為何汽車(chē)以太網(wǎng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛連接的有效方法

隨著傳感器數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，汽車(chē)通信系統(tǒng)正在被重新設(shè)計(jì)構(gòu)建。

市場(chǎng)對(duì)更復(fù)雜、更安全的車(chē)載電子產(chǎn)品的需求打響了一輪新的裝備競(jìng)賽，迫使著汽車(chē)制造商們重新審視日益智能化的汽車(chē)通信系統(tǒng)。

就在不久之前，現(xiàn)代車(chē)輛部件之間的通信還是十分簡(jiǎn)單的，車(chē)輛之間的通信也彷如天方夜譚。然而隨著當(dāng)代技術(shù)的突飛猛進(jìn)，汽車(chē)內(nèi)部、汽車(chē)之間以及汽車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施之間的電子設(shè)備間的快速并安全的聯(lián)絡(luò)通信已經(jīng)成為了輔助和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的關(guān)鍵。

然而，并非所有通信技術(shù)都已完善到位。除非有新的解決方案，汽車(chē)OEM廠商們將不得不放棄引入某些功能，特別是在自動(dòng)駕駛方面。Valens Automotive公司高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Micha Risling表示：“我們一直在處理大量有關(guān)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，我們深知通信問(wèn)題亟需解決。我們現(xiàn)在面對(duì)的不是一場(chǎng)演變，而是一場(chǎng)關(guān)于互通互聯(lián)的徹底的變革。這種變革也同樣適用于所有正在被應(yīng)用或?qū)⒁挥糜谧詣?dòng)駕駛汽車(chē)的不同元素。而這一切都在從根本上改變汽車(chē)的設(shè)計(jì)方式?！?/span>

傳感器數(shù)量的激增是迫使通信技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)力量之一。目前有超過(guò)16種不同類(lèi)型的傳感器：激光雷達(dá)、雷達(dá)、加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等，所有這些都需要與車(chē)輛中的ECU相聯(lián)。隨著更多自動(dòng)化功能被添加到車(chē)輛中，這個(gè)數(shù)字將會(huì)顯著增長(zhǎng)。

“車(chē)輛之間的通信以及車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施間的通信的日益增加意味著車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)量將會(huì)不斷增長(zhǎng)?！逼?chē)傳感器制造商UMC公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Steven Liu表示，“這些系統(tǒng)所需的技術(shù)設(shè)備包括汽車(chē)的防碰撞雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)，以及與交通信號(hào)燈和車(chē)輛調(diào)度員進(jìn)行交互所需的傳感器。這些系統(tǒng)可與現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，如乘客舒適度和信息娛樂(lè)控制系統(tǒng)，以及調(diào)節(jié)溫度、胎壓和汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)。長(zhǎng)途貨運(yùn)汽車(chē)還將需要能夠進(jìn)行負(fù)載平衡、負(fù)載轉(zhuǎn)移、曲線和風(fēng)切變的控制系統(tǒng)，以確保貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的完好無(wú)損以及集裝箱在整個(gè)行程中的安定穩(wěn)固。所有這些5G通信應(yīng)用程序?qū)τ谙到y(tǒng)執(zhí)行各自的操作能力都是至關(guān)重要的?！?/span>

但是由于受制于現(xiàn)有的技術(shù)和連接解決方案，有線集群和各種線束成為了向前發(fā)展的一大難題。另一大難題則是軟件的代碼數(shù)量。作為參考，自動(dòng)駕駛車(chē)輛的軟件代碼量可能比F-35噴氣機(jī)多出100倍；原因在于自動(dòng)駕駛車(chē)輛需要處理比噴氣式飛機(jī)更多的操作場(chǎng)景。

