車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新趨勢與未來演進(jìn)方向

隨著車輛愈發(fā)先進(jìn)，有助于提升道路安全性能、提供駕駛輔助功能以及提高能效，其底層技術(shù)的重要性也隨之增加。無論是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)(ICE)驅(qū)動車輛、混合動力汽車還是純電動汽車，汽車設(shè)計(jì)中都包含了數(shù)十種傳感器、微控制器及執(zhí)行器，所有這些器件都會產(chǎn)生或處理大量的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代車輛不僅僅是一種交通工具，更是車輪上的先進(jìn)計(jì)算平臺。與所有計(jì)算系統(tǒng)一樣，有效傳輸數(shù)據(jù)的能力對于這類系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行和安全操作至關(guān)重要。

常用車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(IVN)

電子技術(shù)在車輛中已應(yīng)用數(shù)十年，提供了許多實(shí)用功能，通常是為了增強(qiáng)安全性或娛樂性。在早期，這些功能很多都是獨(dú)立存在的，既不向車輛的其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，也不依賴于其他系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成化帶來的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，汽車專用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生。

在車輛中普遍采用的協(xié)議包括LIN總線(Local Interconnect Network, LIN)、CAN總線(Controller Area Network, CAN/CAN-FD)、FlexRay總線以及MOST總線(Media Oriented System Transport, MOST)。雖然每種解決方案都有其獨(dú)特之處，并可滿足不同的設(shè)計(jì)考量，但更重要的是，這些現(xiàn)有的技術(shù)方案難以滿足現(xiàn)代車輛日益增長的需求。

LIN總線是一項(xiàng)成本效益高的技術(shù)，對于低數(shù)據(jù)速率(<20kbps)的應(yīng)用場景來說易于實(shí)施和部署。然而，由于其帶寬有限，并且系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量被限制在12個以內(nèi)，這限制了它在現(xiàn)代車輛中的價值。

CAN總線(以及后續(xù)迭代版本如CAN-FD)因其非常穩(wěn)定可靠且相對不受電氣干擾和噪聲影響，在車輛和其他安全關(guān)鍵系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，有限的帶寬(通常約為2Mbps)限制了它在某些數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用(如信息娛樂系統(tǒng)和攝像頭)中的使用，同時也限制了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。目前，新的CAN-XL標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)中，以處理更高速度并具備與以太網(wǎng)銜接的能力，但對于許多工程師來說，直接過渡到全以太網(wǎng)解決方案看起來更具吸引力。

FlexRay總線提供了精確的時序和同步功能，使其適用于諸如線控驅(qū)動等時間關(guān)鍵型應(yīng)用。然而，與其他方式相比，復(fù)雜性限制了其普及程度。

MOST總線 僅用于信息娛樂系統(tǒng)，其適用性有限且成本高昂，因此隨著該技術(shù)的逐步淘汰，已被其他解決方案所取代。

以太網(wǎng)被許多人視為替代現(xiàn)有多種解決方案的理想選擇，它可以提供高帶寬和低延遲的通信能力。然而，現(xiàn)行的以太網(wǎng)協(xié)議存在一個問題，即其固有的載波偵聽多路訪問/沖突檢測(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)機(jī)制，這意味著無法實(shí)現(xiàn)確定性操作，從而不適用于任何時間敏感的應(yīng)用場景，比如線控驅(qū)動等。此外，以太網(wǎng)技術(shù)的成本也是一個問題。然而，考慮到以太網(wǎng)的巨大潛力，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了如10BASE-T1S這樣的確定性協(xié)議，它包含了物理層沖突避免(Physical Layer Collision Avoidance, PLCA)機(jī)制(參見圖1)，為時間關(guān)鍵型應(yīng)用提供了所需的性能。此外，汽車以太網(wǎng)設(shè)備的成本正在迅速下降，這使得更多的汽車制造商能夠應(yīng)用高帶寬特性。

圖1：在PLCA周期中，每個“從設(shè)備”發(fā)送數(shù)據(jù)之前，“主設(shè)備”會通過一個“BEACON”信號開始通信，從而避免沖突和相關(guān)的重傳開銷。

