进入车载网络,车载以太网技术正在迅速发展

2019-08-26 作者:澳门威尼斯人彩票平台   |   浏览(85)

以太网从2013年开始进入车载LAN系统。首先用于车载摄像头的影像传输系统统,之后应用范围将逐渐扩大到信息、安全和控制等系统。其卖点是,能在提高性能的同时降低成本。

车载以太网标准的制定及普及促进团体“OPEN(One-Pair Ether-Net)Alliance SIG”的成员在迅速增加。截至2013年6月,加盟OPEN Alliance SIG的企业及集团已经超过了140家,而在大约一年前还只有50家左右,数量增加了近两倍。2013年6月,卡特彼勒、标致雪铁龙、丰田、大众、沃尔沃等公司也加入了该团体。

从预定2013年9月上市的新款‘X5’开始,打算2年后为新一代‘7系’配备”(宝马E/E架构及基础设施项目经理Kirsten Matheus )。

宝马车载以太网目标实现1G/s传输速率

  • 2013年08月20日 09:58
  • 来源:技术在线

从预定2013年9月上市的新款‘X5’开始,打算2年后为新一代‘7系’配备”(宝马E/E架构及基础设施项目经理Kirsten Matheus )。 宝马在日经BP社于2013年7月举办的研讨会“第二届车载以太网改变汽车未来”上宣布,今后将积极采用车载以太网。X5在连接周边监控用摄像头模块和ECU的传输影像的路径采用了可实现100Mbps传输速度的“BroadR-Reach”注1)。预定2015年在连接车载信息终端和中央网关的信息通信系统的传输路径应用以太网。 注1) BroadR-Reach是博通公司开发的数据传输技术,特点是可用一对UTP实现100Mbps的传输速度,并成立了普及促进团体“OPEN Alliance SIG”。 宝马还在进行提高车载以太网的最大数据传输速度的研究,计划2018年将现行的100Mbps的速度提高至1Gbps。为此,正在与工业设备行业共同制定“IEEE P802.3bp RTPGE(Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet)”标准。预计标准制定工作将于2014年内完成注2)。 注2) 消费类产品使用的1000Base-T用4对信号线实现1Gbps的速度,而RTPGE的目标是用少于4对的信号线实现1Gbps的速度。 宝马在X5的摄像头系统中采用以太网的最初原因是可以削减成本。据该公司估算,在传输路径中用非屏蔽双绞线代替原来的LVDS,可大幅削减线缆成本。原来的LVDS必须进行屏蔽以降低电磁噪声。 摄像头模块采用飞思卡尔半导体生产的32位MCU,具备以太网连接功能和影像压缩功能等。利用感光元件拍摄的影像在摄像头模块内被编码成H.264。 由于使用H.264的“主要规范”(Main Profile)的话会使“延迟时间较长”(宝马的Matheus),因此,只利用了“基本规范”(Baseline Profile)中的“I Picture”。

“关键在于导入成本比LVDS低”,宝马公司主导车载以太网的开发和导入的Kirsten Matheus这样解释了采用车载以太网的理由。

最近OPEN Alliance SIG迅速壮大的背景是,汽车行业开始朝着使用车载以太网的方向转舵。以太网已于2008年前后开始在车辆故障自我诊断用途实现了实用化,估计今后会在提高实时性、确保故障时的安全性、降低成本以及提高数据传输速度的同时,进一步扩大应用范围。今后,以太网的应用范围可能会扩大到将车载AV设备的影像传输系统、车身系统、控制系统、安全系统及信息系统等各个系统的网关连接起来的主干网络。

宝马在日经BP社于2013年7月举办的研讨会“第二届车载以太网改变汽车未来”上宣布,今后将积极采用车载以太网。X5在连接周边监控用摄像头模块和ECU的传输影像的路径采用了可实现100Mbps传输速度的“BroadR-Reach”。预定2015年在连接车载信息终端和中央网关的信息通信系统的传输路径应用以太网。

