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自动驾驶时代,车载以太网技术将成为下一代汽车网络的标准

智车科技2019-01-10 05:24:09


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以太网技术及架构的使用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


关于以太网在智能汽车上的重要性,在之前的文章《自动驾驶汽车的车载网络为什么不能直接用传统以太网?》提到过。本文来自 2016 年 12 月 15 日出版的《计算机工程与应用》,作者是吉林大学计算机科学与技术学院的呼布钦、秦贵和、刘颖、于赫和吴星辰。文章分析了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。


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,最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。例如目前泛用的车载总线型网络:本地互连网络(LIN)、控制器局域网络(CAN)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。


3 以太网在车载网络中的适用性


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 [1-4] 及联合成立了一些行业标准组织。如 SEIS PROJECT [5]、Ethernet/IP [6]、BroadR-Reach 技术、以太网音视频桥接技术(AVB)[7]、时间触发以太网(TTE)[8]、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 [9],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 [10]。


(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 [11]、驾驶员意图预测 [12],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,在这方面最有竞争力的是MOST。MOST 总线目前最大带宽为 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(IEEE P802.3bp RTPGE 标准 [13],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,车辆与外部世界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[14]。


4 车载以太网的演进


在汽车行业,以太网以新型网络的姿态介入汽车网络当然无法一蹴而就,在短期内是无法取代现有的车载网络,因此以太网在进入汽车网络时考虑分阶段、从子系统开始逐步深入,并最终统和汽车网络的演进过程。


(1)第一阶段:子系统级别


单独在某个子系统使用以太网,这一阶段的衍生产品目前已经在整车上实施,如基于 DoIP 标准的 OBD 诊断设备 [9];或已有示例应用,如使用 IP 摄像头的驾驶辅助系统 [4]。


(2)第二阶段:架构级别


图 1  车载以太网的演进


将几个子系统功能整合,形成一个拥有功能集合的小系统,如图 1 给出的第二阶段的车载以太网,将多媒体,驾驶辅助和诊断界面结合在一起,融合了传感器、全景摄像头及雷达等多种数据。因为可以保证更高的带宽和更低的延迟,在涉及安全方面的应用,摄像头可以使用更高分辨率的未压缩的数据传输,从而避免如压缩失真等导致障碍物检测失败的问题。


(3)第三阶段:域级别


前两个阶段专注于一个特定的应用领域,第三阶段使用以太网为车载网络骨干,集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶,真正形成一个域级别的汽车网络。这种网络架构引入了一个新问题:如何组织 ECU 和网络管理者之间的通信,不可否认的是,这种分层式的架构会造成控制器通过以太网骨干网和交换机通讯时所需的软件内容增加。有研究预计,有望在 2020 年成为主要的汽车网络技术,预计到 2025 年可能更换所有其他的车载网络 [15]。


图 2  车载以太网域级别架构


车载以太网域级别架构如图 2 所示。


5 车载以太网相关技术


5.1 现有主流车载网络技术


目前商用的车载网络技术主要有:本地互连网络(LIN)、控制器局域网络(CAN)、TTP/C、FlexRay、面向媒体的系统传输(MOST),以及低电压差分信号(LVDS),以上除了 LVDS 外,都为汽车环境而设计。表 1 给出各个网络的最大带宽、物理层传输介质和传输协议等 [16]。


表 1  常见车载网络对比


LIN 总线[17]是一种低成本通用串行总线,在汽车领域用于车门、天窗、座椅控制等,最大传输速度为 20 kb/s。CAN [18] 是由博世公司开发的汽车专用总线标准,它定义了 OSI 网络模型的第 1 层和第 2 层功能。CAN 主要用于车上控制数据传输,目前是车载网络应用最广泛的标准,最大传输速度为 1 Mb/s。LIN、CAN 的带宽太低并不适用于 ADAS 等应用设计。


TTP/C [19] 是一种基于时分多址方式(TDMA)的时间触发通信协议,主要用于安全关键领域,例如航空电子设备或汽车领域 X-by-Wire 应用,最高传输速度为10 Mb/s,TTP/C 专为满足最高安全要求而开发因此不兼容事件触发系统。


时间触发的通信总线 FlexRay [20] 允许同步和异步数据传输,同步部分是基于在 TDMA 方法,异步部分使用灵活的时分多址方法(FTDMA),每个节点可以使用全带宽传输事件触发数据。FlexRay 被设计成用于容错环境下的线控制动等底盘系统应用。


MOST [21] 主要支持的多媒体流数据传输,MOST150 标准的最大带宽为 150 Mb/s的,它是目前车载多媒体数据传输的首选协议,MOST150 支持基于 IP 的应用程序,由于单一供应商的问题,基础开发成本较高。


