郭麗麗，陳 新

（北汽集團(tuán)新技術(shù)研究院，北京 101300）

以太網(wǎng)技術(shù)在汽車通信中的應(yīng)用

郭麗麗，陳 新

（北汽集團(tuán)新技術(shù)研究院，北京 101300）

介紹傳統(tǒng)汽車車載通信技術(shù)，分析不同車載通信方法在不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，闡述引進(jìn)新的車載通信技術(shù)——汽車以太網(wǎng)的必要性。分別敘述世界2大組織OPEN Alliance SIG和AVNU Alliance在汽車以太網(wǎng)推廣方面所做的工作，汽車以太網(wǎng)相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的區(qū)別，汽車以太網(wǎng)在汽車上的應(yīng)用演進(jìn)。展望未來汽車以太網(wǎng)將更大范圍地應(yīng)用于汽車。

汽車以太網(wǎng)；汽車通信；汽車總線

1 汽車車載通信概述

1.1 汽車車載通信技術(shù)發(fā)展

汽車車載通信，是指實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部電子零部件之間信息交互所采取的通信方式。1991年之前，汽車車載通信采用點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，隨著汽車上電子零部件數(shù)目的增加及汽車功能的復(fù)雜，點(diǎn)對點(diǎn)通信漸漸不能滿足需求。1983年Bosch開始研究汽車串行總線通信系統(tǒng)，并在1986年SAE大會上首次公布CAN協(xié)議，1987 年Intel推出了第1片CAN控制器芯片。1991年，Bosch頒布CAN 2.0技術(shù)規(guī)范，同年CAN在Benz S系列轎車上實(shí)現(xiàn)。目前，幾乎每輛汽車上都搭載CAN總線。

1999年，由整車廠奧迪、寶馬、戴姆勒克萊斯勒、沃爾沃、大眾，半導(dǎo)體廠商飛思卡爾，工具制造商Mentor Graphics組成的LIN聯(lián)盟成立，目標(biāo)是建立一個全面、簡單、低成本且標(biāo)準(zhǔn)化的用于傳感器/執(zhí)行器級的通信網(wǎng)絡(luò)，同年SAE大會上頒布LIN1.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，到2006年LIN2.1標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。目前，幾乎每輛汽車上都搭載LIN總線。

2000年以寶馬、博世、戴姆勒、飛思卡爾、通用汽車、恩智浦、大眾為核心成員的FlexRay聯(lián)盟成立，致力于將高速率（10 Mb/s）、確定性（基于調(diào)度表通信形式）、容錯性（雙通道冗余、分布式時(shí)鐘同步）、靈活性很強(qiáng)的FlexRay總線應(yīng)用于安全系統(tǒng)?，F(xiàn)在，部分高端車搭載FlexRay總線。

1998年，寶馬、戴姆勒克萊斯勒、哈曼和Oasis Silicon Systems公司（多媒體設(shè)備芯片商，現(xiàn)在已被SMSC公司收購）組成的MOST聯(lián)盟成立，致力于研究應(yīng)用于汽車的面向多媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸（Media Oriented System Transport，簡稱MOST），傳輸速率最高可達(dá)150 Mb/s。現(xiàn)在，少量高端車搭載MOST總線。

1.2 不同車載通信方式的應(yīng)用特點(diǎn)

汽車不同系統(tǒng)選用不同的通信形式。如：①信息娛樂系統(tǒng)：通信要求高速率和高帶寬，有時(shí)會是無線傳輸，目前主流應(yīng)用協(xié)議有MOST（正在推出的還有IDB-1394等）。由于MOST總線是通過塑料光纖的全反射進(jìn)行通信，所以對光纖的彎曲度有限制，這就制約了MOST總線的應(yīng)用范圍（目前MOST主要應(yīng)用在和汽車安全無關(guān)的領(lǐng)域，主要是指信息娛樂方面）；②高安全的線控系統(tǒng)（X-By-Wire）：由于此領(lǐng)域涉及安全性很高的制動和導(dǎo)向系統(tǒng)，所以它的通信要求高容錯性、高可靠性和高實(shí)時(shí)性。通信協(xié)議有TTCAN、FlexRay、TTP等；③車身及控制系統(tǒng)：在這個領(lǐng)域CAN協(xié)議已經(jīng)有了20多年的應(yīng)用積累，其中包括傳統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)和傳動裝置控制系統(tǒng)；④低端控制系統(tǒng)：此系統(tǒng)包括那些僅需要簡單串行通信的ECU，比如控制后視鏡和車門的智能傳感器以及執(zhí)行器等，LIN總線最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3 新型汽車車載通信——汽車以太網(wǎng)

