullivan）和Strategy Analysis 预测，到2020年，全球将部署4亿个车载以太⽹端⼝；到2022年，全球部署的全部车载以太⽹端⼝将超过所有其他已部署的以太⽹端⼝总和。Frost & Sullivan还预测，到2020年，对于低端车型每辆车上将有6~40个车载以太⽹节点，⽽豪华车型和混合/电动车型上将会有50~80个车载以太⽹节点，有40%的已售车上使⽤车载以太⽹；到2025年，车载以太⽹的市场渗透率将增加⾄80%。
截⽌到2016年3⽉底，车载以太⽹领域⾥最为重要的OPEN联盟成员已增长到300个，包括汽车领域⾥众多的汽车⼚商、⼀级供应商、芯⽚商、技术公司以及研究机构等。中国车企和供应商也在积极关注并逐渐采⽤OPEN联盟的技术，在OPEN联盟中已有⼀汽集团、北汽、长城、泛亚、华晨、恒润、航盛以及中国信息通信研究院等⼗⼏家中国成员。全世界采⽤OABR技术的主流汽车制造商的数量正在增长，截⽌到2015年10⽉底，已有多个车型上采⽤了车载以太⽹，包括宝马公司的X3、X4、X5、X6、i3、i8、6系以及7系、捷豹的XJ和XF、以及⼤众的帕萨特等。
3.车载以太网标准化
在车载以太⽹的标准化⽅⾯，如下4个标准化组织或联盟起到了主要的推动作⽤，它们是IEEE 802.3和IEEE802.1⼯作组、汽车开放系统架构联盟AUTOSAR、OPEN联盟以及AVnu联盟。
3.1 IEEE
IEEE 802.3制定的局域⽹标准代表了业界主流的以太⽹技术，车载以太⽹技术是在IEEE802.3基础上开发研制的，因此IEEE是⽬前最为重要的车载以太⽹国际标准化机构。为了满⾜车内的要求，涉及到IEEE 802.3和802.1两个⼯作组内的多个新规范的制定和原有规范的修订，包括PHY规范、AVB规范、单线对数据线供电等。另外，AVB中有关AV的传输、定时同步等规范还需IEEE的其他技术委员会的标准化，如IEEE1722、IEEE1588等。
3.2 OPEN
OPEN联盟于2011年11⽉由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及宝马（BMW）公司发起成⽴的开放产业联盟，旨在推动将基于以太⽹的技术标准应⽤于车内联⽹。相关单位可通过签署OPEN联盟的规范允可协议成为其成员，参与其相关规范的制定活动。
OPEN的主要标准化⽬标有：
●制定100Mbit/s BroadR-R的物理层标准并将其推⼴成为开放的产业标准。
●在相关标准化组织中⿎励和⽀持开发更⾼速的物理层技术规范。
●制定OPEN的互通性要求，选择第三⽅执⾏互操作性测试。
●发现车载以太⽹在实现过程中的标准化缺⼝。
●OPEN联盟与IEEE802形成紧密的标准化合作。
3.3 AUTOSAR
AUTOSAR是由汽车制造商、供应商以及⼯具开发商发起的联盟，旨在制定⼀个开放的、标准化的车⽤软件架构。AUTOSAR的规范包括车⽤TCP/UDP/IP协议栈。AUTOSAR获得了汽车产业的普遍认可，各制造商将放弃私有标准的开发转⽽在标准实现上展开竞争，实现AUTOSAR的标准可使多个设备⽆缝的运⾏在同⼀个共享⽹络上。
3.4 AVnu
AVnu联盟是由博通联合思科、哈曼和英特尔成⽴，致⼒于推⼴IEEE 802.1的AVB 标准和时间同步⽹络（TSN）标准，建⽴认证体系，并解决诸如精确定时、实时同步、带宽预留以及流量整形等重要的技术和性能问题。⽬前，AVnu已发布其车载以太⽹AVB的认证测试规范，并已认证了多个型号的产品。
需要补充的是，AVnu的技术不仅仅可应⽤于汽车领域，也可应⽤于专业A/V、⼯业以及消费类电⼦领域。
4.结束语
随着汽车⽇益智能化和联⽹化，汽车电⼦也将更为复杂化，其对带宽的需求也⽇益增强。车载以太⽹基于⽬前已经⾮常成熟的以太⽹技术，可以很好地满⾜汽车电⼦的新需求并为其提供可靠、成熟、低价和标准化的解决⽅案，未来在车内具有⼴阔的发展空间。
本文内容来自于智能汽车电子与软件，版权属于原作者。
0