以太網(wǎng)在 OPEN 聯(lián)盟等組織的推動下不斷發(fā)展，以滿足現(xiàn)代汽車日益增長的帶寬需求。新標(biāo)準(zhǔn)(如 IEEE P802.3dh)使未來車輛中的光纖應(yīng)用成為可能，用以支持低延遲 4K 視頻和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等要求極苛刻的技術(shù)。

包括藍(lán)牙?、Wi-Fi 和移動通信在內(nèi)的無線協(xié)議通常用于駕駛員和乘客連接他們的移動設(shè)備。無線通信的主要需求源于其能夠在有線連接無法實(shí)現(xiàn)的情況下完成某些功能，例如胎壓監(jiān)測(TPMS)和無鑰匙進(jìn)入(僅舉兩例)。然而，隨著 "車聯(lián)網(wǎng)"(V2X)技術(shù)的發(fā)展，車輛可以與其他車輛及其周圍環(huán)境進(jìn)行通信，對無線通信的需求也進(jìn)一步增加，但隨之而來的是對更高安全性的需求。

車輛架構(gòu)

由于車輛內(nèi)部遍布著眾多子系統(tǒng)和傳感器，汽車制造商必須謹(jǐn)慎選擇車輛架構(gòu)。主要有兩種選擇——域(domain)架構(gòu)或區(qū)域控制(zonal)架構(gòu)。現(xiàn)有的基于域的架構(gòu)將具有相似功能的部分(例如，傳動系統(tǒng)、底盤和舒適性)組合在一起——盡管它們的位置可能分散在車輛的各個部位，這需要更多的布線，也增加了重量和成本。

為了避免這一問題，許多汽車制造商現(xiàn)在更傾向于采用區(qū)域控制架構(gòu)的方法，即盡管功能不同，但仍將位置相近的子系統(tǒng)分組。因此，可以指定“右前”、“左后”等區(qū)域。雖然這種方法減少了布線需求，但也會在各區(qū)之間的車輛通信 "主干 "上增加數(shù)據(jù)量，因此要求車載網(wǎng)絡(luò)具有更高的性能和帶寬。

通常情況下，每個分區(qū)都高度集成了專用計(jì)算資源，通過高速(和確定性)通信主干網(wǎng)與主 CPU 連接，以支持先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和線控驅(qū)動等實(shí)時應(yīng)用。采用區(qū)域控制架構(gòu)使車輛功能和特性的集成、移除或升級提供了更大的靈活性。它易于擴(kuò)展并適應(yīng)不斷變化的需求。

雖然區(qū)域控制架構(gòu)有可能帶來諸多好處，但其實(shí)施也會導(dǎo)致對車載網(wǎng)絡(luò)性能需求的增加。這主要是由于需要更高的數(shù)據(jù)流量、低延遲、冗余、可擴(kuò)展性支持以及更好的安全性和診斷功能。

功能安全

隨著車輛的自動化程度越來越高，對功能安全和冗余措施的需求也在增強(qiáng)。越來越多的系統(tǒng)要求符合更高的ISO26262汽車安全完整性等級(ASIL)，隨著駕駛員越來越依賴車輛自身做出的決策和采取的行動，安全等級要求正從A級和B級向更為嚴(yán)格的C級和D級組件過渡。功能安全涵蓋了從概念設(shè)計(jì)到車輛最終退役的所有設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

毫無疑問，這對整個車輛結(jié)構(gòu)以及車載網(wǎng)絡(luò)都有著重大影響。對于自動緊急制動和自適應(yīng)巡航等高性能 ADAS 功能而言，低延遲數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。要實(shí)現(xiàn)功能安全合規(guī)性，就必須在傳感器和通信路徑上部署冗余以及精密的容錯機(jī)制。

