隨著汽車電子的日益復(fù)雜化,、聯(lián)網(wǎng)化和寬帶化，車載以太網(wǎng)順應(yīng)此發(fā)展趨勢在車內(nèi)具有廣闊的發(fā)展空間,。本文對車載以太網(wǎng)技術(shù),，包括其起源、定義,、發(fā)展趨勢,、主要技術(shù)以及其標(biāo)準(zhǔn)化的概況進(jìn)行了全面的分析和介紹。

　　1.引言

　　以太網(wǎng)作為一種局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)自1973年發(fā)明以來,，已經(jīng)歷40多年的發(fā)展歷程,，成為當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)主要由IEEE 802.3工作組負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化,，以太網(wǎng)從最初支持10Mbit/s的吞吐量開始,，經(jīng)過不斷的發(fā)展，支持快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）,、千兆以太網(wǎng)（1Gbit/s）,、萬兆以太網(wǎng)（10Gbit/s）及100Gbit/s。同時,，為了適應(yīng)應(yīng)用的多樣化,，以太網(wǎng)速率打破了以10倍為一級來提升的慣例，開始支持2.5、5,、25及400Gbit/s的速率,。以太網(wǎng)技術(shù)不僅支持雙絞線的銅線傳輸介質(zhì)，也支持光纖傳輸,。隨著城域以太網(wǎng)論壇（MEF）不斷將以太網(wǎng)技術(shù)作為交換技術(shù)和傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于城域網(wǎng)建設(shè),，以太網(wǎng)已經(jīng)不僅僅局限于局域網(wǎng)應(yīng)用，可以更廣泛地應(yīng)用到城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）的領(lǐng)域,。

　　在進(jìn)入汽車領(lǐng)域之前,，以太網(wǎng)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，同時還具有技術(shù)成熟,、高度標(biāo)準(zhǔn)化,、帶寬高以及低成本等優(yōu)勢。隨著近年來汽車電子化的快速發(fā)展,，車內(nèi)電子產(chǎn)品數(shù)量逐年增加,，復(fù)雜性日益提高。以太網(wǎng)所具有的技術(shù)優(yōu)勢可以很好地滿足汽車制造商對車內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求,。但由于車內(nèi)電磁兼容的嚴(yán)格要求,，以太網(wǎng)直到近些年才取得了技術(shù)突破從而得以應(yīng)用到汽車內(nèi)。

　　目前,，主流的車載以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于博通公司的BroadR-Reach（BRR）技術(shù),，IEEE已經(jīng)完成對100Mbit/s車載以太網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，正在對1Gbit/s傳輸速度的車載以太網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,。車載以太網(wǎng)在車內(nèi)將主要應(yīng)用在對帶寬需求較高的系統(tǒng)上（見圖1）,，如高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車載診斷系統(tǒng)（OBD）以及車載信息娛樂系統(tǒng)等,。與傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)不同,，車載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應(yīng)用所需的更高數(shù)據(jù)傳輸能力,，未來其將在車內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景,。

2.車載以太網(wǎng)技術(shù)

　　2.1 什么是車載以太網(wǎng)

　　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(shù)。與普通的以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線（UTP）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的數(shù)據(jù)傳輸速率,，同時還應(yīng)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)的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù),，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術(shù)已經(jīng)由單線對以太網(wǎng)聯(lián)盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標(biāo)準(zhǔn)化，因此有時也稱車載以太網(wǎng)為BroadR-Reach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）,。

　　車載以太網(wǎng)的MAC層采用IEEE 802.3的接口標(biāo)準(zhǔn),，無需做任何適配即可無縫支持廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP/IP）。

　　2.2 車載以太網(wǎng)主要技術(shù)

　　車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示,。車載以太網(wǎng)主要涉及OSI的1,、2層技術(shù)，本文分別介紹車載以太網(wǎng)各主要技術(shù),。

