以太網(wǎng)，打通汽車神經(jīng)血管的“梗阻”

最新的車載5G通信試驗結(jié)果表明：當車速在100Km/h時，數(shù)據(jù)傳輸速率可達到8Gbps。也就是說，你剛踩一腳油門，一部高清電影已經(jīng)下載到你的車內(nèi)了。

然而，當你以飛快的速度將云端數(shù)據(jù)downlod到車里后，試圖將這些東西再度傳輸?shù)狡嚴锩娴母鱾€部件時，災(zāi)難發(fā)生了，瓶頸就是CAN總線的傳輸速率。

1988年，BMW首次在汽車內(nèi)用到CAN總線，至今已有30個年頭了，目前最新的CAN FD標準理論極限傳輸速度是1Mbps, 就是說傳一張3M大小的圖片要花費24秒。如果你的某個核心控制的固件比較大，你想把軟件通過CAN總線傳輸過去，也許需要數(shù)小時。

這就是汽車內(nèi)部神經(jīng)血管的信息傳輸能力，這是一個為機械時代設(shè)計的內(nèi)部通信傳輸架構(gòu)。

一直以來，汽車被視為傳統(tǒng)工業(yè)的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)通信則是發(fā)源于硅谷的新興勢力；現(xiàn)在，這兩個世界正在相互擁抱，深度融合不可逆轉(zhuǎn)。打一個比喻，新能源動力系統(tǒng)更換了汽車的心臟，無人駕駛改造的是汽車的大腦，車聯(lián)網(wǎng)通過重塑五官來改變汽車的感知方式，離一個全身手術(shù)只差最后一步，搭建新的神經(jīng)和血管系統(tǒng)，這就是汽車以太網(wǎng)。

汽車線束現(xiàn)狀

在汽車以太網(wǎng)的概念出現(xiàn)之前，汽車內(nèi)已有多種不同總線標準在應(yīng)用，包括CAN、LIN、FlexRay、MOST以及LVDS等。幾乎汽車電子系統(tǒng)每個部分都有其特定的線纜和通信要求，這導(dǎo)致了車內(nèi)復(fù)雜的連線和冗亂的標準，車內(nèi)線束在重量上是繼底盤和引擎之外占第三位的部分；同時車內(nèi)線束也已成為繼引擎和底盤之外車內(nèi)第三大成本支出的部分，不論生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還是維修過程，布置配線的人工成本占整車的50%，而且這些工作都是機械取代不了的，除非仿生機器人取得突破性進展。有人說過，一個城市的文明程度跟他的下水道有關(guān)，再怎么現(xiàn)代化的城市，也需要下水道工人維護；同理，一輛豪車，再怎么外型光鮮亮麗，也需要工人精細的布線工作。



(奧迪A5車內(nèi)線速展開)

埃隆.馬斯克曾表示：在Model S 上，整車線束長度是3 公里；而在Model 3上，這個數(shù)據(jù)是1.5 公里左右。在未來將要推出的Model Y 上，線束長度會被進一步縮短到只有100 米。“一年賣出10萬輛，線纜連起來可繞地球一圈”，是不是驚掉你的下巴？連特斯拉這么高科技的車企，也拿線束開刀。沒辦法，對于車輛研發(fā)和制造來說，線束這個細節(jié)有點不太尋常，神經(jīng)錯亂可不是鬧著玩滴！

統(tǒng)計顯示，一輛低端車的線束系統(tǒng)成本要大約300美元，重量大約30公斤，長度大約1500米，線束大約600根，1200個接點；而一輛豪華車的線束系統(tǒng)成本大約550-650美元，重量大約60公斤，線束大約1500根，長度大約5000米，3000個接點。如果沿用目前的電子架構(gòu)體系，無人車時代的線束成本不會低于1000美元，重量可達100公斤。“剪不斷、理還亂”，這就是線束的現(xiàn)狀，急需一個統(tǒng)一的標準和精簡的方案。

傳統(tǒng)汽車線束的局限

CAN總線起源于上世紀90年代，主要用于車上控制數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)役車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的標準，最大傳輸速度為1 Mb/s。

LIN 是一種低成本通用串行總線，在汽車領(lǐng)域主要用于車門、天窗、座椅控制等，最大傳輸速度更低，僅為20 kb/s。

FlexRay 的主要優(yōu)勢在于相比CAN 總線具有較高的帶寬，可達10Mb/s，可以滿足汽車關(guān)鍵應(yīng)用的要求，但是其成本卻很高，主要適用于中高端車中的線控系統(tǒng)（如懸架控制、變速箱控制、制動器控制、轉(zhuǎn)向控制等）。

