汽车以太网技术演进，为自动驾驶铺平道路
2024-04-09
随着科技的不断发展，自动驾驶汽车正逐渐成为现实。而要让自动驾驶成为普遍可行的选择，一个关键的原因在于汽车所需的大量数据和信息的传输。汽车以太网作为一种重要的车联网技术，正逐渐成为汽车行业关注的焦点。通过技术的不断演进更新，汽车以太网将越来越符合自动驾驶的需求。AUTOSAR 是开放和标准化的汽车软件体系结构。它由汽车制造商、供应商和工具开发商联合开发完成。AUTOSAR 包括在汽车中使用的 TCP/ IP 协议模型。汽车行业已经达成一致，同意将 AUTOSAR 确立为标准，各家汽车制造商将在实施标准层面展开竞争，而不必再对标准本身提出争议。该标准实施将使多个设备可以在一个共享网络上无缝运行。Broadcom 开发了BroadR-Reach 作为专有物理层标准，支持更长距离的 100 Mbps 铜缆以太网连接。该标准在物理层上采用了千兆以太网铜缆技术，包括多电平 PAM-3 信令和更好的编码方案，减少了电缆所需要的带宽。它还使用了回声消除器，实现在一对线缆中双向传输数据。这个标准的带宽为 27 MHz，比 100Base-T 标准 62.5MHz 的带宽小，因而达到了汽车 EMI 要求。OPEN SIG 开发了一个获得许可的开放标准，并得到汽车市场主流厂商的支持。业界已经认识到 100 Mbps 对于视频传输已经足够，但它还不足以充当汽车中的骨干网，特别是无法满足 ADAS 和自动驾驶系统的需求，为此 IEEE 802.3 工作组（ 802.3bp）成立了一个小组，其任务是定义通过一对双绞线实现 1000 Mbps（1 Gbps）数据速率的新标准。这个千兆位以太网物理层标准被称为 1000Base-T1（1 代表 1 对）。有些汽车算法要求多个传感器同时采样，或者将执行某项测量的时间作为参考时间。由于这些测量是在不同的节点中进行，因此汽车中的所有节点必须做到亚微秒级的精确时间同步。用于桥接局域网中时间敏感型应用的 IEEE 802.1AS 计时和同步标准已被选作同步计时标准。该标准使用了 IEEE 1588 v2 的配置文件，并引入了一种简化的方法来更快选择主时钟。一些时间敏感型控件要求通信延迟在 1 微秒之内，以便控制器可以快速获得传感器读数或是控制对时间要求极为严格的功能。在传统以太网中，数据包必须逐个传输，即使达到千兆位的速度，传输一个数据包也需要几百微秒。IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）工作组正在开发一个系统来解决这个问题，其中高优先级的数据包（称为 Express 数据包）可以中断现有数据包的传输过程优先进行传输，当它传输完毕后，被中断的数据包再继续进行传输。ADAS 主要依赖从摄像头和其他传感器及时获得数据。当在计算机上观看视频时，可以使用缓冲方式来解决网络计时不可靠的问题，但汽车 AV 系统不能这样，它需要同时控制延迟和保证带宽。时间敏感网络任务组制定了相应的规范，支持时间同步的低延迟数据流业务。车载以太网工程师需要处理常见的高频电路板设计问题，包括信号噪声、信号质量、串扰、反射、阻抗匹配和直流电源完整性。为了确保成功实施和可靠运行，车载以太网还需要对物理层、协议、一致性、安全性和线束执行全面的测试。物理层一致性测试有三个测试点：发射机及协议触发和解码；链路分段，包括线束和连接器；接收机。收发信机测试与其他高速数字标准的物理层表征解决方案相似。工程师必须选择一个包含协议触发与解码软件包的测试解决方案，此软件包将查看数据流量和协议层动态，从而节省调试早期设计的时间。所有必需的一致性测试都需要在设置、配置和报告阶段中预先打包，以便设计人员可以专注于他们的核心任务，按期完成工作。功能强大的 100Base-T1 接收机（RX）一致性测试应用软件应能自动配置所有必需的测试设备，简化并加快整个测试过程。该软件还提供比特误码率测试（BERT 或 BER 测试）。• 生成 HTML 格式且可打印输出的合格/不合格测试报告，报告中还包含裕量分析结果一个完整的链路分段一致性测试解决方案需要支持电缆测试、连接器测试、通信信道测试、连接器串扰测试，以及跨越整个通信信道的串扰测试。车载以太网不仅仅需要物理层测试。验证解决方案还需要更高层的测试方法，包括汽车TCP/IP 协议模型、时间同步（IEEE 802.1AS）、音频视频桥接传输（802.1Qav）以及预定的流量传输（IEEE 802.1Qbv）协议实施。下图显示了完整的车载以太网协议模型。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，汽车以太网将能够满足自动驾驶对于高速、低延迟、高可靠性和实时性的需求。同时，也更重视网络安全和数据隐私的保护，在推动自动驾驶的同时，确保车辆和乘客的安全。让我们共同期待自动驾驶技术在未来的落地和广泛应用！
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