“當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行自動(dòng)駕駛時(shí)，99%的時(shí)間無(wú)需擔(dān)心與另一架飛機(jī)相遇。”Valens公司的Risling表示。 “而當(dāng)你將飛機(jī)與在曼哈頓或拉斯維加斯進(jìn)行自動(dòng)駕駛的汽車(chē)相比，僅僅是考慮到每秒所需要處理的潛在路況，你就會(huì)立刻明白為什么我們會(huì)需要如此大量特殊、精細(xì)、先進(jìn)、復(fù)雜的軟件代碼來(lái)處理汽車(chē)問(wèn)題。這對(duì)于ECU及傳感連接來(lái)說(shuō)皆是如此——尤其是在涉及自動(dòng)駕駛汽車(chē)的情況下。處理安全問(wèn)題時(shí)，大量的冗余設(shè)計(jì)便是必不可少的,而冗余設(shè)計(jì)又會(huì)使架構(gòu)復(fù)雜化。更多的ECU導(dǎo)致產(chǎn)生更多的連接點(diǎn)，為此我們需要更高級(jí)的連接，”Risling解釋說(shuō)。

投注以太網(wǎng)

目前，汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)將汽車(chē)以太網(wǎng)作為車(chē)載通信的主要技術(shù)規(guī)范。在投入應(yīng)用的四十多年以來(lái)，以太網(wǎng)在各種環(huán)境條件下都表現(xiàn)出色。

圖：出售的以太網(wǎng)網(wǎng)線。來(lái)源：亞馬遜。

這促使了像Marvell這樣的芯片制造商將之前汽車(chē)的獨(dú)立部分（如信息娛樂(lè)系統(tǒng)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車(chē)身電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等）用以太網(wǎng)作為高帶寬、基于標(biāo)準(zhǔn)的信息支持主干聯(lián)接起來(lái)。未來(lái)，這些信息將被用于聯(lián)接自動(dòng)駕駛車(chē)輛所需的其它傳感器，不僅滿足汽車(chē)內(nèi)部的聯(lián)通性，更能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的外部相聯(lián)。

“以太網(wǎng)市場(chǎng)歷來(lái)被分為兩個(gè)不同的細(xì)分市場(chǎng)?！盡arvell公司聯(lián)接、存儲(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Venu Balasubramonian表示， “一方面，數(shù)據(jù)中心的速度為每秒25/50/100/400千兆位，這將帶動(dòng)帶寬的發(fā)展。這是第一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)；另一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)則是采用銅線的企業(yè)，它們有10 Gbps。而現(xiàn)在，隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，出現(xiàn)了第三個(gè)即汽車(chē)以太網(wǎng)的細(xì)分市場(chǎng)。所有數(shù)據(jù)和交換都需要帶寬，以太網(wǎng)也需要加強(qiáng)?！?/span>

他指出，汽車(chē)市場(chǎng)最終可能需要100 Gbps以太網(wǎng)來(lái)傳輸圖像傳感器的所有數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)利用以太網(wǎng)低成本和高帶寬的特點(diǎn)，新的應(yīng)用程序?qū)⒈惶砑拥较乱淮?chē)架構(gòu)中，其中甚至包括還未想到的功能。

如今，一輛汽車(chē)可能會(huì)與多個(gè)ECU進(jìn)行交互。OEM廠商們正在研究相關(guān)支持技術(shù)用以連接大量的ECU，這實(shí)質(zhì)上就是以太網(wǎng)總線。兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)（AUTOSAR和Open Alliance）正在推動(dòng)以太網(wǎng)的使用和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化。

事實(shí)上，考慮到未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全性和可靠性問(wèn)題，對(duì)汽車(chē)以太網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試是至關(guān)重要的。

目前，汽車(chē)以太網(wǎng)測(cè)試有三種不同的類(lèi)別：

• 一致性測(cè)試。這確保了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議的每個(gè)軟件都符合協(xié)議本身。這一類(lèi)別需要進(jìn)行大量案例測(cè)試。

• 集成性測(cè)試。這確保了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施能夠按預(yù)期運(yùn)行。在這種情況下，通常使用集成測(cè)試來(lái)測(cè)試基礎(chǔ)架構(gòu)的魯棒性。

• 性能測(cè)試。此類(lèi)別用于測(cè)試吞吐量、軟件端和網(wǎng)絡(luò)端負(fù)載的性能。此測(cè)試通常會(huì)有不同的類(lèi)別，其中大部分都是在軟件端完成的。