MOST主要支持多媒體流數(shù)據(jù)傳輸，MOST150標準的最大帶寬為150 Mb/s的，在車載多媒體數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用較多。雖然MOST150支持基于IP的應(yīng)用程序，但由于單一供應(yīng)商的問題，基礎(chǔ)開發(fā)成本較高。

LVDS是一種電氣數(shù)字信號系統(tǒng)，通過銅纜雙絞線傳輸高速數(shù)據(jù)（最高可達850 Mb/s，最長傳輸距離10 m），原本就是網(wǎng)絡(luò)通信總線的一部分。在汽車領(lǐng)域LVDS 主要用于屏幕和攝像頭之間的數(shù)據(jù)傳輸。



傳統(tǒng)汽車總線能滿足部分子系統(tǒng)的要求，總體來說，優(yōu)勢在于實時性。但普遍存在的問題是帶寬低，成本高?；旧线@些總線標準都是面向汽車制定的，帶有濃厚的汽車行業(yè)色彩，關(guān)鍵的局限在于：不易擴展，無法互聯(lián)互通。在車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛時代，這些傳統(tǒng)的總線就像老化的血管瘤，堵塞住了信息化向汽車內(nèi)部延伸的通道。



以太網(wǎng)通信

以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)明于1973年，經(jīng)過40多年的發(fā)展，目前已是應(yīng)用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，甚至也可應(yīng)用于廣域網(wǎng)。嚴格來說，以太網(wǎng)并不是特指某種總線技術(shù)，它是IEEE組織803.2工作組下的一系列標準協(xié)議。以太網(wǎng)從最初支持10Mbit/s的吞吐量開始，經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前有快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆以太網(wǎng)（1Gbit/s）、萬兆以太網(wǎng)（10Gbit/s）及100Gbit/s。同時，為了適應(yīng)應(yīng)用的多樣化，以太網(wǎng)速率打破了以10倍為一級來提升的慣例，開始支持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。傳輸介質(zhì)不僅有雙絞線銅線，還可以是光纖。

以太網(wǎng)的優(yōu)勢

可以看到，以太網(wǎng)不僅能支持更高的帶寬吞吐率，而且成本也比較低。另外BroadR-Reach的非屏蔽單對雙絞線，不需要鋁箔層和絕緣膠層，這種線纜比傳統(tǒng)網(wǎng)線還輕，而抗電磁輻射性能同樣優(yōu)異，并且已通過ISO-9001以及TS16949標準。在安全性方面，以太網(wǎng)完全可以移植網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，來搭建汽車自己的安全局域網(wǎng)，如數(shù)據(jù)加密、防火墻、深度包檢測(DPI)等。



（左邊為傳統(tǒng)網(wǎng)線，右邊為車載以太網(wǎng)線）

關(guān)鍵在于，這是一個統(tǒng)一的標準，只要符合IEEE 802.3規(guī)范，你可以任意擴展。我們都有這樣的體驗：拉根網(wǎng)線，你就的PC就可上網(wǎng)；家里只有一根光纖入戶，而又多臺電腦要上網(wǎng)？沒事，買個小路由一擴展，搞定；辦公室網(wǎng)線接滿了，而又要添加服務(wù)器存儲、打印機、視頻終端接入網(wǎng)絡(luò)？沒事，加個交換機一擴展，搞定！所有這些方便都來源于以太網(wǎng)標準的廣泛應(yīng)用。在全IP時代，一輛汽車配置一個公網(wǎng)IP地址，車內(nèi)每個ECU單元配置一個內(nèi)網(wǎng)IP地址，以靈活配置連接到互聯(lián)網(wǎng)上；只要預(yù)留接口，有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)自由切換，汽車的任何部件都可隨時與你的移動設(shè)備交換數(shù)據(jù)，這不是科幻，未來，已在路上。



汽車以太網(wǎng)的起源和發(fā)展

雖然以太網(wǎng)技術(shù)在通信世界暢通無阻，但應(yīng)用于汽車上要面臨一些挑戰(zhàn)：電磁兼容性和延遲是兩個主要問題。雙絞線網(wǎng)絡(luò)對電磁兼容性的要求并不那么嚴苛，但是放在汽車上就不同；而且存儲轉(zhuǎn)發(fā)式網(wǎng)絡(luò)必然有延遲，在局域網(wǎng)中，并不那么挑剔，但是用于汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，則勢必嚴格得多。2011年，博通為了將其在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的優(yōu)勢拓展到汽車行業(yè)，開發(fā)出了汽車用的以太網(wǎng)芯片和整體解決方案：一是通過BroadR-Reach技術(shù)成功解決了車規(guī)要求的EMC問題，二是革命性地提出單對非屏蔽雙絞線方案，將傳統(tǒng)線束重量減輕30%。



