車載以太網技術及標準化

李　巍　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師張麗靜　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師王燕芳　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

網絡技術——車聯網專題

車載以太網技術及標準化

李巍中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師
張麗靜中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
王燕芳中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

隨著汽車電子的日益復雜化、聯網化和寬帶化，車載以太網順應此發展趨勢在車內具有廣闊的發展空間。本文對車載以太網技術，包括其起源、定義、發展趨勢、主要技術以及其標準化的概況進行了全面的分析和介紹。

車載以太網；AUTOSAR；AVB；AVnu；BroadR-Reach；IEEE；OPEN；PHY

1　引言

以太網作為一種局域網（LAN）技術自1973年發明以來，已經歷40多年的發展歷程，成為當前應用最為普遍的局域網技術。以太網主要由IEEE802.3工作組負責標準化，以太網從最初支持10Mbit/s的吞吐量開始，經過不斷的發展，支持快速以太網（100Mbit/s）、千兆以太網（1Gbit/s）、萬兆以太網（10Gbit/s）及100Gbit/s。同時，為了適應應用的多樣化，以太網速率打破了以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。以太網技術不僅支持雙絞線的銅線傳輸介質，也支持光纖傳輸。隨著城域以太網論壇（MEF）不斷將以太網技術作為交換技術和傳輸技術廣泛應用于城域網建設，以太網已經不僅僅局限于局域網應用，可以更廣泛地應用到城域網（MAN）和廣域網（WAN）的領域。

在進入汽車領域之前，以太網已經獲得了廣泛的應用，同時還具有技術成熟、高度標準化、帶寬高以及低成本等優勢。隨著近年來汽車電子化的快速發展，車內電子產品數量逐年增加，復雜性日益提高。以太網所具有的技術優勢可以很好地滿足汽車制造商對車內互聯網絡的需求。但由于車內電磁兼容的嚴格要求，以太網直到近些年才取得了技術突破從而得以應用到汽車內。

目前，主流的車載以太網的技術標準是基于博通公司的BroadR-Reach（BRR）技術，IEEE已經完成對100Mbit/s車載以太網技術的標準化，正在對1Gbit/s傳輸速度的車載以太網進行標準化。車載以太網在車內將主要應用在對帶寬需求較高的系統上（見圖1），如高級駕駛輔助系統（ADAS）、車載診斷系統（OBD）以及車載信息娛樂系統等。與傳統的車載網絡不同，車載以太網可以提供帶寬密集型應用所需的更高數據傳輸能力，未來其將在車內具有廣泛的應用前景。

圖1　車載以太網在車內的主要應用示意圖

2　車載以太網技術

2.1什么是車載以太網

車載以太網是一種用以太網連接車內電子單元的新型局域網技術。與普通的以太網使用4對非屏蔽雙絞線（UTP）電纜不同，車載以太網在單對非屏蔽雙絞線上可實現100Mbit/s甚至1Gbit/s的數據傳輸速率，同時還應滿足汽車行業對高可靠性、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。

車載以太網的物理層采用了博通公司的BroadRReach技術，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術已經由單線對以太網聯盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標準化，因此有時也稱車載以太網為BroadRReach（BRR）或OABR（OpenAllianceBroadR-Reach）。

車載以太網的MAC層采用IEEE802.3的接口標準，無需做任何適配即可無縫支持廣泛使用的高層網絡協議（如TCP/IP）。

2.2車載以太網主要技術

車載以太網及其支持的上層協議的技術架構如圖2所示。車載以太網主要涉及OSI的1、2層技術，本文分別介紹車載以太網各主要技術。

（1）物理層PHY

車載以太網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），這種優化處理使車載以太網可滿足車載EMC要求。100M車載以太網的PHY采用了1G以太網的技術，通過使用回聲抵消在單線對上實現雙向通信。車載以太網的物理層與標準的100BASE-TX的物理層主要區別有：

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

●車載以太網的信號帶寬為66.7MHz，只有100BASE-TX系統的一半。較低的信號帶寬可以改善回波損耗，減少串擾，并確保車載以太網可滿足汽車電磁輻射標準要求。

