新能源汽車車內(nèi)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展綜述

晏欣煒+周奎+朱政澤+王思山+周海鷹

摘要：

汽車產(chǎn)業(yè)正朝智能化方向發(fā)展，對(duì)汽車電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與通信能力提出了挑戰(zhàn)。具有高帶寬、高實(shí)時(shí)、高安全性和高可靠性的車內(nèi)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)作為下一代車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，受到廣泛關(guān)注。分析了現(xiàn)有國內(nèi)外新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（In-vehicle Network， IVN）的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了車載網(wǎng)絡(luò)在帶寬壓力及高可靠性需求下面臨的挑戰(zhàn)，討論了未來以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，最后指出進(jìn)一步完善汽車電控架構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)車載以太網(wǎng)產(chǎn)品，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的必要性。

關(guān)鍵詞：車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；汽車電控架構(gòu)；汽車智能化；實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.173318

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）001000404

Abstract：Intelligentization is the direction of the development of automobile industry. Automotive electronic control system network architecture and communications capabilities are facing new challenges. Invehicle Realtime Ethernet technology with high bandwidth， high realtime， high security and high reliability attracts a lot of attention as the development direction of the next generation of vehicular network. In this paper， the current development of Invehicle Network （IVN） technology for new energy vehicles was analyzed. The challenges faced by IVN technology under the demand of bandwidth pressure and high reliability were expounded. The future development trend of Ethernet technology combined with automobile industry was also discussed. Finally， this paper pointed out the necessity of further improving the design of automotive electronic control structure， developing vehicle Ethernet products and formulating relevant standards.

Key Words：Invehicle Network （IVN）； automotive electronic control structure； automotive intelligentization； realtime ethernet technology

0引言

發(fā)展新能源汽車既是有效緩解能源和環(huán)境壓力，也是推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)。中國頒布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，將“節(jié)能與新能源汽車”納入《中國制造2025》的戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)突破領(lǐng)域。盡管中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快、初具規(guī)模，但作為新能源汽車三大核心技術(shù)之一的電控系統(tǒng)尚未取得突破，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議專利及核心零部件仍由國外企業(yè)壟斷，新能源汽車的成本居高不下，產(chǎn)業(yè)的盈利水平和競爭能力難以持續(xù)與國外企業(yè)抗衡[1]。

目前，汽車技術(shù)正沿著智能化、輕量化、電動(dòng)化的方向發(fā)展，汽車影音娛樂、主動(dòng)安全、智能駕駛與智能網(wǎng)聯(lián)等新興業(yè)務(wù)正在或即將涌現(xiàn)。智能化與電動(dòng)化以及新興業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，要求電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，支持高度的系統(tǒng)集成和分布式實(shí)時(shí)控制，這對(duì)電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信能力提出了挑戰(zhàn)，迫切需要車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（IVN）具有高帶寬、高實(shí)時(shí)、高安全性、高可靠性的品質(zhì)，提供支持分布式實(shí)時(shí)通信與控制高效可靠的車載總線協(xié)議、信息安全體系及容錯(cuò)保障機(jī)制[2]。

1國內(nèi)外新能源汽車IVN技術(shù)現(xiàn)狀

1.1電控系統(tǒng)技術(shù)來源及構(gòu)成

電控系統(tǒng)最早由德國博世（Bosch）公司基于降低油耗、提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放量、達(dá)到（美國加州）政府廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，于1967年成功引入汽車?，F(xiàn)在的汽車電控系統(tǒng)通常由傳感器、ECU（Electronic Control Unit，控制器）和執(zhí)行器組成；傳感器用于采集汽車內(nèi)外的狀態(tài)信息，控制器中的程序能接收處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，并給執(zhí)行器發(fā)送指令，執(zhí)行器能根據(jù)指令對(duì)相應(yīng)汽車狀態(tài)作出調(diào)整。

1.2電控系統(tǒng)技術(shù)演化及特征

早期的電控系統(tǒng)采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信技術(shù)，電控系統(tǒng)內(nèi)部的ECU、傳感器、執(zhí)行器之間，以及不同電控系統(tǒng)之間均需專線連接，這種通信技術(shù)下的IVN架構(gòu)如圖1所示，汽車上線束在重量、體積、成本等方面所占比重高，布線和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作量大。

圖1點(diǎn)到點(diǎn)通信下車內(nèi)線束及IVN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于存在多個(gè)ECU需要相同傳感器信息的情況，為了減少傳感器數(shù)量，同時(shí)降低線束給汽車帶來的重量、體積、布線和維護(hù)壓力，降低汽車成本，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了多路通信技術(shù)，IVN架構(gòu)呈現(xiàn)多種總線共存的局面，如圖2所示，有代表性的總線協(xié)議有CAN、LIN、FlexRay、MOST，此類汽車電控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。endprint