　?。?）物理層PHY

　　車載以太網(wǎng)使用單對非屏蔽電纜以及更小型緊湊的連接器，使用非屏蔽雙絞線時可支持15m的傳輸距離（對于屏蔽雙絞線可支持40m）,，這種優(yōu)化處理使車載以太網(wǎng)可滿足車載EMC要求,。100M車載以太網(wǎng)的PHY采用了1G以太網(wǎng)的技術(shù)，通過使用回聲抵消在單線對上實現(xiàn)雙向通信,。車載以太網(wǎng)的物理層與標(biāo)準(zhǔn)的100BASE-TX的物理層主要區(qū)別有：

　　●與100BASE-TX所使用的擾頻器相比,，車載以太網(wǎng)數(shù)字信號處理器（DSP）采用了高度優(yōu)化的擾頻器，可以更好地分離信號,，比100BASE-TX系的頻譜效率更高,。

　　●車載以太網(wǎng)的信號帶寬為66.7MHz，只有100BASE-TX系統(tǒng)的一半,。較低的信號帶寬可以改善回波損耗,，減少串?dāng)_，并確保車載以太網(wǎng)可滿足汽車電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求,。

　?。?）“一對數(shù)據(jù)線供電”PoDL

　　以太網(wǎng)供電PoE技術(shù)是2003年推出的，可通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜提供15.4W的供電功率,。在一條電纜上同時支持供電與數(shù)據(jù)傳輸,，對進(jìn)一步減少車上電纜的重量和成本很有意義。由于常規(guī)的PoE是為4對電纜的以太網(wǎng)設(shè)計的,，因此專門為車載以太網(wǎng)開發(fā)了PoDL,，可在一對線纜上為電子控制單元ECU的正常運(yùn)行提供12VDC或者5VDC供電電壓。

　?。?）先進(jìn)電纜診斷ACD

　　ACD功能可以通過分析反射信號的幅度和延遲來檢測電纜的故障位置,，這對于實現(xiàn)車載以太網(wǎng)連接的高度可靠性至關(guān)重要。

　?。?）高能效以太網(wǎng)

　　當(dāng)關(guān)閉引擎時,，車上電子單元并不是全部關(guān)閉，這時需要用電池供電,，而電池的電量又是有限的,，這種情況下可采用高效能以太網(wǎng)技術(shù)通過關(guān)閉不在用的網(wǎng)絡(luò)以降低耗電量,。

　　（5）時間同步

　　車內(nèi)某些應(yīng)用需要實現(xiàn)不同傳感器之間的時間同步,，或者在執(zhí)行某次測量時需要知道不同節(jié)點(diǎn)的時刻,，這就需要在全部參與測試的節(jié)點(diǎn)間做到同步，某些精度甚至需要達(dá)到亞微秒級別,。車載以太網(wǎng)采用了IEEE 802.1AS的定時同步標(biāo)準(zhǔn),，該標(biāo)準(zhǔn)通過IEEE 1588V2的Profile從而用一種更簡單快速地方法確定主時鐘，規(guī)定了廣義的精確時間協(xié)議（gPTP）,。

　?。?）時間觸發(fā)以太網(wǎng)

　　車內(nèi)的許多控制要求通信延遲要在微秒級。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中,，只有當(dāng)現(xiàn)有的包都處理完后才會處理新到的包,，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車內(nèi)應(yīng)用的需求,。為了解決這一問題,，IEEE 802.3工作組開發(fā)了一種高優(yōu)先級的快速包技術(shù)，使得快速包可插入到正在處理的包隊列中被優(yōu)先處理以保證延遲在微秒級范圍內(nèi),。

　?。?）音視頻橋接AVB

　　為了滿足車內(nèi)音視頻應(yīng)用的低延遲和可保證的帶寬要求，可在車內(nèi)使用IEEE802工作組開發(fā)的AVB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),。

　　AVB技術(shù)提供了優(yōu)先級,、流預(yù)留協(xié)議（SRP）、流量整形協(xié)議（FQTSS）等核心功能,。AVB在車內(nèi)的應(yīng)用案例有唇同步多媒體播放,、在線導(dǎo)航地圖等汽車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、ADAS以及診斷功能等,。