LVDS [22-23] 是一种电气数字信号系统,通过铜缆双绞线传输高速数据(最高可达 850 Mb/s,最长传输距离10 m),是计算机总线的一部分。在汽车领域 LVDS 用于屏幕和摄像头之间的数据传输。此外 LVDS 包含不开放协议,不同厂商的部件不支持数据交换,需要 ECU 充当网关。


5.2 车载以太网物理层技术


(1)适合车辆环境的以太网物理层元件


迈威尔(Marvell)与麦瑞半导体(Micrel)在 2012 年 9 月发布了全球首款完全符合 IEEE 802.3 标准的用于车载网络的以太网实体元件 [24],最高可支持 100 Mb/s的速率,其研究证实如果一款百兆以太网(IEEE 802.3100Base-TX)物理层芯片使用超五类线(CAT5e)驱动 100 m 可以通过 FCC/TUV B 类兼容检测,那么经过低通滤波后仍可满足汽车环境 EMC 需求,并且驱动长度可以维持在 50 m 以上 [25]。


麦瑞半导体推出以太网物理层芯片支持高达 125 ℃ 的环境温度,目前市场上符合 AECQ-100 标准的以太网设备也并不单一,而且针对汽车市场的需求加强了 ESD 保护(静电保护),可以很好地适应汽车环境变化。文献 [15] 针对车载强实时通讯需求介绍了几种商用以太网硬件和评估分析工具。


(2)BroadR-Reach 的 100 Mb/s汽车以太网解决方案


由于缺少适合用于车辆使用的物理层链路,行业内对以太网作为下一代车载网络持保留态度。BroadR-Reach 是博通公司开发的数据传输技术,特点是可用一对 UTP(非屏蔽双绞线)实现 100 Mb/s 的传输速度。博通还联合宝马、通用等汽车制造商以及飞思卡尔等半导体公司成立了该项技术的普及促进团体「OPEN Alliance SIG」[26]。


图 3  BroadR-Reach 系统图


BroadR-Reach 的解决方案适合其在汽车环境的使用,但其想要成为下一代车载网络标准,尚需要开发新的优化组件。图 3 为 BroadR-Reach 链接的系统框图,相对普通百兆以太网连接电缆开销已经显著降低。


物理层组件恩智浦的 TJA1100 [27] 作为模拟传输介质和数字 MAC 控制器之间的接口,决定了链路的鲁棒性和发射性能,满足严格的汽车工业 EMC 需求,可以支持 25 m 的电缆长度,而通常汽车解决方案的处理的链路长度不超过 10 m。


在域架构中使用高速骨干网通讯将会大量减少 ECU 与电缆数量,对于车辆意味着更少的成本,重量和能量消耗。使用单对非屏蔽双绞线电缆的 BroadR-Reach 技术,使以太网在汽车应用的成本竞争力大大提升。


(3)IEEE RTPGE 及 PoE 技术


以太网供电技术(PoE)是一种可以通过 CAT5 线缆传输数据信号的同时为该以太网设备提供直流供电的技术 [3]。IEEE 802.3af (15.4 W)是第一个 PoE 标准,是现在 PoE 应用的主流实现标准。IEEE802.3at(25.5 W)应大功率终端的需求而诞生,在兼容 802.3af 的基础上,提供更大的供电需求,可以满足视频监控系统等大功率应用的需求。如果在车载以太网上实现 PoE 技术,将使线缆数量减少,降低成本开销,并且在电动车上应用前景更为广阔。


2013 年 7 月,IEEE 针对汽车及工业设备用途,在 IEEE802.3 内成立了探讨使用数据线供电(PoDL)及使用一对数据线供电(1PPoDL)工作组 [28],1PPoDL 可用于 IEEE802.3 内正在制定标准的 IEEE P802.3bp RTPGE [13] 中。消费类产品使用的 1000Base-TX 利用 4 对信号线实现了 1 Gb/s 的传输速度,而 RTPGE 的目标则是利用少于 4 对的信号线来实现这一速度,未来的 RTPGE 将为车载以太网提供线束更少,速度更高的以太网链接标准。


5.3 车载以太网的链路层协议


以太网的低廉成本和灵活性使它成为汽车互联设备的有力竞争者,因此在讨论车载以太网的文献中有学者使用 802.1Q 的优先级标记和流量整形来提高性能 [29]。


尽管如此,现有车载网络如 FlexRay 中的确定性 TDMA 的行为,对于安全关键应用的优势远远高于使用 CDMA 模式的以太网,因为它不能保证确定的行为。有相当数量的文献论述解决汽车领域以太网对实时关键数据的传输问题,目前技术最为成熟的两项技术是以太网音频视频桥接(AVB)和时间触发以太网(TTEthernet)。