雖然所有車輛的安全關(guān)鍵功能都需要時間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)，但向區(qū)域控制架構(gòu)的轉(zhuǎn)變增強(qiáng)了這種需求。時序的精確調(diào)整和延遲補(bǔ)償對于確保 ADAS 功能的正確運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是當(dāng)圖像傳感器、激光雷達(dá)模塊和電子控制系統(tǒng)等元件分布在車輛的不同區(qū)域時。即使是在不同區(qū)域使用麥克風(fēng)進(jìn)行降噪等應(yīng)用，也需要 TSN 才能有效工作。在以太網(wǎng)解決方案方面，現(xiàn)有的 TSN 以太網(wǎng)協(xié)議可重新用于汽車用途。

在圖像傳感器和攝像頭接口方面，MIPI CSI-2(攝像頭串行接口)和 DSI-2(顯示串行接口)支持高速數(shù)據(jù)傳輸，是攝像頭系統(tǒng)、顯示屏和信息娛樂系統(tǒng)之間傳輸大量數(shù)據(jù)的理想選擇。移動產(chǎn)業(yè)處理器接口聯(lián)盟(Mobile Industry Processor Interface，MIPI)和汽車串行/解串通信技術(shù)聯(lián)盟(Automotive Serdes Alliance，ASA)正在進(jìn)一步開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)化的 串行/解串(SerDes)解決方案。最終，ASA 運(yùn)動連接技術(shù)(ASA ML)將獲準(zhǔn)與 MIPI CSI-2 集成。在這一合作中，還對增強(qiáng) MIPI 協(xié)議的安全性和用于攝像頭的非對稱以太網(wǎng)(高帶寬傳輸，低帶寬接收)進(jìn)行了研究。

安森美(onsemi)在車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)中的角色

安森美在車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域擁有超過三十年的豐富經(jīng)驗(yàn)，提供創(chuàng)新產(chǎn)品和一流的應(yīng)用支持。目前，解決方案組合以許多現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，包括LIN、CAN和FlexRay。未來幾年，將陸續(xù)發(fā)布LIN和CAN產(chǎn)品的增強(qiáng)版本，由于對FlexRay的發(fā)展預(yù)期不樂觀，所以對該協(xié)議的投資即使有，也不會太多。

顯然，10BASE-T1S 以太網(wǎng)將是汽車行業(yè)的一個重點(diǎn)領(lǐng)域。安森美已經(jīng)推出了首批產(chǎn)品，目前正在為這一重要協(xié)議開發(fā)第二代產(chǎn)品組合。隨著大多數(shù)汽車制造商預(yù)計(jì)采用區(qū)域控制架構(gòu)，10BASE-T1S 將成為未來汽車通信的基本組成部分。對于要求高吞吐量、高帶寬和高安全性的應(yīng)用(如 ADAS 功能，包括完全自動駕駛)來說，尤其如此。

盡管以太網(wǎng)在車輛應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢，但在對通信速率要求不高的場景(如車窗開啟、后視鏡折疊、調(diào)整座椅等)仍將繼續(xù)使用現(xiàn)有協(xié)議(如 LIN 和 CAN)。不過，我們已經(jīng)看到以太網(wǎng)正在取代 CAN 的部分市場份額，預(yù)計(jì)到明年，以太網(wǎng)將成為低延遲和高帶寬通信的首選技術(shù)。

總結(jié)

如今，車輛性能已不再取決于其行駛速度，而更多地取決于車載網(wǎng)絡(luò)在 "車輪上的計(jì)算平臺 "中數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/span>

雖然 LIN 和 CAN 等傳統(tǒng)協(xié)議將繼續(xù)發(fā)揮有限的作用，但 MOST 和 FlexRay 等一些協(xié)議將逐步淘汰。由于區(qū)域控制架構(gòu)降低了布線的成本和重量，將成為首選，但還需要應(yīng)用 TSN 和更大的帶寬，特別是在區(qū)域之間的主干網(wǎng)上。

確定性以太網(wǎng)(10BASE-T1S)將發(fā)揮重要作用，在不久的將來成為許多汽車制造商默認(rèn)的 "首選 "技術(shù)。該技術(shù)的廣泛應(yīng)用將推動車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高，實(shí)現(xiàn)全自動駕駛所需的創(chuàng)新解決方案也成為可能。此外，目前只有以太網(wǎng)解決方案才能推進(jìn)提高車輛安全性和先進(jìn)自動駕駛系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。