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下一代汽车网络：车载以太网技术现状与发展

摘要：使用以太网技术及架构作为下一代车载网络的发展方向受到了汽车行业内部及通讯业技术人员的广泛关注，娱乐系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）对传输带宽的迫切需求推动了以太网介入汽车网络的进程，本文分析现有车载网络对高带宽需求所面临的问题，阐述了以太网在车载网络的演进过程，讨论了用于汽车工业的以太网技术。
关键词：车载以太网；音视频桥接；时间触发以太网；车载网络

1 引言
汽车电子发展迅速，娱乐系统及驾驶辅助系统的市场需求增长，汽车行业内希望引进IEEE 802.3 以太网技术用于车载设备之间的通信。本文综述了以太网介入汽车行业的契机及发展过程，对现代车载网络技术做了介绍，阐述了车载以太网的演进过程，并讨论了用于汽车工业的以太网技术。
2 现有车载网络面临的问题
处理器运算能力和硬件的高速发展，使得许多创新在汽车环境下得到迅速推进，***明显的体现于越来越复杂和多样的车载电子系统，大量的传感器和处理器被用在车辆的不同系统实现相应的功能。在不断的演进过程中，每增加一个新的传感器或应用程序需要通过增加一个新的独立的电子控制单元（ECU）设备及其关联的传感器电路来实现，这种做法是非常低效的，因为随着点对点链接，需要增加连接的数量与安装在车内的ECU数量呈指数上升。为了克服这个问题，建立相关的ECU之间的通信链路，允许 ECU 彼此使用更高级的功能和共享数据，这种增长逐渐发展成了现在复杂的、异构的车载网络。如目前泛用的车载总线型网络：控制器局域网络（CAN）、本地互连网络（LIN）或FlexRay等。
相对于点对点的链路系统，提出使用基于总线的网络是一种进步，但随着时间增加新的子系统会被添加到车辆中，ECU 数量的增加带来的是带宽消耗的显著增加。传统的车辆控制应用所需带宽普遍较低，带宽问题并未引起广泛的关注。当引入信息娱乐系统和基于视频的高级驾驶辅助系统（ADAS）后，这些应用程序相比传统控制系统的数据传输带宽需求有显著增长，现有车载网络传输带宽不足的问题凸显，因此迫切需求下一代的车载网络技术及架构。
近两年来，使用以太网技术及架构作为下一代车载网络的发展方向受到了汽车行业内部及通讯业技术人员的广泛关注，国外主要汽车制造商（如宝马、通用、戴姆勒·克莱斯勒等）和半导体公司（如博通、恩智浦、麦瑞半导体等）推出适应车载环境并符合标准以太网的应用或实体层元件，密切关注并积极推动标准以太网介入车载网络的发展，积极参与讨论和制定适用于车载环境及应用的以太网标准，支持车载以太网项目的研究及联合成立了一些行业标准组织。如 SEIS PROJECT、Ethernet/IP、BroadR-Reach技术、以太网音视频桥接技术（AVB）、时间触发以太网（TTE）、IEEE PoDL工作组、IEEE RTPGE工作组、AVnu联盟、OPEN联盟等。

以太网成为下一代车载网络的发展趋势可以归纳为以下三个方面：

（1）以太网的通用技术

就目前采用的车载网络技术，都是难以与外部设备及网络服务连接的封闭标准。究其原因，目前占主流的车载网络标准CAN、LIN及FlexRay，以及面向媒体的系统传输标准MOST等都具有浓重的“汽车行业”色彩，导致其应用的局限性，反之以太网是一种简单、成熟的开放标准，基于以太网的应用都极大地降低了应用成本。例如使用以太网物理层的车辆诊断标准 DoIP，该标准（ISO 13400）使用以太网代替CAN总线，规定了基于IP协议的车载诊断系统（OBD）和为ECU进行软件更新，这种替换是必要的，通过 CAN上传 81 MB大小的更新需要10 h，而通过以太网上传1 GB的数据只需要20 min。显而易见采用以太网100BASE-TX和CAT5的诊断接口和软件更新显然更节省时间、生产及服务成本。
（2）高层应用对带宽的迫切需求
现在智能电子产品与车载设备的交互越来越多，云概念的兴起，搭载了高级驾驶辅助系统（ADAS）、智能视觉安全应用，如车道偏离检测、驾驶员意图预测，及信息娱乐设备的新型信息平台主导了新一代汽车电子的发展趋势。从功能性的角度，车载子系统增加，不同的子系统之间对共享数据的需求越来越多；另外随着摄像头分辨率的提升，显示需求大量增加，传统车载网络在带宽上面临巨大挑战，目前主导车载网络标准的CAN和FlexRay无疑将遭遇发展的瓶颈，在这方面***有竞争力的是MOST。MOST总线目前******带宽为150 Mb/s，但 MOST常用架构为多个设备共享带宽。与 MOST相比，以太网可以采用更为灵活的星形连接架构，使得每一条链路都可以专享 100 Mb/s 甚至更高的带宽（IEEEP802.3bp RTPGE标准，而 RTPGE 的目标是用少于 4对的信号线实现1 Gb/s的传输速度）。
（3）以太网的开放性和互联扩展优势

伴随不断增长的ADAS的复杂性，行业内需求一种简化和标准化的方法，在面对越来越多的互相隔离的子系统时，可以把车载系统看做一个网络去管理和运营，以收获更好的重用性和互操作性。对于车载网络，以太网提供的先决条件就是这种整体性的办法，是适合作为主干网络连接各个应用领域，特别是需求更高带宽的应用。由于以太网的灵活性及可扩展的带宽，远程信息处理和多媒体娱乐系统、基于IP的WEB应用程序与车载网络的接口过渡变得平滑，车辆与外部******的交互将会更加频繁，例如近几年兴起的基于 Internet的汽车应用和汽车到-X通信概念、V2V和V2I或V2I+I等。