宝马将于2013年9月推出的新款“X5”在连接周边监控用摄像头模块和ECU的传输路径采用了车载以太网。决定采用的车载以太网的决定性因素是,用车载以太网代替以往的LVDS可大幅削减线缆成本。因为与LVDS相比,采用车载以太网可减少信号线数量,而且无需针对线缆电磁噪声采取屏蔽措施。

以太网被导入车载用途主要有两个原因,即通信速度快和扩展性高。普通以太网使用电信号时速度可提高至1Gbps,使用光信号时可提高至10Gbps。扩展性方面,支持通信设备及消费类产品常用的TCP/IP时,可轻松与外部设备及网络服务联动。

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在汽车厂商中,宝马对使用车载以太网非常积极。该公司预定在2013年9月上市的汽车的摄像头系统中使用车载以太网。

BroadR-Reach是博通公司开发的数据传输技术,特点是可用一对UTP实现100Mbps的传输速度,并成立了普及促进团体“OPEN Alliance SIG”。

成本削减是获得采用的原动力

OPEN Alliance SIG是由博通、宝马等企业2011年11月联合成立的团体,目的是推进以博通的车载以太网传输技术“BroadR-Reach”为基础的物理层应用和确保互联性。BroadR-Reach似乎被用于宝马使用以太网的车辆上。

宝马还在进行提高车载以太网的最大数据传输速度的研究,计划2018年将现行的100Mbps的速度提高至1Gbps。为此,正在与工业设备行业共同制定“IEEE P802.3bp RTPGE(Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet)”标准。预计标准制定工作将于2014年内完成注2)。

汽车行业已经正式开始采用以太网,最主要的原因就是能削减成本。利用以太网主要能在两方面削减成本。

BroadR-Reach的特点是,在车载用途所要求的数十米的传输距离中,能以1对UTP实现100Mbps的速度。不但无需屏蔽,而且,在实现100Mbps的数据传输速度的同时,布线数量也比普通的“100Base-TX”的两对信号线更少。

消费类产品使用的1000Base-T用4对信号线实现1Gbps的速度,而RTPGE的目标是用少于4对的信号线实现1Gbps的速度。

第一,就像宝马的事例那样,能在要求高速传输数据的用途削减线缆成本。除了摄像头模块的传输系统外,预计2015年前后还将用于要求速度达到几十Mbps的车载AV设备的影像传输网络。

还有其他企业在研究可与BroadR-Reach抗衡的传输技术,那就是从事OBD用途物理层LSI业务的美满及麦瑞。这两公司都在大力研发相关技术,目标是将应用范围扩大到摄像头系统及信息系统。

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将来,碰撞传感器和激光雷达等传感器组成的安全系统网络、连接制动器和方向盘等的控制系统网络也有可能采用以太网。虽然现在利用的是速度只有几百kbps的CAN和LIN等低价车载网络,不过汽车行业正在讨论当处理数据量增加时用以太网来代替增加线缆数量的方法。如果能减少线缆数量,不仅能削减成本,在设置空间和重量方面也很有利。

BroadR-Reach等车载以太网物理层LSI产品的数据传输速度最大可达到100Mbps。目前已开始为扩大用途而制定1Gbps的标准。消费类产品使用的1000Base-T以4对信号线实现了1Gbps的速度,但要想直接把4对信号线用于汽车,这在成本和安装空间方面都比较困难。

宝马在X5的摄像头系统中采用以太网的最初原因是可以削减成本。据该公司估算,在传输路径中用非屏蔽双绞线代替原来的LVDS,可大幅削减线缆成本。原来的LVDS必须进行屏蔽以降低电磁噪声。

能使复杂的网络简单化

因此,IEEE802.3的工作组“RTPGE Study Group”正在讨论能以4对以下的信号线实现1Gbps传输速度的技术标准。除了从事物理层LSI业务的博通、恩智浦、美满及麦瑞之外,大型汽车厂商也加入了该工作组。

摄像头模块采用飞思卡尔半导体生产的32位MCU,具备以太网连接功能和影像压缩功能等。利用感光元件拍摄的影像在摄像头模块内被编码成H.264。 由于使用H.264的“主要规范”(Main Profile)的话会使“延迟时间较长”(宝马的Matheus),因此,只利用了“基本规范”(Baseline Profile)中的“I Picture”。

