为什么自动驾驶系统将会需要车载以太网？

来源：是德科技

摘要：自动驾驶汽车和先进驾驶辅助系统（ADAS）对更高带宽、更低延迟提出了更迫切的需求。车载以太网已经成为搭建更高速汽车网络的新骨干。对发射机、接收机、链路分段和高层协议功能进行的全面测试确保其得到成功实施。

推动汽车行业创新的主要动力可分成三大类：增强安全性、保护环境，以及通过互连提高便利性。为了实现这些目标，汽车制造商、汽车供应商、政府、学术界甚至传统汽车行业之外的企业（如无线芯片制造商、移动设备制造商和无线服务提供商）都纷纷参与进来，全力开发先进驾驶辅助系统（ADAS）、互联汽车技术乃至最终的目标 — 自动驾驶汽车。

ADAS 和自动驾驶汽车需要通过高带宽和低延迟的网络来连接所有传感器、摄像头、诊断工具、通信系统以及中央人工智能。

目前，线束无论从重量还是成本上来说，都在所有汽车零部件中排名第三。在汽车组装过程中，线束安装占到了人工成本的 50%。

车载以太网是应对这些挑战的新兴解决方案。就像 WiFi 是专用短程通信（DSRC）的基石一样，以太网在传统局域网（LAN）领域也是众所周知、值得信赖、应用广泛的解决方案。以太网有很多优势，例如多点连接、更宽带宽和低时延等等，这对于汽车制造商来说极具吸引力。不过若是在汽车中使用，传统的以太网还是噪声太大，很容易受到干扰。为了满足汽车行业的特定需求，IEEE 现已制定了新的标准和协议。

自动驾驶需要以更快速度采集并处理更多数据

自动驾驶汽车中使用的各项技术应用了众多新型电子元器件。第一类支持在无线电探测和测距（RADAR）、激光探测和测距（LIDAR）以及摄像头中使用的传感器实现融合。第二类包括车辆到车辆（V2V）、车辆到网络（V2N）、车辆到基础设施（V2I）、车辆到行人（V2P）、车辆到公用事业（V2U）以及车联网（V2X）的无线通信。多种相邻组件，比如采用高精度导航系统的高清（HD）地图、功能强大的信号处理以及人工智能等，都是自动驾驶所需要的组件。

这些技术会产生、发送、接收、存储和处理海量数据。例如，一个 LIDAR 模块可以提供围绕汽车的高精度、高分辨率三维和 360° 成像数据。LIDAR 模块可能生成 70 Mbps 的数据流量，一个摄像头可能生成 40 Mbps 的数据流量，RADAR 模块可能生成 100 Kbps 的数据流量，而导航系统可能生成 50 Kbps 的数据流量。

此外，自动驾驶系统的等级越高，独立传感器的数量也将极大增长，由此产生的数据总量也更大。例如，二级自动驾驶系统可以提供纵向和横向车辆运动控制，因此驾驶员可以放开双手，并暂时休息一下眼睛。该系统可能需要使用 5 个 RADAR 传感器和 5 个摄像头。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。我们预测，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。

汽车串行总线概述

通过回顾主要的传统汽车串行总线，包括 CAN、LVDS、LIN、MOST、FlexRay 和CAN FD，我们可以更好地理解为什么自动驾驶汽车和先进驾驶辅助系统现在需要车载以太网。

CAN（控制器局域网）— 1983 年

CAN 是 Bosch 公司开发的一种共享串行总线，其传输速率可达到 1 Mbps。CAN 后来经过 ISO 批准，成为一种国际标准。它的优点是经济高效，而且可靠性高。但缺点是共享访问，带宽较低。CAN 主要在动力总成、底盘和车身电子设备中使用。

LVDS（低压差分信令）— 1994 年

LVDS 是一种点到点链路，不是共享总线。它的成本比 MOST（媒体定向系统传输）低得多，很多汽车制造商都用它来传输摄像头和视频数据。不过，每个 LVDS 链路一次只能连接一个摄像头或视频输出。

LIN（局域互连网络）— 1998 年

LIN 是由汽车制造商和技术合作伙伴联盟开发的。其速率只有 19,200 比特/秒，并且只需要一条共享线路，而 CAN 需要 2 条。LIN 采用了主从体系结构，而 CAN 将所有节点都视为是平等的。LIN 的成本比 CAN 低，其速度和成本正好适合车身电子设备，例如镜子、电动座椅和配件等。

MOST（媒体定向系统传输）— 1998 年

MOST 采用环形体系结构，使用光纤或铜缆互连，数据速率可达到 150 Mbps（MOST150）。每个环可以包含 64 个 MOST 器件。对于汽车市场而言，MOST 的优势是带宽相对较高，但其价格也较为昂贵。它最初仅适用于摄像头或视频连接。

FlexRay — 2000

FlexRay 是一种数据速率高达 10 Mbps 的共享串行总线。它是由 FlexRay 联盟开发的。该联盟是由半导体制造商、汽车制造商和基础设施提供商所建立的一个组织。与CAN 不同，它没有内置的误码恢复功能，而是将误码处理留给了应用层。它的优势是带宽比 CAN 高，但缺点在于成本较高，而且需要共享使用媒体。FlexRay 主要用于高性能动力总成和安全系统，如线控驱动、主动悬架和自适应巡航控制。

CAN FD（灵活数据速率）— 2012 年

CAN FD 是 BOSCH 公司在 2012 年发布的一种标准，它是对原始 CAN 总线协议的扩展。其设计初衷是为了满足汽车网络对更高带宽的要求。CAN FD 通过最大限度缩短协议时延和提供更高带宽，实现更精确和接近实时的数据传输。CAN FD 可以与现有的 CAN 网络兼容。

车载以太网

尽管传统的汽车串行总线在各种汽车应用中发挥了重要作用，但它们也都有各自的缺点，而车载以太网能够克服这些缺点。例如，大多数汽车串行总线都无法达到 LIDAR 所要求的 70 MB/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。

车载以太网是什么？

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（例如 电磁干扰（EMI））、安全性和网络管理等方面的要求。车载以太网的概念最初是由 Broadcom 提出的，后来 OPEN（单对以太网）联盟采纳了这一标准并承担起管理职责。OPEN 推广 Broadcom 的 100 Mbps BroadR-Reach 作为多供应商许可解决方案。100 Mbps PHY 实施借鉴了 1 Gbps 以太网的技术，能够在一对线缆上实现 100 Mbps 双向传输。此技术使用了更先进的编码方案，可以消除回声，将基本频率（从 125 MHz）降至 66 MHz。这使得以太网能够达到汽车EMI 技术指标。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：车载以太网的演进过程

为何选择车载以太网？

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%。

图2：车载以太网的发展过程

车载以太网技术的演进

图2中的进步得益于多个技术领域的进步，包括：

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。OPEN SIG 开发了一个获得许可的开放标准，并得到汽车市场主流厂商的支持。业界已经认识到 100 Mbps 对于视频传输已经足够，但它还不足以充当汽车中的骨干网，特别是无法满足 ADAS 和自动驾驶系统的需求，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（1 代表 1 对）。

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。

成功实施的全面测试要求

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 3）：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3：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 4 显示了完整的车载以太网协议模型。

图4：车载以太网的完整模型

车载以太网是先进驾驶辅助系统的未来

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。