　　IEEE同時還制定了AVB的傳輸協(xié)議,，包括：

　　●IEEE 1722-2011：橋接局域網(wǎng)中的時間敏感應(yīng)用第二層傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為音視頻傳輸協(xié)議（AVTP）,。

　　●IEEE 1733-2011：橋接局域網(wǎng)中的時間敏感應(yīng)用第三層傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),。由于該協(xié)議是一個第三層協(xié)議，預(yù)計不會被汽車行業(yè)廣泛采用,。

　　為了提升AVB的適應(yīng)性,，滿足工業(yè)等更多應(yīng)用場景,，IEEE AVB任務(wù)組已更名為“時間敏感性網(wǎng)絡(luò)”TSN工作組,，現(xiàn)在是IEEE802.1五大任務(wù)組之一，致力于開發(fā)實現(xiàn)超低時延的控制網(wǎng)絡(luò),。

　　2.3 車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢

　　車載電子變得日益復(fù)雜,，越來越多的傳感器、控制器以及接口對帶寬的要求越來越高，車內(nèi)不同的計算單元和不同的域之間彼此通信的需求越來越強(qiáng),。這種復(fù)雜性直接導(dǎo)致了對車內(nèi)連線使用上的增長,。在車載以太網(wǎng)進(jìn)入汽車應(yīng)用之前，車內(nèi)已有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用,，包括LIN,、CAN、FlexRay,、MOST以及LVDS等,。幾乎每個汽車電子器件都有其特定的線纜和通信要求，這必然導(dǎo)致車內(nèi)復(fù)雜的連線,，車內(nèi)線束已成為繼引擎和底盤之外車內(nèi)第三大成本支出的部分,，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中布置配線的人工成本占整車的50%。同時,，車內(nèi)線束在重量上也是繼底盤和引擎之外占第三位的部分,。降低線束重量的技術(shù)將會直接改善燃油使用的經(jīng)濟(jì)性。車載以太網(wǎng)承載在單線對非屏蔽雙絞線的傳輸介質(zhì)上,，使用更小巧緊湊的連接器,，將可減少高達(dá)80％的車內(nèi)連接成本和高達(dá)30％的車內(nèi)布線重量。

　　據(jù)全球著名的咨詢公司弗若斯特沙利文公司（Frost & Sullivan）和Strategy Analysis預(yù)測,，到2020年,，全球?qū)⒉渴?億個車載以太網(wǎng)端口；到2022年,，全球部署的全部車載以太網(wǎng)端口將超過所有其他已部署的以太網(wǎng)端口總和,。Frost & Sullivan還預(yù)測，到2020年,，對于低端車型每輛車上將有6~40個車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn),，而豪華車型和混合/電動車型上將會有50~80個車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，有40%的已售車上使用車載以太網(wǎng),；到2025年,，車載以太網(wǎng)的市場滲透率將增加至80%。

　　截止到2016年3月底,，車載以太網(wǎng)領(lǐng)域里最為重要的OPEN聯(lián)盟成員已增長到300個,，包括汽車領(lǐng)域里眾多的汽車廠商、一級供應(yīng)商,、芯片商,、技術(shù)公司以及研究機(jī)構(gòu)等。中國車企和供應(yīng)商也在積極關(guān)注并逐漸采用OPEN聯(lián)盟的技術(shù),，在OPEN聯(lián)盟中已有一汽集團(tuán),、北汽,、長城、泛亞,、華晨,、恒潤、航盛以及中國信息通信研究院等十幾家中國成員,。全世界采用OABR技術(shù)的主流汽車制造商的數(shù)量正在增長,，截止到2015年10月底，已有多個車型上采用了車載以太網(wǎng),，包括寶馬公司的X3,、X4、X5,、X6,、i3、i8,、6系以及7系,、捷豹的XJ和XF、以及大眾的帕薩特等,。