CAN、LIN、FlexRay、MOST等4種IVN總線的特征如表1所示。目前，新能源汽車采用多路通信技術(shù)下的IVN架構(gòu)，這是一個(gè)支持分布式實(shí)時(shí)控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[45]。

2國內(nèi)外新能源汽車IVN技術(shù)面臨挑戰(zhàn)

“能源、污染、擁堵、安全”是汽車產(chǎn)業(yè)的四大公害。如果說“能源、污染”導(dǎo)致了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，那么“擁堵、安全”仍然是新能源汽車不可回避的矛盾。“高效、安全、舒適、節(jié)能”是客戶的需求，也是新能源汽車的發(fā)展目標(biāo)。在客戶需求和新興汽車電子技術(shù)的助推下，車載影音娛樂、主動(dòng)安全、無人駕駛等業(yè)務(wù)正走向新能源汽車，智能網(wǎng)聯(lián)帶來的車內(nèi)車外無線互聯(lián)互通正變成現(xiàn)實(shí)（見圖4），新能源汽車IVN面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[67]。

2.1帶寬壓力

主動(dòng)安全、無人駕駛等業(yè)務(wù)不僅需要更多、分辨率更高的傳感器，而且需要ECU之間有更多的協(xié)同交互；智能網(wǎng)聯(lián)下從車外進(jìn)入IVN的通信數(shù)據(jù)更有顯著增加，表2給出了2020年后IVN通信帶寬需求預(yù)測。在此預(yù)測下，當(dāng)今作為IVN骨干網(wǎng)絡(luò)的CAN面臨淘汰的境地，MOST由于帶寬共享的工作方式也難以滿足需要，急需更快傳輸速度，更高帶寬的通信協(xié)議支撐。

2.2安全可靠性壓力

安全可靠性壓力表現(xiàn)在功能可靠性壓力和信息安全性壓力兩個(gè)方面。車內(nèi)車外互聯(lián)大大增加了IVN遭受外部信息安全攻擊的危險(xiǎn)，如圖5所示。針對(duì)IVN的信息安全攻擊，輕則減少了客戶“舒適、高效”的駕乘感受，重則會(huì)造成安全事故，帶來生命危險(xiǎn)，如表3所示。由于歷史原因，現(xiàn)有IVN總線協(xié)議都缺少信息安全機(jī)制。當(dāng)大量的主動(dòng)安全、無人駕駛技術(shù)引入汽車后，這些安全關(guān)鍵（safetycritical）的電控系統(tǒng)急需IVN架構(gòu)提供容錯(cuò)通信能力：如能容忍電路失效、線路故障，冗余部件無縫自動(dòng)切換、錯(cuò)誤遏制等，現(xiàn)有IVN協(xié)議及其架構(gòu)冗余通信能力有限，電控系統(tǒng)的可靠性難以保障。

2.3靈活性壓力

在IVN上增加、刪除、更換結(jié)點(diǎn)時(shí)，基于協(xié)議原因，相關(guān)部件需要作程序的修改、刷新、測試，帶來了汽車維修和個(gè)性化生產(chǎn)的高投入、高成本；多總線共存造成支持IVN內(nèi)部互聯(lián)互通的協(xié)議棧設(shè)計(jì)復(fù)雜，擴(kuò)展性、開放性有限。IVN亟需引入支持自適應(yīng)、熱插拔的網(wǎng)聯(lián)架構(gòu)。

3國內(nèi)外新能源汽車IVN技術(shù)發(fā)展趨勢

針對(duì)新能源汽車IVN架構(gòu)面臨的通信帶寬、安全可靠性以及架構(gòu)靈活性等挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)內(nèi)外都把研究的焦點(diǎn)集中到被廣泛使用的以太網(wǎng)技術(shù)上，基于以太網(wǎng)的IVN技術(shù)正成為IVN技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.1技術(shù)缺陷與應(yīng)用

采用以太網(wǎng)為底層協(xié)議的TCP/IP參考模型在局域網(wǎng)中的巨大成功，使得以太網(wǎng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中得到了廣泛應(yīng)用；但以太網(wǎng)技術(shù)也有不足，最為詬病的是其MAC層訪問控制協(xié)議CSMA/CD，其MAC機(jī)制和沖突退避算法會(huì)導(dǎo)致信息傳送的滯后和延時(shí)的非確定性，以及結(jié)點(diǎn)通信的不公平性，影響通信的實(shí)時(shí)性。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，通過實(shí)施一系列控制碰撞的措施，響應(yīng)時(shí)間介于5～10ms的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（如ProfiNet、EtherNet/IP、ModbusIDA）和響應(yīng)時(shí)間小于5ms的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)（如Ethernet PowerLink、ProfiNetRT、EtherCAT）已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用[8]。

