全面分析车载以太网技术及其标准化

　　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、低电磁辐射、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

　　车载以太网及其支持的上层协议的技术架构如图2所示。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，标准化情况汇总见图3。

　　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。由于篇幅所限，本篇涉及到一些技术和标准化内容未能过多展开。