为何选择车载以太网 车载以太网技术的演进

自动驾驶系统的等级越高，独立传感器的数量也越多，由此产生的数据总量也将更大。二级自动驾驶系统可以提供纵向和横向车辆运动控制，可以让驾驶员放开双手，暂时休息一下眼睛。该系统可能需要使用5个RADAR传感器和5个摄像头。而全自动驾驶系统（四级和五级）将需要多达20个RADAR传感器和6个摄像头，还要使用V2X通信。预测显示，一辆自动驾驶汽车每天将会产生大约 4 TB的数据。这些数据需要以极短的延迟在高速、可靠的网络上传输、存储和共享，这正是基于车载以太网的高吞吐量、低延迟网络的长处。

大多数汽车传统串行总线都无法达到LIDAR所要求的70MB/s数据速率。当各种传感技术和无线通信技术整合在一起时，通常需要同时使用 LIDAR、RADAR、摄像头和 V2X 通信。在这种情况下，需要传输的数据量超过了传统汽车串行总线的现有容量。因此，汽车行业想要引入车载以太网，以便使自动驾驶和先进ADAS系统变成现实。

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为何选择车载以太网

车载以太网是在汽车中连接电子元器件的一种有线网络。其设计初衷是希望满足汽车行业对带宽、延迟、同步、干扰、安全性和网络管理等方面的要求。IEEE 和 OPEN 联盟已在 IEEE 802.3 和 802.1 小组中制定出并负责维护100 Mbps和1000 Mbps车载以太网的物理层标准。

在早期阶段，以太网从 DLC 诊断端口到网关只有一条 100Base-T1 1TPCE 链路，所以它只用于诊断和固化软件更新。图 1 显示了车载以太网作为新骨干（使用更快速的千兆位 以太网 1000Base-T1 RTPGE 链路）的角色演变。

图1：车载以太网的演进进程

在车载电子系统连接和通信、自动驾驶和 ADAS 系统方面，车载以太网与传统汽车串行总线相比具有明显优势。汽车电子体系结构正变得越来越复杂，其中包含的传感器、控制器和接口越来越多，并且需要更高的带宽、更多的计算机和通信链路。

连接这些系统的线束无论是重量还是成本都排在目前汽车所有零部件中的第三位。现在，汽车制造商使用多种不同的专有标准来提供通信功能；大部分元器件都使用一条专用线路或电缆。车载以太网是支持所有通信的统一标准，它使用一对电缆连接每个电子元器件与中央网络交换机。

Broadcom和博世进行的联合调查显示，通过使用非屏蔽双绞线 （UTP）电缆和更小的紧凑型连接器，连接成本最多可降低 80％，线缆重量最多可减轻 30％。

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车载以太网技术的演进

AUTOSAR（汽车开放系统体系结构）

AUTOSAR 是开放和标准化的汽车软件体系结构。它由汽车制造商、供应商和工具开发商联合开发完成。AUTOSAR 包括在汽车中使用的TCP/ IP协议模型。汽车行业已经达成一致，同意将AUTOSAR确立为标准，各家汽车制造商将在实施标准层面展开竞争，而不必再对标准本身提出争议。该标准实施将使多个设备可以在一个共享网络上无缝运行。

单对以太网（OPEN）

Broadcom 开发了BroadR-Reach 作为专有物理层标准，支持更长距离的100 Mbps铜缆以太网连接。该标准在物理层上采用了千兆以太网铜缆技术，包括多电平PAM-3 信令和更好的编码方案，减少了电缆所需要的带宽。它还使用了回声消除器，实现在一对线缆中双向传输数据。这个标准的带宽为27 MHz，比100Base-T标准62.5MHz 的带宽小，因而达到了汽车EMI要求。为此 IEEE 802.3工作组（802.3bp）成立了一个小组，其任务是定义通过一对双绞线实现 1000 Mbps（1 Gbps）数据速率的新标准。这个千兆位以太网物理层标准被称为1000Base-T1。

时间同步

有些汽车算法要求多个传感器同时采样，或者将执行某项测量的时间作为参考时间。由于这些测量是在不同的节点中进行，因此汽车中的所有节点必须做到亚微秒级的精确时间同步。用于桥接局域网中时间敏感型应用的 IEEE 802.1AS 计时和同步标准已被选作同步计时标准。该标准使用了IEEE 1588 v2 的配置文件，并引入了一种简化的方法来更快选择主时钟。

时间触发以太网

一些时间敏感型控件要求通信延迟在1微秒之内，以便控制器可以快速获得传感器读数或是控制对时间要求极为严格的功能。在传统以太网中，数据包必须逐个传输，即使达到千兆位的速度，传输一个数据包也需要几百微秒。IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）工作组正在开发一个系统来解决这个问题，其中高优先级的数据包（称为Express数据包）可以中断现有数据包的传输过程优先进行传输，当它传输完毕后，被中断的数据包再继续进行传输。

AV 桥接

ADAS 主要依赖从摄像头和其他传感器及时获得数据。当在计算机上观看视频时，可以使用缓冲方式来解决网络计时不可靠的问题，但汽车AV系统不能这样，它需要同时控制延迟和保证带宽。时间敏感网络任务组制定了相应的规范，支持时间同步的低延迟数据流业务。

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成功实施需要的全面测试

车载以太网工程师需要处理常见的高频电路板设计问题，包括信号噪声、信号质量、串扰、反射、阻抗匹配和直流电源完整性。

为了确保成功实施和可靠运行，车载以太网还需要对物理层、协议、一致性、安全性和线束执行全面的测试。

物层层一致性测试有三个测试点（图 2）：发射机及协议触发和解码；链路分段，包括线束和连接器；接收机。

图2：车载以太网的物理层测试点

发射机测试

收发信机测试与其他高速数字标准的物理层表征解决方案相似。工程师必须选择一个包含协议触发与解码软件包的测试解决方案，此软件包将查看数据流量和协议层动态，从而节省调试早期设计的时间。所有必需的一致性测试都需要在设置、配置和报告阶段中预先打 包，以便设计人员可以专注于他们的核心任务，按期完成工作。

接收机测试

功能强大的 100Base-T1 接收机（RX）一致性测试应用软件应能自动配置所有必需的测试设备，简化并加快整个测试过程。该软件还提供比特误码率测试（BERT或BER测试）。

• 简化接收机一致性测试

• 自动配置所有必需设备，缩短测试时间

• 以图形方式显示与被测器件的连接

• 生成HTML格式且可打印输出的合格/不合格测试报告，报告中还包含裕量分析结果

链路分段测试

一个完整的链路分段一致性测试解决方案需要支持电缆测试、连接器测试、通信信道测 试、连接器串扰测试，以及跨越整个通信信道的串扰测试。

高层协议测试

车载以太网不仅仅需要物理层测试。验证解决方案还需要更高层的测试方法，包括汽车 TCP/IP 协议模型、时间同步（IEEE 802.1AS）、音频视频桥接传输（802.1Qav）以及预定的流量传输（IEEE 802.1Qbv）协议实施。下面的图 3显示了完整的车载以太网协议模型。

图3：车载以太网的完整模型

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结语

自动驾驶和ADAS将会造福社会，但也会给工程师带来许多新的测试挑战。目前，汽车对高数据速率、带宽和数据安全性的需求不断提高，同时还要求做好更充分的准备应对未来需求，车载以太网为此提供了必要的先进功能，并克服了传统汽车串行总线在车载电子系统连接和通信方面的缺点。是德科技提供了性能卓越的解决方案，能够帮助工程师全面测试发射机、链路分段、接收机以及更高层的协议功能，最终成功实施车载以太网。