可以肯定的是，由于存在低成本的互連介質(zhì)（雙絞線）、長(zhǎng)距離傳輸和非傳統(tǒng)的多級(jí)信令（PAM-3），從一個(gè)汽車(chē)以太網(wǎng)控制器向另一個(gè)傳輸信號(hào)是極具挑戰(zhàn)的，Cadence公司PCB、IC封裝、信號(hào)及電源完整性產(chǎn)品管理總監(jiān)Brad Griffin表示，“多個(gè)模塊的整合需要通過(guò)一致性測(cè)試。仿真工具可以提供虛擬的一致性測(cè)試，以確保在設(shè)計(jì)模塊之前滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，減少實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量，從而有助于加速產(chǎn)品上市時(shí)間?！?/span>

其它挑戰(zhàn)

從IP角度來(lái)看，汽車(chē)以太網(wǎng)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是增加了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的設(shè)計(jì)。

該領(lǐng)域的研究并不缺乏。“汽車(chē)以太網(wǎng)的發(fā)展需要迅速有力的行動(dòng)。”New Hampshire大學(xué)InterOperability Laboratory（IOL）實(shí)驗(yàn)室（該實(shí)驗(yàn)室為汽車(chē)中的BaseT以太網(wǎng)執(zhí)行PHY一致性的半導(dǎo)體測(cè)試）的以太網(wǎng)技術(shù)高級(jí)經(jīng)理Curtis Donahue表示，“OEM廠商們想要在很多領(lǐng)域迅速解決很多問(wèn)題，這就是為什么很多改變?cè)谕瑫r(shí)發(fā)生。當(dāng)談到自動(dòng)駕駛時(shí)，很多人都會(huì)想到無(wú)線車(chē)輛通信——無(wú)論是車(chē)對(duì)車(chē)還是車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施——這無(wú)疑是自動(dòng)駕駛生態(tài)系統(tǒng)中正在萌生的一大組成部分。但是即使有了無(wú)線技術(shù)、車(chē)載通信，比如可以收集來(lái)自所有傳感器、所有攝像頭的信息——所有帶寬都依然需要擁有非?？煽康能?chē)載通信網(wǎng)絡(luò)。這就是BASE-T1技術(shù)開(kāi)始介入并取代CAN和FlexRay技術(shù)的領(lǐng)域，它可以提供更好的帶寬，從而實(shí)現(xiàn)即將到來(lái)的自動(dòng)駕駛時(shí)代?！?/span>

就如何提高設(shè)計(jì)的易測(cè)性而言，Donahue表示，基于實(shí)驗(yàn)室對(duì)適用于未來(lái)BASE-T1技術(shù)的100BASE-T1的經(jīng)驗(yàn)，IEEE規(guī)范并不能簡(jiǎn)潔明了的說(shuō)明測(cè)試的方法，“它表明了測(cè)試的要求和適用范圍，但忽略了如何實(shí)現(xiàn)測(cè)試的方法。芯片供應(yīng)商們?cè)缫炎⒁獾?/span>IEEE在面對(duì)很對(duì)領(lǐng)域的問(wèn)題時(shí)可能會(huì)說(shuō)'這是一個(gè)要求'，但這個(gè)問(wèn)題不一定是可以測(cè)試的。在存在內(nèi)部信號(hào)的區(qū)域，芯片供應(yīng)商通常不會(huì)將其引出至專(zhuān)用引腳以供測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的觀察。在這些領(lǐng)域，要明確'合格'與'失敗'的界限是非常困難的。而這往往會(huì)令芯片供應(yīng)商對(duì)此感到困惑和挫敗，因?yàn)?/span>IEEE標(biāo)準(zhǔn)并不直接表明其必要性、而是使其具備可測(cè)試性。因此我們應(yīng)該意識(shí)到，要獲得全面的、100%可測(cè)試的報(bào)告并非易事?！?/span>

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)以太網(wǎng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛連接的有效方法。它易于理解，價(jià)格合理且經(jīng)受過(guò)時(shí)間的檢驗(yàn)。此外，我們還有一個(gè)提高數(shù)據(jù)傳輸速率的發(fā)展藍(lán)圖，目前這個(gè)速度僅次于光速。

盡管如此，在解決方案之間的相互操作性和以太網(wǎng)規(guī)范的理解等方面還有很多工作要做。雖然目前在車(chē)載通信方面以太網(wǎng)看似是贏家，但也有其他方案正在處于討論研發(fā)階段。就像快速發(fā)展的汽車(chē)市場(chǎng)一樣，一切皆有可能。