從百兆到千兆：TE助力智能網聯(lián)汽車快速發(fā)展

2018-06-22 10:19:26· 來源：TE連動作者：徐超

萬物互聯(lián)的時代已經悄然而至，物聯(lián)網正在深刻地影響著我們的生活。其中，智能網聯(lián)汽車是整個智能交通、乃至物聯(lián)網時代中最具變革的產物。

作者簡介：
徐超
TE Connectivity中國汽車事業(yè)部產品經理
——高速數(shù)據(jù)連接產品線

萬物互聯(lián)的時代已經悄然而至，物聯(lián)網正在深刻地影響著我們的生活。其中，智能網聯(lián)汽車是整個智能交通、乃至物聯(lián)網時代中最具變革的產物。

智能網聯(lián)汽車從硬件層面由各個傳感器、運算器以及執(zhí)行機構組成，這其中會存在巨大的計算量。原有的CAN總線系統(tǒng)架構已經遠遠無法適應新的數(shù)據(jù)傳輸需求，這時汽車以太網當仁不讓，成為新一代汽車主干網絡。我們看到，百兆以太網架構已經被絕大部分整車廠所接受和應用，而下一個目標則是從百兆到千兆的升級，這才是汽車以太網真正發(fā)揮實力的戰(zhàn)場。

如果將智能網聯(lián)汽車比作一個人，那么汽車以太網將組成新一代的神經網絡，為各個臟器傳遞命令。本文將深度解析汽車以太網在智能網聯(lián)汽車中的具體應用，以及泰科電子（TE Connectivity，以下簡稱“TE”）的汽車以太網連接解決方案。

新一代主干網絡—為智能網聯(lián)汽車而生

這幾年，兩場汽車工業(yè)最大的變革正在同時進行，其一是汽車電動化，另一個就是汽車的智能化和網聯(lián)化。而后者，正是得益于物聯(lián)網時代的到來。這種互聯(lián)的意義，已經遠遠超過了我們熟知的初始階段：如全球定位、汽車收音機、汽車藍牙和WiFi連接；而是拔高到了另一個維度，即：汽車本身正成為物聯(lián)網的一部分，成為一個超級移動終端！

在萬物互聯(lián)的時代，智能網聯(lián)汽車將會成為一個馳騁在道路上的移動辦公室、移動信息娛樂中心，它會和其他的“人-車-路-云”緊密聯(lián)系在一起。幾乎所有的傳統(tǒng)汽車公司和新興科技公司都在為此不懈努力，如：特斯拉、谷歌、蔚來、百度乃至優(yōu)步、Facebook都置身其中。2018年1月，國家發(fā)改委頒布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（征求意見稿）》，更體現(xiàn)了來自國家層面對其的重視和信心。

我們先舉個例子：為了實現(xiàn)高級駕駛輔助功能，智能網聯(lián)汽車需要獲得遠距離的汽車視野以及360度全車身的環(huán)境感知，如果僅僅獲得和汽車駕駛員相同的視野距離是不夠的。一般而言，人類駕駛員需要1-5秒的時間來計劃和應對突發(fā)事件的發(fā)生，如緊急剎車。而高級駕駛輔助系統(tǒng)的主要作用，就是提高駕駛安全性并且減輕駕駛員的負擔。由此，智能網聯(lián)汽車需要盡可能全面地獲得信息，以用于預測性判斷，這些信息包括：當前交通狀況和路況、天氣、溫度、濕度以及交通管制、限速等因素，然后根據(jù)這些信息規(guī)劃出最佳路線、速度、行車軌跡以及能源使用分配。

智能網聯(lián)汽車需要進行一系列車內和車外的連接，從而達成上述目的。我們需要通過一系列傳感器，諸如：高清攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等，以及車外天線，如：全球定位天線、4G/5G天線、V2X天線等協(xié)同配合，將大量數(shù)據(jù)傳遞給域控制器等超高速運算機構進行計算，然后通過中央網關，將各種決策傳遞給各個執(zhí)行機構，同時也傳遞到云端和后臺，對整個區(qū)域內的汽車和相關設施、甚至行人進行智能管理。

