为何汽车以太网被认为是实现车辆连接的有效方法

随着传感器数据量的爆炸式增长，汽车通信系统正在被重新设计构建。

市场对更复杂、更安全的车载电子产品的需求打响了一轮新的装备竞赛，迫使着汽车制造商们重新审视日益智能化的汽车通信系统。

就在不久之前，现代车辆部件之间的通信还是十分简单的，车辆之间的通信也彷如天方夜谭。然而随着当代技术的突飞猛进，汽车内部、汽车之间以及汽车与基础设施之间的电子设备间的快速并安全的联络通信已经成为了辅助和自动驾驶车辆的关键。

然而，并非所有通信技术都已完善到位。除非有新的解决方案，汽车OEM厂商们将不得不放弃引入某些功能，特别是在自动驾驶方面。Valens Automotive公司高级副总裁兼总经理Micha Risling表示：“我们一直在处理大量有关汽车的动态数据，我们深知通信问题亟需解决。我们现在面对的不是一场演变，而是一场关于互通互联的彻底的变革。这种变革也同样适用于所有正在被应用或将要被用于自动驾驶汽车的不同元素。而这一切都在从根本上改变汽车的设计方式。”

传感器数量的激增是迫使通信技术进步的推动力量之一。目前有超过16种不同类型的传感器：激光雷达、雷达、加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等，所有这些都需要与车辆中的ECU相联。随着更多自动化功能被添加到车辆中，这个数字将会显著增长。

“车辆之间的通信以及车与基础设施间的通信的日益增加意味着车载雷达系统的数量将会不断增长。”汽车传感器制造商UMC公司市场营销副总裁Steven Liu表示，“这些系统所需的技术设备包括汽车的防碰撞雷达和全球定位系统，以及与交通信号灯和车辆调度员进行交互所需的传感器。这些系统可与现有系统相结合，如乘客舒适度和信息娱乐控制系统，以及调节温度、胎压和汽油的发动机监控子系统。长途货运汽车还将需要能够进行负载平衡、负载转移、曲线和风切变的控制系统，以确保货物在运输过程中的完好无损以及集装箱在整个行程中的安定稳固。所有这些5G通信应用程序对于系统执行各自的操作能力都是至关重要的。”

但是由于受制于现有的技术和连接解决方案，有线集群和各种线束成为了向前发展的一大难题。另一大难题则是软件的代码数量。作为参考，自动驾驶车辆的软件代码量可能比F-35喷气机多出100倍；原因在于自动驾驶车辆需要处理比喷气式飞机更多的操作场景。

“当飞机进行自动驾驶时，99%的时间无需担心与另一架飞机相遇。”Valens公司的Risling表示。 “而当你将飞机与在曼哈顿或拉斯维加斯进行自动驾驶的汽车相比，仅仅是考虑到每秒所需要处理的潜在路况，你就会立刻明白为什么我们会需要如此大量特殊、精细、先进、复杂的软件代码来处理汽车问题。这对于ECU及传感连接来说皆是如此——尤其是在涉及自动驾驶汽车的情况下。处理安全问题时，大量的冗余设计便是必不可少的,而冗余设计又会使架构复杂化。更多的ECU导致产生更多的连接点，为此我们需要更高级的连接，”Risling解释说。

投注以太网

目前，汽车生态系统将汽车以太网作为车载通信的主要技术规范。在投入应用的四十多年以来，以太网在各种环境条件下都表现出色。

图：出售的以太网网线。来源：亚马逊。

这促使了像Marvell这样的芯片制造商将之前汽车的独立部分（如信息娱乐系统、先进驾驶辅助系统（ADAS）、车身电子设备、控制系统等）用以太网作为高带宽、基于标准的信息支持主干联接起来。未来，这些信息将被用于联接自动驾驶车辆所需的其它传感器，不仅满足汽车内部的联通性，更能实现汽车的外部相联。

“以太网市场历来被分为两个不同的细分市场。”Marvell公司联接、存储和基础设施业务部营销总监Venu Balasubramonian表示， “一方面，数据中心的速度为每秒25/50/100/400千兆位，这将带动带宽的发展。这是第一个细分市场；另一个细分市场则是采用铜线的企业，它们有10 Gbps。而现在，随着电子产品的发展，出现了第三个即汽车以太网的细分市场。所有数据和交换都需要带宽，以太网也需要加强。”

