汽車以太網是一種物理層標準，將標準以太網技術適配到電動汽車（EV）環境的具體需求。本文探討了AE如何演進車載網絡，以滿足下一代互聯和自動駕駛車輛的高帶寬、可靠性和架構需求。

諸如控制器區域網（CAN）和本地互連網絡（LIN）等網絡多年來一直支持著該行業。然而，電動汽車和自動駕駛系統的數據傳輸需求超出了這些傳統公交車的能力。因此，汽車以太網為未來車載網絡（IVN）提供了必要的架構。

傳感器融合與數據需求

對更高車輛自動駕駛的需求正在推動汽車以太網的采用。先進駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛利用了各種傳感器。電動汽車通常集成了高分辨率攝像機、激光雷達、遠程雷達和超聲波傳感器。

這些傳感器能生成高帶寬的數據流，每個傳感器通常超過1 Gbps。為了處理這些信息以實現行人檢測和物體規避等功能，IVN必須支持超出傳統公交所能提供的帶寬。汽車以太網處理這些數據負載，促進環境數據以最小延遲傳輸到中央計算單元。

既然標準以太網已經存在，為什么還需要特定的汽車標準？

IT環境中使用的標準以太網并非為汽車環境設計，包括溫度波動、機械振動和電磁干擾。汽車以太網通過標準化的汽車級物理層（PHY）來解決這些因素，這些層是為該環境設計的。

當前標準提供多種數據速率以支持特定區域需求，包括100BASE-T1（100 Mbps）、1000BASE-T1（1 Gbps）和多吉（2.5、5和10 Gbps）。

汽車以太網的一個顯著特點是其物理連接能力。標準以太網（100BASE-TX）使用兩對雙絞線實現100 Mbps，而汽車以太網（100BASE-T1）則通過單對無屏蔽雙絞線實現全雙工通信，速度相同。

圖1。標準以太網（雙同步）與汽車以太網（全雙工）的比較。（圖片來源：Keysight)

如圖1所示，這種單對配置在重量和空間上具有優勢。線束是車輛重量和成本的重要組成部分。采用汽車以太網使工程師能夠減輕電纜重量和直徑，從而提升電動汽車的效率和制造效率。

高帶寬是否足以保證車輛安全？

汽車應用需要確定性通信以確保消息在規定時間內到達。為了解決標準以太網的盡力而為特性，行業采用了時間敏感網絡（TSN）系列標準（IEEE 802.1）。

主要TSN標準包括：

• IEEE 802.1Qbv：設置傳輸門，規劃需要快速發送的幀流量。

• IEEE 802.1Qbu / 802.3br：該功能允許高優先級幀在標準幀之前傳輸，從而降低關鍵數據的延遲。

• IEEE 802.1CB（FRER）：跨不同路徑復制幀提高了可靠性。

• IEEE 802.1AS-2020：提供電子控制單元（ECU）間的同步時序，這對于傳感器數據的相關性至關重要。

汽車以太網還支持標準的TCP/IP協議棧，使得使用上層協議成為可能。

圖2。汽車以太網協議架構。（圖片來源：傳感器，MDPI)

圖2展示了協議架構，支持基于服務的ECU通信中的SOME/IP（面向服務中間件）和DoIP（基于互聯網協議的診斷通信）。DoIP通過實現ECU的并行重編程速度，提升了維護流程，速度高于傳統接口。

這種連接性如何影響車輛的物理結構？

汽車以太網促進了車輛網絡架構的轉變。傳統網絡通常采用基于域的架構，ECU根據其功能進行連接。這種方法導致了復雜的跨車載電纜。汽車以太網支持向區域架構的過渡，即按物理位置組織布線。區域網關管理車輛特定區域內的設備，無論其功能如何。

圖3。向區域網關架構的轉型。（圖片來源：應用科學，MDPI)

圖3展示了這種拓撲結構。高速以太網骨干網，通常為10 Gbps或更高，將這些區域網關連接到中央高性能計算機。區域網關在以太網骨干網與連接邊緣傳感器的遺留本地總線（CAN/LIN）之間進行數據轉換。這種結構簡化了線束，減輕了重量，并支持可擴展的軟件定義平臺。

總結

軟件定義車輛開發得益于汽車以太網，促進了從基于域設計向分區設計的轉變，并通過TSN實現了確定性性能。汽車以太網為擁有眾多傳感器的自主系統建立了必要的網絡基礎設施。憑借這種可擴展的架構，汽車工程師能夠設計出能夠滿足新興出行解決方案數據處理和安全需求的電動汽車。