這其中蘊含著整車高速通信架構的革命性變化，也意味著原來的CAN、LIN、MOST或者FlexRay總線架構，已經無法滿足這種巨量運算的需求。

那么什么樣的汽車主干網絡會是智能網聯(lián)汽車的選擇呢？

從百兆到千兆--汽車以太網主干網絡

對于新一代的智能網聯(lián)汽車之主干網絡而言，需要滿足如下幾點要求：

高帶寬：目前CAN總線速率只能達到1Mbps，未來總線需要達到100Mbps，甚至1Gbps的速率，并有趨勢進一步提升。從百兆到千兆，已成共識。
低延時：新的主干網絡需要滿足毫秒級的延時表現(xiàn)，保證時間敏感事件可以在最短的時間被傳送成功，從而不影響功能表現(xiàn)。
高安全、可靠性：新的總線需要承受汽車嚴苛的工況環(huán)境，在抗沖擊、震動、高低溫環(huán)境中達到汽車級需求，同時對電磁干擾有很強的免疫力。
低成本：相對于CAN總線所使用的非屏蔽雙絞線和簡單的連接器結構，新主干網系統(tǒng)在成本上不能有明顯增加。
輕量化：盡量使用小型化、小線徑、輕量化設計，不能過于增加整車重量。此項對于電動汽車而言，尤為關鍵。

汽車以太網技術能夠有效應對上述需求，廣大整車廠、系統(tǒng)供應商及芯片廠商都在不遺余力地推廣汽車以太網作為新一代汽車主干網絡。

汽車以太網是一種用以太網連接車內電子單元的局域網技術。與傳統(tǒng)以太網使用2對或者4對非屏蔽雙絞線（UTP）來傳輸不同，汽車以太網的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術，在物理層只需要一對非屏蔽雙絞線即可實現(xiàn)100Mbps甚至1Gbps的傳輸速率。該技術同時支持了15米的有效傳輸距離，通過回聲抵消技術（Echo Cancellation）實現(xiàn)全雙工通信，并且滿足了汽車EMC的要求。另外一個巨大優(yōu)勢是，汽車以太網實現(xiàn)了PoDL（Power Over Data Lines）技術，即單對數(shù)據(jù)線供電，其可在一對雙絞線上為設備提供12VDC/300mA的電源，這將幫助車企減少額外的電源傳輸線束，從而減輕重量、降低成本。

汽車以太網可以支持多種上層通信協(xié)議或應用形式，如：TSN，AVB，TCP/IP，DOIP，SOME/IP等。尤其是TSN時間敏感網絡（Time Sensitive Networking）協(xié)議首次引入了時間觸發(fā)以太網的相關技術，能高效地實現(xiàn)關鍵通信信息及時傳輸，極大提高了安全性和可靠性。相對于傳統(tǒng)以太網協(xié)議的事件觸發(fā)機制，其有極大可能造成關鍵通信延遲，TSN通過時間與同步（IEEE 802.1AS）、流量調度（802.1Qbv）、訊框優(yōu)先適用（802.3br）、流量控制（802.Qci）等協(xié)議，奠定了汽車以太網下一代汽車主干網絡的地位。

目前汽車以太網標準化方面存在多個組織，其既相互競賽，也多有合作，主要有：IEEE 802.1和802.3工作組，OPEN聯(lián)盟、AVnu聯(lián)盟以及汽車開放系統(tǒng)架構聯(lián)盟AUTOSAR。TE也積極參與各個標準的制定工作，比如：在OPEN聯(lián)盟中，TE就是TC9工作組的主席，參與物理層標準的制定工作。

TE汽車以太網連接解決方案-MATEnet連接系統(tǒng)

為應對市場對于汽車以太網的強烈需求，TE開發(fā)了一套專門應對汽車以太網的連接解決方案——MATEnet連接系統(tǒng)。
MATEnet連接產品線是一套全面的以太網連接解決方案，其支持目前百兆乃至將來千兆級別的車內主干網絡連接需求，是構建具有中等規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐量和低延時傳輸要求的下一代汽車主干網的最經濟、最高效的解決方案。
MATEnet連接產品專為IEEE和OPEN聯(lián)盟汽車以太網協(xié)議要求開發(fā)，該產品線依靠汽車級、小型化、久經驗證的NanoMQS端子和TE優(yōu)秀的高頻產品設計能力，為客戶提供了具備高帶寬、高EMC應對靈活性、汽車級可靠性、高性價比、良好的可制造性的豐富解決方案。

1. 高帶寬

TE 的MATEnet連接系統(tǒng)符合IEEE（電子和電氣工程師協(xié)會）802. 3工作組為汽車以太網制定的傳輸協(xié)議和標準。此外，在OPEN聯(lián)盟中，TE擔任TC9技術委員會主席參與制定標準。
根據(jù)IEEE802.3bw的100base-T1協(xié)議，MATEnet連接系統(tǒng)可以在66MHz頻率下提供100Mbps的傳輸速率；根據(jù)IEEE802.3bp的1000base-T1協(xié)議，MATEnet連接系統(tǒng)更可以在600MHz頻率下提供1Gpbs的傳輸速率。值得一提的是，這些速率完全可以通過非屏蔽雙絞線（UTP）來實現(xiàn)，而非更加昂貴的屏蔽雙絞線（STP）。從百兆到千兆，TE已經實現(xiàn)！