第二,利用以太网可简化车载网络的构成,从而削减成本。目前的车载网络一般是通过CAN和LIN连接多个ECU,通过网关一个一个地联网。尤其是日本厂商,大多都采用这种构成。采用这种构成时,每次为汽车配备新功能都要通过CAN来连接ECU,容易使网络复杂化。这样就会增加开发工时,从而增加成本。如果使用以太网,能更简单地组建车载网络,后续车型的开发和设计的灵活性更高,易于降低成本。

要在车载用途中使用以太网,除了物理层之外,还必须改善数据链路层以提高实时性、确保故障时的安全。思科和英特尔等公司于2009年成立的“AVnu Alliance”就是进行这方面讨论的团体。为了在家庭和汽车内构建高质量视听环境,该团体正在积极推进“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”的采用。汽车行业正着眼于这一点,讨论车载用途所需要的实时性及故障安全。目前正在讨论新一代标准的制定。

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作为简化车载网络构成的方法,汽车厂商比较关注的是“中央网关方式”和“域控制器方式”。前者是为控制系统、安全系统、车身系统、信息系统等系统单独构筑网络,然后连接至“中央网关”。中央网关是车载网络的“大脑”,在各系统之间进行协调控制。欧洲部分汽车厂商已经开始采用这种方式。

将在2010年代后半成为主流的是经由以太网把中央网关分成“基本功能用网关”和“扩展功能用网关”的方式。前者主要用来连接车身系统和控制系统等很多车型标配的装备,而后者用来连接只有高级车配备的、或作为选配装备追加的AV设备及摄像头系统等。这样一来,就可以在很多车型上采用通用的网络设计。用以太网连接两个网关是因为二者都需要进行高速通信。现在有很多汽车厂商都在开发这种方式的车载网络。

而域控制器方式则进一步推进了各项功能的模块化,能以系统为单位灵活利用设计。通过设置控制各系统ECU的“大脑”——域控制器,用主干网络连接各个域控制器进行协调控制。这种方式中,主干网络必须采用高速的以太网。

正在制定也能用于控制系统的标准

不过,通过域控制器方式构成车载网络可能要到2020年以后才能实现,因为目前还在制定这种方式所需标准。

要想把以太网用于车载网络,就必须要有能满足通信实时性等汽车特有要求的独有标准。“AVnu Alliance”制定的“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”(以下简称以太网AVB)是也能用于控制系统的、具备实时性的协议基础。

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在共七层的OSI基本参考模型*中,第二层使用的是普通的以太网标准,但面向车载用途实施了优先控制等扩展。现在已被用于车载摄像头等信息系统。不过,能使用该标准的只有信息系统,从实时性和故障安全方面来看,还没达到用于控制系统的水平。

要想像域控制器方式那样在车载网络整体应用以太网,需要等后续规格“IEEE802.1 Time Sensitive Networking”实现标准化。预计IEEE802.1 TSN标准会在2016年前后制定出来,实用化要到2020年前后。

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现行标准以太网AVB由保证延迟时间的“IEEE802.1Qat”和“IEEE802.1Qav”,以及实现时间同步的“IEEE802.1AS”等规格群构成。按照现行标准,以100Mbps的速度传输时,延迟时间可控制在7跳点、2ms以下。而IEEE802.1 TSN以100Mbps的速度传输时,延迟时间可控制在5跳点、100μs以下。在故障安全方面,IEEE802.1 TSN标准提出了发生故障后100ms内恢复的目标。

两股势力碰撞

在最下层的物理层,目前的车载用途标准分为两种。没有统一的行业标准可以说是实现以太网在车载网络中的普遍应用的不利因素。不过,这个问题也将在2015年~2020年期间解决。因为有两种标准的是现行速度为100Mbps的物理层LSI产品,预计新一代1Gbps的产品将会有统一的标准。预计1Gbps的产品将在2018年前后实现实用化。