他指出，汽车市场最终可能需要100 Gbps以太网来传输图像传感器的所有数据。此外，通过利用以太网低成本和高带宽的特点，新的应用程序将被添加到下一代汽车架构中，其中甚至包括还未想到的功能。

如今，一辆汽车可能会与多个ECU进行交互。OEM厂商们正在研究相关支持技术用以连接大量的ECU，这实质上就是以太网总线。两种不同的标准（AUTOSAR和Open Alliance）正在推动以太网的使用和测试标准化。

事实上，考虑到未来自动驾驶汽车的安全性和可靠性问题，对汽车以太网进行测试是至关重要的。

目前，汽车以太网测试有三种不同的类别：

• 一致性测试。这确保了实现以太网协议的每个软件都符合协议本身。这一类别需要进行大量案例测试。

• 集成性测试。这确保了整个网络和基础设施能够按预期运行。在这种情况下，通常使用集成测试来测试基础架构的鲁棒性。

• 性能测试。此类别用于测试吞吐量、软件端和网络端负载的性能。此测试通常会有不同的类别，其中大部分都是在软件端完成的。

可以肯定的是，由于存在低成本的互连介质（双绞线）、长距离传输和非传统的多级信令（PAM-3），从一个汽车以太网控制器向另一个传输信号是极具挑战的，Cadence公司PCB、IC封装、信号及电源完整性产品管理总监Brad Griffin表示，“多个模块的整合需要通过一致性测试。仿真工具可以提供虚拟的一致性测试，以确保在设计模块之前满足标准要求，减少实验室测试过程中发现的错误数量，从而有助于加速产品上市时间。”

其它挑战

从IP角度来看，汽车以太网面临的一个重大挑战是增加了时间敏感网络（TSN）的设计。

该领域的研究并不缺乏。“汽车以太网的发展需要迅速有力的行动。”New Hampshire大学InterOperability Laboratory（IOL）实验室（该实验室为汽车中的BaseT以太网执行PHY一致性的半导体测试）的以太网技术高级经理Curtis Donahue表示，“OEM厂商们想要在很多领域迅速解决很多问题，这就是为什么很多改变在同时发生。当谈到自动驾驶时，很多人都会想到无线车辆通信——无论是车对车还是车对基础设施——这无疑是自动驾驶生态系统中正在萌生的一大组成部分。但是即使有了无线技术、车载通信，比如可以收集来自所有传感器、所有摄像头的信息——所有带宽都依然需要拥有非常可靠的车载通信网络。这就是BASE-T1技术开始介入并取代CAN和FlexRay技术的领域，它可以提供更好的带宽，从而实现即将到来的自动驾驶时代。”

就如何提高设计的易测性而言，Donahue表示，基于实验室对适用于未来BASE-T1技术的100BASE-T1的经验，IEEE规范并不能简洁明了的说明测试的方法，“它表明了测试的要求和适用范围，但忽略了如何实现测试的方法。芯片供应商们早已注意到IEEE在面对很对领域的问题时可能会说'这是一个要求'，但这个问题不一定是可以测试的。在存在内部信号的区域，芯片供应商通常不会将其引出至专用引脚以供测试和测量设备的观察。在这些领域，要明确'合格'与'失败'的界限是非常困难的。而这往往会令芯片供应商对此感到困惑和挫败，因为IEEE标准并不直接表明其必要性、而是使其具备可测试性。因此我们应该意识到，要获得全面的、100%可测试的报告并非易事。”

结语

汽车以太网被认为是实现车辆连接的有效方法。它易于理解，价格合理且经受过时间的检验。此外，我们还有一个提高数据传输速率的发展蓝图，目前这个速度仅次于光速。

尽管如此，在解决方案之间的相互操作性和以太网规范的理解等方面还有很多工作要做。虽然目前在车载通信方面以太网看似是赢家，但也有其他方案正在处于讨论研发阶段。就像快速发展的汽车市场一样，一切皆有可能。