(1)IEEE 时间敏感网络 TSN


以 太 网 音 视 频 桥 接 技 术(Ethernet Audio/VideoBridging,AVB)是在传统以太网络的基础上,使用精准时钟同步,通过保障带宽来限制传输延迟,提供高级别服务质量以支持各种基于音视频的媒体应用。IEEE 音频视频桥接(AVB)工作组在 2012 年 11 月正式更名为「时间敏感网络工作小组」(Time-Sensitive Networking,TSN),由于 AVB 这一缩写在车载以太网领域已经广为使用,因此在本文仍然使用了 AVB 的概念。继承了AVB 的传统,时间敏感网络 TSN 也不是单一的标准,而是由一个系列标准组成,并且在 TSN 的 PAR 信息中提出了第二代 AVB 的概念。


其中 AVB 标准包括:


  • IEEE802.1AS:精准时钟定时和同步(gPTP);

  • IEEE802.1Qat:流预留协议(SRP);

  • IEEE802.1Qav:时间敏感流的转发和排队(FQTSS);

  • IEEE802.1BA:音频视频桥接系统,定义 AVB 配置文件。


在更名为 TSN 后,对部分原标准进行了修订,同时增添了几个性能改进标准,包括:


  • IEEE802.1ASbt:增强功能和性能改进,基于 IEEE802.1AS-2011 修订定时和同步;

  • IEEE802.1Qbu:新增项目,基于 IEEE 802.1Qav 修订框架抢占切换;

  • IEEE802.1Qbv:新增项目,基于 IEEE 802.1Qav 修订增强流量调度;

  • IEEE802.1Qca:支持路径控制和登记冗余网络;

  • IEEE802.1Qcc:流预留协议(SRP)的增强功能和性能改进;

  • IEEE802.1CB:帧复制和消除的可靠性,支持无缝冗余 IEEE802 网络。


图 4  AVB 协议集


AVB 协议集如图 4 所示。


802.1AS 协议根据最佳主时钟算法(BMCA)选定同步基准节点,使用高精度时间作为基准节点的同步时钟,802.1AS 在网络物理层上为数据包提供时间戳服务,这个时间戳存在于对时间敏感的数据包报头上面。


IEEE802.1AS 的时间同步能力源于 IEEE 1588 协议 [30],文献[31]的研究证明 IEEE802.1AS 可以提供与 FlexRay 相同的时钟质量。


802.1Qa [32] 流预留协议(SRP)是对音视频数据流发送端和接收端服务请求的管理协议,多重数据流预留协议(MSRP)目前只支持两种类型数据流,A 类或者 B 类,两者区别体现在帧大小和帧速率上,802.1Qat 标准保证这两类数据在 7 跳内的最大的端至端延迟,A 类为 2 ms,B 类为 50 ms。Queck 利用网络演算理论计算了 AVB 的转发策略在最坏情况下的延迟[33]。


802.1Qav 是实时数据流的转发和队列控制协议,为数据流发送端和交换节点提供一个成形的数据流服务。IEEE802.1Qav 定义了 8 个业务类,并预期至少有一个必须作为 SR 类。未使用的 SR 类数据流都留给尽力而为,没有任何带宽预留或保证。每个流量类别都有一个优先级(从 0 到 7,其中 7 是最高优先级)。Lim 等[34]已经开展了大量的以太网 AVB 的性能分析,特别是在汽车领域方面的使用。在文献中,使用 OMNeT++模拟 AVB,并比较了 802.1Q 优先级调度的性能。文献[35] 讨论了引进 AVB 定流量,即按照时间表发送的高优先级数据流,以确保不会干扰其他通信类。


802.1BA 标准是一个定义 AVB 配置的文件,定义了AVB 在不同市场的技术规格书,例如针对车载系统等不同应用环境给出的不同技术要求,明确哪些技术要求是强制的、哪些是选项,以及一些技术参数的微调,例如输出电压等。文献 [36] 主要评价了在不同温度条件下 AVB 时间同步机制的准确性,稳定性和健壮性。


(2)TTEthernet


时间触发以太网(Time Triggered Ethernet,TTEthernet)首次由 Kopetz 等人提出[37],是一种基于 802.3 以太网之上的汽车或工业领域的实时通信候选网络,它允许实时的时间触发通信与低优先级的事件触发通信共存,使以太网具备满足高安全等级的系统要求的同时,依然可以承担对实时性要求不过分严格但仍然有高带宽的以太网传输需求。由 TTTech 公司开发的 TTEthernet 已经 通 过 美 国 汽 车 工 程 师 学 会(SAE)的 标 准 化(SAEAS6802[38])。


图 5  TTEthernet 协议控制框架


TTEthernet 协议控制框架如图 5 所示。


TTEthernet 在时钟同步机制上引入了 IEEE 1588 V2 中的 P2P 透明时钟(transparent clock)的概念,利用透明时钟、步固化函数(Permanence Function)、压缩函数(Compression Function)的支持获得精确时钟。在同步时钟的基础上建立全双工交换式网络结构的周期性任务调度表,周期性任务表有静态与动态的两种使用方法 [39]。