(博通發(fā)布的下一代BroadR-Reach車載以太網(wǎng)方案)

剛開始時，只有博通一家在吆喝，奈何酒好不怕巷子深，恩智浦、飛思卡爾、哈曼、寶馬等一眾汽車業(yè)界巨頭也看到這個機會，于是組成了一個OPEN Alliance聯(lián)盟，推廣車載以太網(wǎng)技術(shù)標準，目前，包括一汽、北汽在內(nèi)的諸多車廠也加入了這個聯(lián)盟?，F(xiàn)在來看，汽車以太網(wǎng)技術(shù)已逐漸成熟，2016年初，IEEE批準了以博通BroadR-Reach技術(shù)為基礎(chǔ)的標準，命名為802.3bw 100BAST-T1, 稍后802.3bp 1000base-T1也通過，該標準允許在1對信號線上以1Gbps的速度實現(xiàn)15m的傳輸距離；還有車載版PoE標準802.3bu PoDL也通過，意味著在車內(nèi)通過以太網(wǎng)口供電也不存在問題。



(汽車以太網(wǎng)標準化組織)

針對業(yè)界最為關(guān)心的以太網(wǎng)傳輸時間延遲、包排序和可靠性交付問題，技術(shù)研發(fā)也沒有停止。在音視頻同步傳輸方面，IEEE另一個工作組802.1制定了AVB標準；在精準時間同步方面，IEEE提出了TSN(時間敏感網(wǎng)絡(luò))一系列標準。所有推廣汽車以太網(wǎng)的阻力，都在穩(wěn)步解決中，時間表已給出。同步地，Marvell 2015年就推出了符合部分802.1標準的產(chǎn)品，如已用在特斯拉Autopilot 2.0上的方案88E6321和88E6341；2017年，TSN汽車應(yīng)用領(lǐng)域大部分標準定型，博通于是在2017年12月推出BCM53162，主要目標市場就是無人車和L3級無人駕駛。IEEE原本預(yù)計要到2021年才有量產(chǎn)車用TSN，現(xiàn)在看來應(yīng)該會提前1到2年。



(汽車以太網(wǎng)標準進展)

車載以太網(wǎng)在汽車業(yè)界的現(xiàn)狀

2011年，當汽車以太網(wǎng)的概念提出時，眾多的車廠只是在觀望狀態(tài)，雖然大家都承認這是一項革命性的技術(shù)，但針對尚未解決的問題，保守的車廠和Tier1們都望而卻步。第一個吃螃蟹的總是勇敢者，2013年，寶馬X5第一個將汽車以太網(wǎng)用于3600C環(huán)視系統(tǒng)。這也符合以博通為領(lǐng)導(dǎo)的Open Alliance聯(lián)盟對汽車以太網(wǎng)的推進思路：先以Infotainment系統(tǒng)為切入點，逐步深入到ADAS、甚至車身與安全整個車載系統(tǒng)。



(寶馬X5搭載的車載以太網(wǎng))

隨著時間的推進，寶馬嘗到了甜頭，2015年在其全系車型（7系、5系、3系和i系電動車）中都部署了車載以太網(wǎng)，而且已經(jīng)不是單純的環(huán)視，而是整車系統(tǒng)都基于汽車以太網(wǎng)來設(shè)計。2016年，更多的車廠成為汽車以太網(wǎng)技術(shù)的擁躉，捷豹、路虎和大眾的帕薩特都在其某些車型集成了汽車以太網(wǎng)技術(shù)，包括前文提到的特斯拉Model S和Model 3。截止目前，Broadcom現(xiàn)在已經(jīng)在汽車市場出貨1900萬顆以太網(wǎng)芯片。



在擁抱新世界時，國產(chǎn)造車勢力同樣勇于嘗鮮，那些沒有動靜的廠商并不是停留在觀望，早在2015年奇瑞汽車就和博通簽訂了共同開發(fā)車載以太網(wǎng)應(yīng)用的合作諒解備忘錄；而榮威RX5是國內(nèi)第一個將車載以太網(wǎng)應(yīng)用于環(huán)視系統(tǒng)的車型；隨后長安InCall 5.0也用以太網(wǎng)技術(shù)改造了其車內(nèi)通信架構(gòu)。新勢力中，奇點汽車的“手術(shù)”動得最大，在幾乎所有子系統(tǒng)都采用車載以太網(wǎng)，只保留部分涉及安全系統(tǒng)的CAN總線。



(汽車以太網(wǎng)的應(yīng)用預(yù)測)