（2）“一對數據線供電”PoDL

以太網供電PoE技術是2003年推出的，可通過標準的以太網線纜提供15.4W的供電功率。在一條電纜上同時支持供電與數據傳輸，對進一步減少車上電纜的重量和成本很有意義。由于常規的PoE是為4對電纜的以太網設計的，因此專門為車載以太網開發了PoDL，可在一對線纜上為電子控制單元ECU的正常運行提供12VDC或者5VDC供電電壓。

圖2　車載以太網協議架構圖

（3）先進電纜診斷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，這對于實現車載以太網連接的高度可靠性至關重要。

（4）高能效以太網

當關閉引擎時，車上電子單元并不是全部關閉，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技術通過關閉不在用的網絡以降低耗電量。

（5）時間同步

車內某些應用需要實現不同傳感器之間的時間同步，或者在執行某次測量時需要知道不同節點的時刻，這就需要在全部參與測試的節點間做到同步，某些精度甚至需要達到亞微秒級別。車載以太網采用了IEEE 802.1AS的定時同步標準，該標準通過IEEE 1588v2的Profile從而用一種更簡單快速的方法確定主時鐘，規定了廣義的精確時間協議（gPTP）。

（6）時間觸發以太網

車內的許多控制要求通信延遲要在微秒級。在傳統以太網中，只有當現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，滿足不了車內應用的需求。為了解決這一問題，IEEE802.3工作組開發了一種高優先級的快速包技術，使得快速包可插入到正在處理的包隊列中被優先處理以保證延遲在微秒級范圍內。

（7）音視頻橋接AVB

為了滿足車內音視頻應用的低延遲和可保證的帶寬要求，可在車內使用IEEE802工作組開發的AVB相關標準。

AVB技術提供了優先級、流預留協議（SRP）、流量整形協議（FQTSS）等核心功能。AVB在車內的應用案例有唇同步多媒體播放、在線導航地圖等汽車聯網應用、ADAS以及診斷功能等。

IEEE同時還制定了AVB的傳輸協議，包括：

●IEEE1722-2011：橋接局域網中的時間敏感應用第二層傳輸協議標準，也被稱為音視頻傳輸協議（AVTP）。

●IEEE1733-2011：橋接局域網中的時間敏感應用第三層傳輸協議標準。由于該協議是一個第三層協議，預計不會被汽車行業廣泛采用。

為了提升AVB的適應性，滿足工業等更多應用場景，IEEEAVB任務組已更名為“時間敏感性網絡”TSN工作組，現在是IEEE802.1五大任務組之一，致力于開發實現超低時延的控制網絡。

2.3車載以太網發展趨勢

車載電子變得日益復雜，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。這種復雜性直接導致了對車內連線使用上的增長。在車載以太網進入汽車應用之前，車內已有多種不同的標準技術在應用，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，這必然導致車內復雜的連線，車內線束已成為繼引擎和底盤之外車內第三大成本支出的部分，生產環節中布置配線的人工成本占整車的50%。同時，車內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將會直接改善燃油使用的經濟性。車載以太網承載在單線對非屏蔽雙絞線的傳輸介質上，使用更小巧緊湊的連接器，將可減少高達80%的車內連接成本和高達30%的車內布線重量。

據全球著名的咨詢公司弗若斯特沙利文公司（Frost&Sullivan）和Strategy Analysis預測，到2020年，全球將部署4億個車載以太網端口；到2022年，全球部署的全部車載以太網端口將超過所有其他已部署的以太網端口總和。Frost&Sullivan還預測，到2020年，對于低端車型每輛車上將有6～40個車載以太網節點，而豪華車型和混合/電動車型上將會有50～80個車載以太網節點，有40%的已售車上使用車載以太網；到2025年，車載以太網的市場滲透率將增加至80%。

截止到2016年3月底，車載以太網領域里最為重要的OPEN聯盟成員已增長到300個，包括汽車領域里眾多的汽車廠商、一級供應商、芯片商、技術公司以及研究機構等。中國車企和供應商也在積極關注并逐漸采用OPEN聯盟的技術，在OPEN聯盟中已有一汽集團、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技術的主流汽車制造商的數量正在增長，截止到2015年10月底，已有多個車型上采用了車載以太網，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　車載以太網標準化