TTEthernet 在单一网络中可以同时满足不同实时和安全等级的应用需要,支持三种不同的消息类型,时间触发(TT)、速率约束(RC)和尽力而为(BE)。TT 消息优先于所有其他类型,而 RC 帧是保证提供预留的带宽,BE 帧可以看做是标准以太网。


这三种不同的数据帧都采用标准的以太网帧格式,只是 type 域的值有所不同。TTEthernet 的主要优点是 TTEthernet 交换机允许被抢占,TT 消息在整个系统传输中具有最高优先级,也就是低优先级的消息被中断并存储在交换机的缓冲区,让 TT 消息优先发送,因此类似于以太网 AVB,为了使用该系统,内网交换机必须实现 TTEthernet 标准。


图 6  TTEthernet 数据流


TTEthernet 数据流如图 6 所示。


Steinbach 等 [40] 比较了 TTEthernet 与 FlexRay 的适用性,通过计算两种协议在典型场景下的抖动和延迟,考虑到 TTEthernet 可以提供更高的带宽,认为对于 FlexRay 时间触发的车辆通信,TTEthernet 是一种可行的替代网络。Bartols[41] 等使用基本的网络拓扑对 TTTech 公司开发 TTEthernet 协议栈进行了性能分析,结果显示使用 TTEthernet 交换机解决方案的时延稳定性均高于当使用普通的以太网设备。


Manderscheid 等 [42] 展示了一个基于网络演算的分析模型,用于汽车以太网的车载网络配置的验证。文献通过网络演算和仿真研究两种方法,研究证明实时触发以太网时钟同步精度高(最大时钟偏差为 93 ns),并在 OPNET 中仿真实现了时间触发以太网时钟同步流程和同步关键算法。


基于上述分析可以了解 TTEthernet 在汽车应用可能出现的情况有:


  • 高级驾驶员辅助系统(ADAS),得益于高带宽和 TT 通信的结合。

  • 多媒体,高带宽可靠数据通信,保证数据传输速率的音频和视频,是 TTEthernet 目前最有可能的应用领域。此外,通过使用 TTEthernet 可以将驾驶辅助系统和信息娱乐系统集成到同一个网络。

  • X-By-Wire 线控系统,TT 服务提供的强实时通讯,容错和故障运行,可以满足这些系统的通讯要求。


表 2 对比了目前最成熟的两项以太网技术,时间敏感网络 TSN 和时间触发以太网(TTEthernet)。


表 2  TSN 和 TTE 对比


6 车载以太网拓扑


车载以太网常见的拓扑结构有星型(star-based),菊花链型(daisy-chain)和树型(tree-structure)[43]。这些结构在交换式以太网中支持 IEEE 802.3 和 IEEE 802.1Q 标准。


图 7  星型


星型拓扑结构(图 7)管理方便,极易扩展,安装维护成本低,但由于要专用的网络设备(如交换机)作其核心节点,对核心设备的负担较重,可靠性要求高,各站点的分布处理能力较低。


图 8  菊花链型


菊花链型结构(图 8)由星型结构的基础网络构成,通过菊花链或串行的方式增加下一个节点。菊花链型拓扑结构容易扩展,各站点可以分布处理,网络设备的负担相对较轻,但节点之间的通讯相对较复杂,安装维护成本较高。


图 8  树型结构


结合以上两种拓扑结构实现了树型结构 [44],在汽车网络中权衡了良好的分布处理性能和安装维护成本。图 9 为一种树型结构车载以太网实施方法。


7 总结


通过文献研究和显著的行业内兴趣可以预见,以太网是最有可能也最有前途成为下一代汽车网络的标准。并且由于以太网是一种广泛使用和认可的 IEEE 标准,汽车行业将受益于它的持续发展和改进,包括带宽的改善,节约成本以及提高实施的灵活性。


由于汽车制造与半导体公司对车载以太网的持续关注,一些面向汽车环境的以太网技术发展迅速,尤其是 BroadR-Reach、AVB 和 TTEthernet 近两年得到迅速发展,虽然这背后不乏 AVnu联盟、OPEN SIG 等组织的推动。每种技术在汽车环境都有相对优势和弱点,但是最终是否采用这些策略将取决于经济的部件、实施成本以及标准设备的可用性。


遗憾的是这些联盟及组织中罕有国内汽车制造商及半导体公司的身影,与车载以太网相关的中文文献也较之匮乏。国外已有车载以太网相关产品投入应用,国内也应将大力开展对车载以太网相关技术的研究,制定符合我国汽车电子系统车载以太网产品,及相关标准规范,提高我国的汽车电子系统的综合水平。


参考文献



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