MATEnet連接系統(tǒng)還有潛力在芯片和線纜的協(xié)同進步下達到6Gbps的速率。

同時，根據(jù)IEEE802.3bu協(xié)議，MATEnet連接系統(tǒng)可以滿足PoDL標準，采用一對非屏蔽雙絞線中的信號線，平行地對汽車以太網接口供電，實現(xiàn)降本和減重。

2. EMC靈活性

隨著汽車的電氣化程度越來越高，尤其是新能源汽車的發(fā)展和大量智能網聯(lián)汽車所需高頻天線的引入，車內抗電磁干擾問題變得越來越重要。汽車以太網的一大重要特性就是使用非屏蔽雙絞線（UTP）來傳輸中型數(shù)據(jù)，以節(jié)省成本和減重。但是，在一些強電磁干擾位置，如：動力電池、點火線圈或者是鯊魚鰭天線附近，往往我們需要使用帶屏蔽的雙絞線（STP）來保證可靠的EMC表現(xiàn)。
TE 的MATEnet連接系統(tǒng)可在同一產品布局下兼容UTP和STP，這一特性為整車廠提供了最大的靈活性。理想情況下，整車廠可以使用簡單而成本低廉的UTP電線完成絕大部分汽車以太網的部署聯(lián)網，同時又可以為嚴苛工況環(huán)境下的連接提供更可靠的STP解決方案。

MATEnet連接系統(tǒng)的這一特性確保了整車廠無需改變板端連接器，而僅僅選擇合適的線端連接器塑殼和電線，即可在所需要的系統(tǒng)內實現(xiàn)更高的屏蔽水平。

3. 汽車級可靠性

MATEnet連接系統(tǒng)使用了小型化NanoMQS車用端子作為核心連接端子。這是TE的明星產品，它在車輛實際應用中久經考驗，是名副其實的汽車級連接端子。
NanoMQS端子作為小型化的典范，同時具有超高抗震可靠性，其被大量應用在發(fā)動機艙、變速箱等嚴苛環(huán)境中。NanoMQS端子采用了雙觸點、單片壓接式設計，方形結構設計能有效保護母端子彈片，同時帶有防止誤插結構和二次鎖結構，使用環(huán)境溫度更可達到-40°C到105°C。這種端子可壓接最小線徑0.13mm²的超細導線，為降低線束重量創(chuàng)造了條件；標準版本的NanoMQS連接產品可以滿足LV214 S2級抗震動等級，密封型號更可以滿足S3級（接近傳動系統(tǒng)）和S4級（發(fā)動機支架）震動要求。

4. 高性價比

MATEnet連接系統(tǒng)使用了模塊化設計概念，每一路以太網鏈路均使用了相同的核心線束結構，僅需疊加線端塑殼的位數(shù)，減少了設計和制造成本。
另一方面，MATEnet連接系統(tǒng)同時兼容UTP和STP線束的特征，可幫助客戶按照實際使用環(huán)境選擇最理想的線材，減少了連接整體成本。

TE中國團隊和德國團隊共同開發(fā)MATEnet產品線家族，且已經在蘇州工廠推進國產化，以應對急速增長的客戶需求。

5. 產品線豐富

TE根據(jù)整車廠實際的以太網系統(tǒng)架構規(guī)劃以及相關芯片供應商汽車以太網鏈路交換芯片的開發(fā)進度，及時提供了從1路到6路以太網鏈路的全系列產品，所有相對應的線端產品均可選擇UTP和STP產品，這大大滿足了客戶在不同設備、不同應用上各種需求。

6. 良好的可制造性

汽車以太網線束加工具有其工藝復雜型，為保證非屏蔽雙絞線能夠滿足百兆甚至千兆速率的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，端子和線纜的壓接工藝精度非常關鍵。TE 的MATEnet連接器嚴格驗證和制定了以太網線束壓接規(guī)范，規(guī)定了如：導線開撥長度、端子壓接后非絞距離、壓接后兩根線芯之間距離、扭轉角度等等一系列關鍵工藝參數(shù)。
同時，TE和相關線束組裝設備制造商進行戰(zhàn)略合作，開發(fā)了用于生產MATEnet線束的自動組裝設備，保證了產品的可制造性和良好的質量。