2018年，隨著IEEE有關(guān)汽車以太網(wǎng)的大部分標準定型發(fā)布，汽車業(yè)界將來到一個十字路口：在汽車智能化的浪潮下，傳統(tǒng)總線架構(gòu)的劣勢正在凸顯；以太網(wǎng)以其勃勃生機正在取而代之。TSN、時間同步等是最后的關(guān)鍵，如果這些標準突破，所有關(guān)于汽車以太網(wǎng)技術(shù)上的擔憂都不復(fù)存在。

汽車以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈

技術(shù)標準本身就是由產(chǎn)業(yè)圈共同推進的，當技術(shù)成熟后，也就意味著產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟了。圍繞著汽車以太網(wǎng)，眾多車廠、Tier1、芯片廠商等早就精心布局。博通,恩智浦就不必多說，C位出道，代表著最上游的以太網(wǎng)芯片和相應(yīng)的MCU供應(yīng)商；全球汽車線束和連接器巨頭莫仕(Molex)早在去年就和黑莓的QNX合作研發(fā)基于10Gbps的車載以太網(wǎng)平臺，旨在提升智能網(wǎng)聯(lián)車輛的數(shù)據(jù)帶寬，不出意外，今天的CES展上就可看到這款黑科技產(chǎn)品。

2017年，Tier1廠商德爾福汽車公司與高頻連接技術(shù)公司羅森伯格(Rosenberger)達成戰(zhàn)略協(xié)議，意欲加強在高速數(shù)據(jù)傳輸方面的能力。“互聯(lián)車輛平臺需要通過性能強勁的電子架構(gòu)、以更快的速率傳輸更多的數(shù)據(jù)。此次合作將使德爾福與另一行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者一起為整個汽車的以太網(wǎng)架構(gòu)確立普遍標準，”德爾福高級副總裁、電子/電氣架構(gòu)部門總裁兼工程組件團隊總裁艾博彬表示。

加入這個生態(tài)圈的還有很多，不僅有車廠，還有汽車供應(yīng)商名錄上的?？停蜆I(yè)界普遍關(guān)心的延遲和同步問題，他們都在為之努力。比如TSN主要支持者包括思科、英特爾、瑞薩、德國工業(yè)機器人巨頭KUKA、三星哈曼、寶馬、通用汽車、現(xiàn)代汽車、博世、博通、德州儀器、NXP、三菱電機、LG、Marvell、ADI，通用電氣等。所謂不是一家人，不進一家門，兩個世界的擁抱，從此你中有我，我中有你。



展望

有時候，我們需要回首來時的路，才知道今天的選擇值不值得：2008年以太網(wǎng)年首次出現(xiàn)在汽車應(yīng)用中，當時同樣也是寶馬公司將其作為OBD診斷接口，用于對發(fā)動機控制模塊上的校準軟件進行重新編程升級。之前采用傳統(tǒng)的CAN總線方式重新刷新這些模塊需要花費10個小時才能完成，但使用1GbE的以太網(wǎng)連接技術(shù)后只需要20分鐘即可上傳相同的軟件包。有時候，我們需要抬頭仰望星空，才能預(yù)測明天前進的方向：今天以GPS、藍牙、WiFi、NFC、V2X為主的無線連接已經(jīng)打通汽車與外部連接的通道，汽車表皮的每個毛細血管都已噴張，等待接入這個萬物互聯(lián)的世界。



我們不妨頭腦風暴下：將來汽車內(nèi)部的每個ECU單元、油門、剎車、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向、輪胎、懸掛、電力系統(tǒng)的每個數(shù)據(jù)都接入云中心，甚至連你座椅、車窗角度、收音機頻道都有專門的大數(shù)據(jù)為你服務(wù)，這將繁榮多少五花八門的應(yīng)用和市場？像每一個擁有IP地址的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一樣，你可通過OTA升級你汽車的每一部分。好車一部就夠了，這就是以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)的自動升級汽車，在這個平行的世界里，開瑪莎拉蒂的和開吉利的沒有區(qū)別。



(瑞薩的未來汽車構(gòu)想)

變革都是由偏執(zhí)狂來推動的，李書福曾說，”汽車不就是四個輪子加幾個沙發(fā)嗎？”，癡人說夢，現(xiàn)在他的夢想也實現(xiàn)了；馬斯克把他的特斯拉射向了太空，膠囊機器人已經(jīng)開始鉆進血管為你療傷止痛，還有多少夢想會止步于技術(shù)變革面前？“生活不能只是解決一個又一個的悲傷問題。需要有一些能激勵你的東西，讓你在清晨醒來，相信一切皆有可能”。新能源汽車、無人駕駛都來了，年輕的心臟需要配備更強健的血管，傳統(tǒng)的總線已經(jīng)堵塞了汽車內(nèi)在的任督二脈，是時候給汽車的血管動個大手術(shù)了。