3.2技術(shù)發(fā)展與趨勢

近兩年來，選用以太網(wǎng)技術(shù)作為下一代IVN架構(gòu)的發(fā)展方向受到了汽車行業(yè)內(nèi)部及通訊業(yè)技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，國外主要汽車制造商（如寶馬、通用、戴姆勒克萊斯勒等）和半導(dǎo)體公司（如博通、恩智浦、麥瑞半導(dǎo)體等）已經(jīng)推出了一些適應(yīng)車載環(huán)境并符合標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的應(yīng)用層元件，密切關(guān)注并積極推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介入IVN的發(fā)展程度，積極參與討論和制定適用于車載環(huán)境及應(yīng)用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持車載以太網(wǎng)項(xiàng)目的研究并聯(lián)合成立了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織 。如TTAGroup（由TTTech、奧迪、AIRBUS、德爾福、霍尼韋爾、標(biāo)致雪鐵龍等公司組成，致力于推廣時(shí)間觸發(fā)的以太網(wǎng)技術(shù)）、IEEE RTPGE 工作組（RTPG即Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet，IEEE 802.3下的工作組，致力于使用少于3對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)1Gbps的以太網(wǎng)傳輸速度）、AVnu 聯(lián)盟（由博通、思科、哈曼、英特爾、賽靈思組成，致力于推廣IEEE 802.1的Audio Video Bridging/TimeSensitive Networking標(biāo)準(zhǔn)）、OPEN 聯(lián)盟（OPEN即OnePair EtherNet，由博通、恩智浦、飛思卡爾、哈曼等公司組成，致力于推廣博通的一對(duì)雙絞線上100Mbps的以太網(wǎng)傳輸速度技術(shù)BroadrReach）等。然而遺憾的是，這些聯(lián)盟及組織中罕有我國汽車制造商及半導(dǎo)體公司的身影，參與汽車以太網(wǎng)研究的國內(nèi)單位也少有報(bào)道[910]。

3.3技術(shù)潛力與代表成果

當(dāng)前車載以太網(wǎng)研究有三大代表性成果：博通公司的BroadrReach技術(shù)、AVnu 聯(lián)盟的AVB/TSN技術(shù)和TTTech公司的TTEthernet技術(shù)。

（1）2011年博通公司在一對(duì)非屏蔽雙絞線（傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用4對(duì)雙絞線）上重新實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的物理層電氣規(guī)范，支持100Mbps的傳輸速度、25m的傳輸距離和車內(nèi)使用環(huán)境，簡稱BroadrReach技術(shù)。如果IVN全部使用博通以太網(wǎng)技術(shù)，預(yù)計(jì)車內(nèi)互連的成本降低80%，線纜重量減少30%。BroadRReach技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在2014和2015款寶馬X5、2015款捷豹路虎XJ以及2015款大眾帕薩特中。但BroadrReach技術(shù)沒有改變以太網(wǎng)MAC層協(xié)議，高速降低了碰撞機(jī)會(huì)，但延時(shí)的不確定性仍然存在，不易適用于時(shí)間苛刻的領(lǐng)域。

（2）AVnu 聯(lián)盟的AVB/TSN技術(shù)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過保障帶寬、限制延遲、精確時(shí)鐘同步、提供完美的服務(wù)質(zhì)量QoS，以支持響應(yīng)時(shí)間介于時(shí)間觸發(fā)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與異步傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)之間，對(duì)時(shí)間敏感的各種實(shí)時(shí)音/視頻網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用，目前仍處于標(biāo)準(zhǔn)完善中。endprint

（3）TTTech公司的TTEthernet技術(shù)以時(shí)間觸發(fā)機(jī)制和時(shí)鐘同步機(jī)制為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)和沒有實(shí)時(shí)性要求的不同數(shù)據(jù)并行傳輸，同時(shí)也支持安全性和可用性標(biāo)準(zhǔn)，可用于汽車ADAS、車載多媒體以及汽車線控等領(lǐng)域。

4結(jié)語

通過車載實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)研究，不僅可以進(jìn)一步完善汽車電控架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論與方法，開發(fā)車載以太網(wǎng)產(chǎn)品，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而且可以提高國內(nèi)汽車電控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)的水平，最重要的是為汽車智能化、電動(dòng)化和輕量化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)Strategy Analytics的數(shù)據(jù)，車載以太網(wǎng)會(huì)從2016年開始有巨大的增長，預(yù)計(jì)2020年全球車載以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)將達(dá)到1.5億個(gè)，市場潛力巨大，應(yīng)該引起我國科技研究界、汽車產(chǎn)業(yè)界的重視。

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（責(zé)任編輯：何麗）endprint