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摘要：伴随着智能汽车、万物互联、无人驾驶技术的发展，车载通讯系统正在发生着翻天覆地的变化，伴随智能硬件和物联系统的不断扩展，汽车产品已经成为当今对物联系统最佳的试验田，以太网应用于生活领域、工业领域已经有很长的时间，并且已经成为成熟的网络通讯技术。以太网应用于汽车领域是近阶段才发展起来的大趋势，并逐渐开始在汽车领域发挥着中心骨架的作用。基于汽车领域的特殊性，以太网转而应用于汽车工业还需要在常规以太网的基础上进行调整以适应汽车产品的特质。本文将着重阐述车载以太网系统的物理层，数据链层，对十兆、百兆、千兆以太网的传输介质、比特流、传输过程以及拓扑结构等进行梳理，并在一定的程度上涉及各层的协议。 关键字：车载以太网、拓扑结构、传输方式、协议栈。 第一章：车载以太网应用的基本情况 1.1 什么是车载以太网 车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。与普通的以太网使用4对非屏蔽双绞线（UTP）电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率，同时还应满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。车载以太网的物理层采用了博通公司的BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层（PHY）技术已经由单线对以太网联盟（One-Pair Ethernet Alliance，OPEN）标准化，因此有时也称车载以太网为BroadR-Reach（BRR）或OABR（OpenAlliance BroadR-Reach）。车载以太网的MAC层采用IEEE 802.3的接口标准，无需做任何适配即可无缝支持广泛使用的高层网络协议。 1.2以太网应用于汽车领域的主要原因1.2.1数据带宽需求 汽车上的电子设备变得越来越复杂，各种控制系统以及传感器的使用越来越多，车内的各种处理器和域控制器需要更多的数据交互，这种大量的数据交互对于车内数据传输带宽的要求越来越高。现阶段整车定义逐渐从硬件转变成软件系统，整车系统的OTA以及4G/WI-FI都需要更高的总线带宽，以太网成为一个必然的选择。 1.2.2车内布线需求 通常，车内各个电子设备之间都是通过专用的电缆进行连接，这使车内的线缆的布置和连接变得更加复杂，同时也带来了车内线缆成本和重量的成倍增加（车内线束的重量是在整车成本排名第三位，同时成本也仅次于动力总成和底盘排名第三）通过使用非屏蔽双绞线（UTP）作为10/10/100Mbps以太网的传输介质，而且可以使用更小的连接器端子，这样可以使得线缆的重量大大减少。并且通过以车载太网的应用，车内的电子设备可以抛弃点对点的传统布线连接，只需要将各个设备连接到车载网关控制器上即可，在以车载网关为中心、以太网为骨架、其他通信系统为辅助的新型整车通讯架构下可以大量的缩减车内部线线的数量以及复杂程度。 1.2.3“一对数据线供电”PoDL 以太网供电PoE技术是2003年推出的，可通过标准的以太网线缆提供15.4W的供电功率。在一条电缆上同时支持供电与数据传输，对进一步减少车上电缆的重量和成本很有意义。由于常规的PoE是为4对电缆的以太网设计的，因此专门为车载以太网开发了PoDL，可在一对线缆上为电子控制单元ECU的正常运行提供12VDC或者5VDC供电电压。 1.2.4先进电缆诊断ACD ACD功能可以通过分析反射信号的幅度和延迟来检测电缆的故障位置，这对于实现车载以太网连接的高度可靠性至关重要。 1.2.5 高能效以太网 当关闭引擎时，车上电子单元并不是全部关闭，这时需要用电池供电，而电池的电量又是有限的，这种情况下可采用高效能以太网技术通过关闭不在用的网络以降低耗电量。 1.2传统以太网的主要问题及解决方案1、传统以太网不能满足汽车OEM厂商对于EMI（电磁干扰)和RF(辐射)的要求，民用的100BASE-TX和1000BASE-TX的辐射噪声很难控制，并且承受噪声干扰（抗扰）的能力比较差; 方案：车载以太网使用单对非屏蔽电缆以及更小型紧凑的连接器，使用非屏蔽双绞线时可支持15m的传输距离（对于屏蔽双绞线可支持40m），这种优化处理使车载以太网可满足车载EMC要求。