隨著技術(shù)的發(fā)展及用戶對汽車性能要求的提高，車載電子系統(tǒng)數(shù)量及復(fù)雜性在增加，需要的帶寬也隨之大幅增加；汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，高清攝像頭、雷達(dá)等智能傳感器系統(tǒng)由于信息傳遞量的增大對傳遞的速度有很高的要求，憑借目前的車載通信方式CAN、LIN、MOST、FlexRay總線是很難承載的，車載以太網(wǎng)可提供高帶寬、高速率、大信息量的傳輸性能來滿足其信息傳遞的需求。

2 汽車以太網(wǎng)在汽車通信中的應(yīng)用

2.1 世界汽車以太網(wǎng)聯(lián)盟

為了更好地將以太網(wǎng)引進(jìn)汽車，一些芯片廠商、汽車整車廠商和汽車零部件廠商組成了聯(lián)盟，致力于將以太網(wǎng)更好地在汽車上應(yīng)用。目前，有2大汽車以太網(wǎng)聯(lián)盟：OPEN Alliance SIG和AVNU Alliance。

2.1.1 OPEN Alliance SIG及BroadR-Reach技術(shù)

One-Pair Ether-Net special interest group 簡稱OPEN Alliance SIG，最早由Broadcom公司成立的一個以太網(wǎng)聯(lián)盟，成立的目的是鼓勵以太網(wǎng)連接成為標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，推廣 Broadcom公司的BroadR-Reach技術(shù)作為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。OPEN Alliance SIG的核心成員包括寶馬、博世、博通、飛思卡爾、哈曼等汽車整車廠、芯片廠商、零部件廠商。

BroadR-Reach技術(shù)的特點(diǎn)是使用1對非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)百兆以太網(wǎng)的全雙工功能，通信距離大于15 m。如圖1所示，BroadR-Reach不同于傳統(tǒng)百兆以太網(wǎng)，借鑒千兆以太網(wǎng)，BroadR-Reach 物理收發(fā)器PHY采用和傳統(tǒng)百兆以太網(wǎng)相同的MAC接口MII，使用特定的物理編碼子層BR-PCS、物理媒體層BR-PAM［1］。

BroadR-Reach編碼方式，采用4B3B、3B2T編碼方法［1］。

4B3B轉(zhuǎn)2T編碼原理見表1，MMI到PAM-3的編碼過程見圖2［1］。

圖1 BroadR-Reach以太網(wǎng)物理層與傳統(tǒng)百兆、千兆以太網(wǎng)物理層區(qū)別

表1 3B-2T編碼

圖2 MMI到PAM-3編碼

2.1.2 AVNU聯(lián)盟及AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)

AVNU聯(lián)盟把以太網(wǎng)引入汽車和專業(yè)音頻、視頻市場。聯(lián)盟創(chuàng)始成員博通、思科、哈曼、英特爾和賽靈思等。這些成員公司將促進(jìn)面向LAN橋接的一套IEEE標(biāo)準(zhǔn)，以擴(kuò)展以太網(wǎng)的媒體功能［2］。