在車載以太網的標準化方面，如下4個標準化組織或聯盟起到了主要的推動作用，它們是IEEE802.3和IEEE802.1工作組、汽車開放系統架構聯盟AUTOSAR、OPEN聯盟以及AVnu聯盟，標準化情況匯總見圖3。

3.1IEEE

IEEE802.3制定的局域網標準代表了業界主流的以太網技術，車載以太網技術是在IEEE802.3基礎上開發研制的，因此IEEE是目前最為重要的車載以太網國際標準化機構。為了滿足車內的要求，涉及到IEEE 802.3和802.1兩個工作組內的多個新規范的制定和原有規范的修訂，包括PHY規范、AVB規范、單線對數據線供電等。

另外，AVB中有關AV的傳輸、定時同步等規范還需IEEE的其他技術委員會的標準化，如IEEE1722、IEEE1588等。

3.2OPEN

OPEN聯盟于2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及寶馬（BMW）公司發起成立的開放產業聯盟，旨在推動將基于以太網的技術標準應用于車內聯網。相關單位可通過簽署OPEN聯盟的規范允可協議成為其成員，參與其相關規范的制定活動。

OPEN的主要標準化目標有：

●制定100Mbit/sBroadR-R的物理層標準并將其推廣成為開放的產業標準。

●在相關標準化組織中鼓勵和支持開發更高速的物理層技術規范。

●制定OPEN的互通性要求，選擇第三方執行互操作性測試?！癜l現車載以太網在實現過程中的標準化缺口。OPEN聯盟與IEEE802形成緊密的標準化合作。

3.3AUTOSAR

AUTOSAR是由汽車制造商、供應商以及工具開發商發起的聯盟，旨在制定一個開放的、標準化的車用軟件架構。AUTOSAR的規范包括車用TCP/UDP/IP協議棧。AUTOSAR獲得了汽車產業的普遍認可，各制造商將放棄私有標準的開發轉而在標準實現上展開競爭，實現AUTOSAR的標準可使多個設備無縫的運行在同一個共享網絡上。

圖3　車載以太網標準化現狀

3.4AVnu

AVnu聯盟是由博通聯合思科、哈曼和英特爾成立，致力于推廣IEEE802.1的AVB標準和時間同步網絡（TSN）標準，建立認證體系，并解決諸如精確定時、實時同步、帶寬預留以及流量整形等重要的技術和性能問題。

目前，AVnu已發布其車載以太網AVB的認證測試規范，并已認證了多個型號的產品。

需要補充的是，AVnu的技術不僅僅可應用于汽車領域，也可應用于專業A/V、工業以及消費類電子領域。

4　結束語

隨著汽車日益智能化和聯網化，汽車電子也將更為復雜化，其對帶寬的需求也日益增強。車載以太網基于目前已經非常成熟的以太網技術，可以很好地滿足汽車電子的新需求并為其提供可靠、成熟、低價和標準化的解決方案，未來在車內具有廣闊的發展空間。由于篇幅所限，本篇涉及到一些技術和標準化內容未能過多展開。

［1］2015年以太網速率將多樣化.http://news.cnw.com.cn/ news-international/htm2015/20150112_317686.shtml.

［2］Ixiaautomotive ethernet solution brief_v1.

［3］KOZIEROK，CORREA，BOATRIGHT，QUESNELLE，Automotive Ethernet:The Definitive Guide，Copyright? 2014 Intrepid Control Systems.

［4］BroadR-Reach以太網的性能優勢.http://www.elecfans. com/qichedianzi/320418_2.html.

［5］http://www.ieee802.org/3/cfi/0314_2/CFI_02_0314.pdf.

［6］Automotive Ethernet Hits the Road in Wide Range of New Vehicles，http://www.opensig.org/news/.

［7］http://www.opensig.org/about/specifications/.

［8］http://avnu.org/specifications/.

［9］Spirent Automotive AVB Datasheet-Ver1.

Technology and standardization for automotive ethernet

LI Wei，ZHANG Lijing，WANG Yanfang

Following more complexity， networking and broader bandwidth of automotive electronics， automotive ethernet will have a wide development space in car. This article is a survey of automotive ethernet， including its beginning， definition，development trend， key technologies， and standardization status.

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2016-5-10）