100M车载以太网的PHY采用了1G以太网的技术，通过使用回声抵消在单线对上实现双向通信。车载以太网的物理层与标准的100BASE-TX的物理层主要区别有： ●与100BASE-TX所使用的扰频器相比，车载以太网数字信号处理器（DSP）采用了高度优化的扰频器，可以更好地分离信号，比100BASE-TX系的频谱效率更高。 ●Broad R-Reach技术使用一对差分信号实现10/10/100Mbps数据的双向传输，并且使用了特殊的编码方式(后续物理解码、编码部分会讲解)，使数据传输的基频变为了66MHz（民用以太网为125MHz），通过这种方式来造成车载以太网的信号带宽为66.7MHz，只有100BASE-TX系统的一半。较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，并确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求。 2、车载系统对于传感器及控制系统的响应速度有非常高的要求，而传统以太网不能保证ms级别（或更小）的传输延迟;传统以太网没有提供网络设备之间进行时钟同步的方法，无法保证多个设备同一时刻针对数据进行同步采样（尤其是音视频数据）。 方案： 时间同步：车内某些应用需要实现不同传感器之间的时间同步，或者在执行某次测量时需要知道不同节点的时刻，这就需要在全部参与测试的节点间做到同步，某些精度甚至需要达到亚微秒级别。车载以太网采用了IEEE802.1AS的定时同步标准，该标准通过IEEE1588V2的Profile从而用一种更简单快速地方法确定主时钟，规定了广义的精确时间协议（gPTP）。 时间触发以太网：车内的许多控制要求通信延迟要在微秒级。在传统以太网中，只有当现有的包都处理完后才会处理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要几百微秒的延迟，满足不了车内应用的需求。为了解决这一问题，IEEE802.3工作组开发了一种高优先级的快速包技术，使得快速包可插入到正在处理的包队列中被优先处理以保证延迟在微秒级范围内。 音视频桥接AVB：为了满足车内音视频应用的低延迟和可保证的带宽要求，可在车内使用IEEE802工作组开发的AVB相关标准。 AVB技术提供了优先级、流预留协议（SRP）、流量整形协议（FQTSS）等核心功能。AVB在车内的应用案例有唇同步多媒体播放、在线导航地图等汽车联网应用、ADAS以及诊断功能等。 IEEE同时还制定了AVB的传输协议，包括： ●IEEE 1722-2011：桥接局域网中的时间敏感应用第二层传输协议标准，也被称为音视频传输协议（AVTP）。 ●IEEE 1733-2011：桥接局域网中的时间敏感应用第三层传输协议标准。由于该协议是一个第三层协议，预计不会被汽车行业广泛采用。 为了提升AVB的适应性，满足工业等更多应用场景，IEEE AVB任务组已更名为“时间敏感性网络”TSN工作组，现在是IEEE802.1五大任务组之一，致力于开发实现超低时延的控制网络。 3.传统以太网没有提供网络带宽分配的方法，因此在不同的数据流同时传输时，无法保证每个数据流所需要的带宽; 方案：车载以太网的MAC寻址协议作为基础，同时车载以太网的组网方式加入了switch结构，这就意味着我们中转机的存在让点对点的数据传输依靠MAC寻址可以实现随时寻址，完成点对点传输，同时同一个中转机的也可以完成另外两个节点的数据传输，基于差在以太网的回音消除技术，两个点对点的传输是双工制，也就对数据传输的带宽分配实现了最大化。 更新周期：一周一更，每周六晚8点发出去； 主要方式：专题方式，围绕车载通信系统和整车电子电气（ADAS部分成熟后再跟诸位探讨）； 内容要点：我们来简单易懂，工作常用，基本原理及应用，不走高端路线。 下周专题：车载以太网系统的物理层结构 ·电话：13524416001 |
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