3.車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化

　　在車載以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化方面,，如下4個標(biāo)準(zhǔn)化組織或聯(lián)盟起到了主要的推動作用，它們是IEEE 802.3和IEEE802.1工作組,、汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟AUTOSAR,、OPEN聯(lián)盟以及AVnu聯(lián)盟，標(biāo)準(zhǔn)化情況匯總見圖3,。

　　3.1 IEEE

　　IEEE 802.3制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)代表了業(yè)界主流的以太網(wǎng)技術(shù),，車載以太網(wǎng)技術(shù)是在IEEE802.3基礎(chǔ)上開發(fā)研制的，因此IEEE是目前最為重要的車載以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu),。為了滿足車內(nèi)的要求,，涉及到IEEE 802.3和802.1兩個工作組內(nèi)的多個新規(guī)范的制定和原有規(guī)范的修訂，包括PHY規(guī)范,、AVB規(guī)范,、單線對數(shù)據(jù)線供電等。

　　另外,，AVB中有關(guān)AV的傳輸,、定時同步等規(guī)范還需IEEE的其他技術(shù)委員會的標(biāo)準(zhǔn)化，如IEEE1722,、IEEE1588等,。

　　3.2 OPEN

　　OPEN聯(lián)盟于2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及寶馬（BMW）公司發(fā)起成立的開放產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,，旨在推動將基于以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于車內(nèi)聯(lián)網(wǎng),。相關(guān)單位可通過簽署OPEN聯(lián)盟的規(guī)范允可協(xié)議成為其成員，參與其相關(guān)規(guī)范的制定活動,。

　　OPEN的主要標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)有：

　　●制定100Mbit/s BroadR-R的物理層標(biāo)準(zhǔn)并將其推廣成為開放的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。

　　●在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織中鼓勵和支持開發(fā)更高速的物理層技術(shù)規(guī)范。

　　●制定OPEN的互通性要求,，選擇第三方執(zhí)行互操作性測試,。

　　●發(fā)現(xiàn)車載以太網(wǎng)在實現(xiàn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化缺口。

　　OPEN聯(lián)盟與IEEE802形成緊密的標(biāo)準(zhǔn)化合作,。

　　3.3 AUTOSAR

　　AUTOSAR是由汽車制造商,、供應(yīng)商以及工具開發(fā)商發(fā)起的聯(lián)盟，旨在制定一個開放的,、標(biāo)準(zhǔn)化的車用軟件架構(gòu),。AUTOSAR的規(guī)范包括車用TCP/UDP/IP協(xié)議棧。AUTOSAR獲得了汽車產(chǎn)業(yè)的普遍認(rèn)可,，各制造商將放棄私有標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)轉(zhuǎn)而在標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)上展開競爭,，實現(xiàn)AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)可使多個設(shè)備無縫的運(yùn)行在同一個共享網(wǎng)絡(luò)上。

　　3.4 AVnu

　　AVnu聯(lián)盟是由博通聯(lián)合思科,、哈曼和英特爾成立,，致力于推廣IEEE 802.1的AVB標(biāo)準(zhǔn)和時間同步網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)，建立認(rèn)證體系,，并解決諸如精確定時,、實時同步、帶寬預(yù)留以及流量整形等重要的技術(shù)和性能問題,。

　　目前,，AVnu已發(fā)布其車載以太網(wǎng)AVB的認(rèn)證測試規(guī)范，并已認(rèn)證了多個型號的產(chǎn)品,。

　　需要補(bǔ)充的是,，AVnu的技術(shù)不僅僅可應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，也可應(yīng)用于專業(yè)A/V,、工業(yè)以及消費(fèi)類電子領(lǐng)域,。

4.結(jié)束語

　　隨著汽車日益智能化和聯(lián)網(wǎng)化，汽車電子也將更為復(fù)雜化,，其對帶寬的需求也日益增強(qiáng),。車載以太網(wǎng)基于目前已經(jīng)非常成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，可以很好地滿足汽車電子的新需求并為其提供可靠,、成熟,、低價和標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，未來在車內(nèi)具有廣闊的發(fā)展空間,。由于篇幅所限,，本篇涉及到一些技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容未能過多展開,。