100Mbps的物理层LSI标准方面,一部分半导体厂商采用的是与普通以太网使用的IEEE802.3不同的传输技术,另一部分厂商采用的是以IEEE802.3标准“100BASE-TX”为基础的传输技术。前者代表为博通,该公司独自开发了数据传输技术“BroadR-Reach”,后者代表为美满和麦瑞,两公司紧随率先实现产品化的博通,于2012年秋季开始样品供货物理层LSI。这两种规格各有利弊,采用的汽车厂商也分为两类。

两种技术都能通过车载用途要求使用的UTP线缆实现100Mbps的最大数据传输速度。博通和麦瑞的物理层LSI无需外置滤波器部件即可利用UTP,美满的物理层LSI需要外置滤波器部件。

两种技术在信号线数量、采用业绩及互连性方面存在差异。BroadR-Reach用一对信号线就能实现100Mbps的速度,但100BASE-TX要使用两对,因此前者在传输线缆的成本方面更占优势。BroadR-Reach之所以用一对信号线就能传输,是因为其调制方式采用了适合高速化的“PAM”。

采用业绩方面也是BroadR-Reach领先,该技术被用于宝马新车的摄像头模块。美满和麦瑞的物理层LSI目前还没在车载网络上实际使用注3)。

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注3) 在车辆故障自我诊断用途,两公司的物理层LSI已被用来连接车外检查用专用终端和车载网关。但这与面向车载以太网的物理层LSI不同。

美满和麦瑞的产品的优点是,实现了可在不同企业的物理层LSI间通信的互连性。提供BroadR-Reach物理层LSI的企业目前只有博通一家。BroadR-Reach方面出现新的供货商最早要在2014年前后,预计荷兰恩智浦半导体将开始量产。

要想普及车载以太网,必须确保多家厂商的产品供货和互连性。因此,博通在2011年11月成立了BroadR-Reach技术的普及促进团体“OPEN(One-Pair Ether-Net) Alliance SIG”,正在努力招揽同盟。该团体在成立之初只有宝马和博通等几家企业加盟,但到2013年6月,加盟企业已经突破140家。主导企业除宝马外,还有戴姆勒、通用、现代、日产、丰田等汽车厂商以及恩智浦半导体。

2018年实现1Gbps

实现1Gbps传输速度的车载以太网物理层LSI标准是目前正在“IEEE P802.3bp”讨论的“RTPGE(Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet)”,其目的是应对在主干网中的使用和信息系统数据容量的增大。

普通以太网标准“1000 BASE-T”使用4对信号线,而RTPGE的目标是以更少的信号线实现1Gbps的传输速度,目的是削减线缆成本。当前的目标是使用1对信号线。

除博通、美满和麦瑞等半导体厂商外,大型汽车厂商也参加了讨论。预计将于2014年5月之前确定标准,2018年前后用于市售车。宝马的Kirsten Matheus虽然没公布具体用途,但表示“打算2018年利用1Gbps的车载以太网”。

出现要求供电功能的呼声

物理层中,为了通过不使用电线来削减成本,旨在在车载以太网中也导入“Power over Ethernet”的动向日益活跃。比如,用一对信号线供电的标准“Power over Data Lines”,不仅是汽车,还计划用于工业设备、铁路和飞机。为实现其标准化,2013年7月在IEEE802.3内成立了“1-pair Power over Data Lines Study Group”。

1PPoDL Study Group负责讨论供给电力的大小以及相应的电力等级、电压值等。虽然没有公布标准的完成时间,不过因还打算用于RTPGE,因此估计在RTPGE标准出台的2014年5月前后能确定标准。

在实际产品中,以太网供电功能可能会先于1PPoDL的标准化用于100Mbps的车载以太网。因为多家半导体厂商已经试制出可通过车载以太网提供约6W电力的技术。这些电力除了驱动车载摄像头模块外,还能驱动多种传感器和低功率ECU。

预计供电功能最初的用途是车载摄像头模块。半导体厂商已经实际进行过运行演示,估计2016年前后将得到采用。1PPoDL Study Group预测,2017年出货的100Mbps的车载以太网端口中,25%将支持供电功能。

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