AVNU聯(lián)盟將以太網(wǎng)根據(jù)汽車應(yīng)用特征進(jìn)行改進(jìn)并標(biāo)準(zhǔn)化，形成應(yīng)用于汽車行業(yè)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。AVNU聯(lián)盟推廣的汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)，目前AVB（Audio Video Bridging）標(biāo)準(zhǔn)已成型，TSN（Time Sensitive Networking）標(biāo)準(zhǔn)在制定和修訂中。AVB標(biāo)準(zhǔn)含IEEE1722、802.1Qav、802.1Qat、802.1 AS，應(yīng)用目的是建立音視頻傳輸機(jī)制及實(shí)習(xí)AVB系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方法及過程，主要應(yīng)用于影音娛樂系統(tǒng)，目前在推廣和應(yīng)用階段［2］。TSN標(biāo)準(zhǔn)的目的是建立更加可靠和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，應(yīng)用于輔助駕駛、主動駕駛等安全系統(tǒng)。AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)列表如表2所示。

2.2 以太網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用演進(jìn)

以太網(wǎng)在汽車上的應(yīng)用，按照應(yīng)用范圍及應(yīng)用特點(diǎn)分為4種，應(yīng)用過程依次遞增，如圖3所示。①點(diǎn)對點(diǎn)連接通信，主要應(yīng)用：診斷、程序下載、點(diǎn)對點(diǎn)私有通信。②獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)級應(yīng)用，主要應(yīng)用：視頻數(shù)據(jù)傳輸，Infotainment信息娛樂系統(tǒng)和ADAS系統(tǒng)的子網(wǎng)絡(luò)等。③通過網(wǎng)關(guān)連接數(shù)據(jù)中心，即點(diǎn)對點(diǎn)連接通信與某以太網(wǎng)子網(wǎng)絡(luò)結(jié)合；應(yīng)用特點(diǎn)是帶有中央網(wǎng)關(guān)，中央網(wǎng)關(guān)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。④全車主干網(wǎng)，應(yīng)用特點(diǎn)是整車主網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用以太網(wǎng)，帶有中央網(wǎng)關(guān)和域網(wǎng)關(guān)，域網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)將各個子域中數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)的打包給中央網(wǎng)關(guān)，中央網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)各個子域間數(shù)據(jù)交互。

表2 AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)列表

圖3 汽車以太網(wǎng)應(yīng)用演進(jìn)

3 汽車以太網(wǎng)應(yīng)用展望

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和汽車以太網(wǎng)技術(shù)的成熟，以太網(wǎng)越來越多地應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)并承擔(dān)重要角色成為必然趨勢。未來會迎來眾多挑戰(zhàn)，但任何問題和困難都阻擋不了科技的進(jìn)步與技術(shù)的發(fā)展。相反，挑戰(zhàn)會促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步及相關(guān)法規(guī)的建立與完善，給用戶一個更舒適、更先進(jìn)的駕車體驗(yàn)和乘車感知［3］。

［1］BroadR-Reach Physical layer Transceiver Specification For Automotive Applications.V3.0［S］.2014.

［2］IEEE Standard for Local and metropolitan area networks -Audio Video Bridging （AVB） Systems.IEEE802.1 AB ［S］.2011.

［3］郭麗麗，菅少鵬，陳新，等.智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案研究［J］.汽車科技，2017，3（5）：34-38.

（編輯 凌 波）

The Using of Ethernet Technology in Auto Communication

GUO Li-li， CHEN Xin
（BAIC Group New Technology Institute， Beijing 101300， China）

In this paper， traditional auto communication technology is introduced， and vehicle communication methods used in different application fields are analyzed. Then a new technology of Ethernet is demonstrated as a necessary auto communication method. The work that did by the OPEN Alliance SIG and AVNU Alliance in auto Ethernet promoting，differences between it and the traditional Ethernet， and the evolution of the auto Ethernet application is introduced in this paper. Auto Ethernet is expected to be used in a wider range in the future.

Auto Ethernet; auto communication; auto bus

U463.6

A

1003-8639（2017）06-0036-03

2017-02-16；

2017-04-21

郭麗麗（1984-），碩士，汽車總線工程師，研究方向?yàn)槠囯娮与姎饧軜?gòu)及車載網(wǎng)絡(luò)。