通信架构产业链
早期汽车采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系。每一路信号传递都需要一根电缆连接交换数据，导致每一个ECU 都需要N 个接口，有些ECU 的接口数会是十几个甚至三十几个，形成庞大的布线系统。这引发了车辆空间占用、车重、成本、系统复杂度以及不稳定性等一系列问题。以CAN 为代表的现代总线出现以后，硬线连接大大减少，有效降低了系统、零部件设计的复杂度和开发成本，驱使整车企业与零部件供应商之间形成标准化协议。总线作为一种车辆网络拓扑结构，是车上所有电子和电气部件互联结构的线束表现，直接影响到控制器功能的分配、数据网络的规划，犹如汽车的神经。目前汽车上普遍采用的汽车总线主要有控制器局域网CAN，局部互联协议LIN，高速容错网络协议FlexRay, 用于汽车多媒体和导航的GMSL、MOST、A2B 和车载以太网等。另外，当然也有传输带宽达到12Gbps 以上的SerDes 总线，也称LVDS 总线，主要应用于音频、视频信号的传输。随着车辆应用交互场景的增加，越来越多的传感器、控制器对总线带宽的要求越来越高，车内不同电子器件间和不同区域之间彼此通信的需求也越来越高，这些复杂性直接导致了对总线使用上的增长。然而，几乎每个汽车电子器件都有其特定的线缆和通信要求，这必然导致车内总线布线复杂性，车内线束已成为继引擎和底盘之外车内第三大成本支出的部分，生产环节中布置配线的人工成本占整车的50%，车内线束重量也是继底盘和引擎之外占第三位重量要素。“智能驾驶、智能座舱、智能网联”的趋势下，车载通信网络向着“高速、低延时、安全、互联”的方向演进。车载以太网依托单线对非屏蔽双绞线的传输介质，使用更小巧紧凑的连接器，其可减少高达80%的车内通信连接成本和高达30%的车内布线重量。为此，得到汽车与通信行业技术人员、汽车制造商与半导体公司的广泛关注，成立了OPEN、AVnu、IEEE、AUTOSAR 等联盟和标准化组织，致力于车载以太网推广与使用，积极讨论制定适用于车载环境及应用的以太网标准，支持车载以太网技术应用与发展。当然，汽车是一个既传统又现代的产品，现阶段以车载以太网完全替代传统总线是不实际的。对于典型的控制任务，基于信号的方法经历了近三十年的测试和验证。所以，基于服务的通信与基于信号的通信将在车内并存。咨询公司弗若斯特沙利文公司（Frost & Sullivan）预测，到2025 年，车载以太网的市场渗透率将增加至80%。传统的车身总线CAN/LIN/FlexRay/MOST 芯片，通常称收发器器件，负责车载总线信号的转换，在主机内部，转换成标准的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）、UART（Universal Asynchronous Receive Transmitter，通用异步接收/发送装置）或专用的总线低电平低压信号，实现主机系统和车身网络、传感器网络等信息交互。该类收发器芯片，主要以国际巨头恩智浦、TI（德州仪器）等为主，占据了市场90%以上的份额。芯力特电子科技有限公司围绕智慧电网、车联网等物联网进行相关芯片技术攻关，继成功研发CAN FD 收发器芯片SIT1042 后，芯力特电子再次打破国外垄断成功量产42V 耐压LIN 收发器芯片SIT1021。串行-解串器芯片，主要通过LVDS 信号实现音视频图像的数据传输，如摄像头信号传输，图像显示信号传输等，具有高带宽、低延时、无压缩等特点。目前占有率最高的是美信公司的GMSL 和TI 公司的FPD Link，几乎覆盖了市场80%以上份额。以太网芯片，主要包括PHY 和Switch 芯片（交换芯片），将车载以太网总线100Base-T1、1000Base-TI 转换成标准低压的SGMII、RMII 等以太网MAC 接口。在以太网通信芯片领域，以太网芯片市场规模庞大，而且比较稳固，目前主要以博通（Broadcom）和美满电子（Marvel）为行业领头羊，技术领先，占据大部分市场，但恩智浦（NXP）、TI（德州仪器）、Microchip、Realtek（瑞昱）等多家公司也已布局，以更优的性价比占据一定市场份额。车载以太网PHY 芯片的主要供应商有Marvell、Broadcom、Microchip、Realtek 和NXP。Marvell 与Micrel（麦瑞半导体）在2012 年就发布了全球首款完全符合IEEE 802.3 标准的用于车载网络的以太网实体元件，最高可支持100Mb/s 的速率。Micrel 推出的以太网物理层芯片支持高达125 ℃ 的环境温度，而且针对汽车市场的需求加强了ESD 保护（静电保护）。2019 年1G 的车载以太网PHY 芯片开始量产。在CES 2019，Marvell 推出了1000BASE-T1 汽车以太网物理层（PHY）收发器Marvell 88Q2112，符合IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 标准草案要求。2020 年11 月，Broadcom 宣布推出的BCM8989X 是业内第一个对应NGBase-T1 标准的多G 车载PHY 芯片。而10Gbps 车载PHY 芯片当前仅有Aquantia（已被Marvell 收购）的AQV107。交换（Switch）芯片的供应商主要是Marvell、Broadcom、NXP 和Realtek。Continental（大陆）旗下子公司Elektrobit 与Marvell 联合打造了一款车载以太交换芯片，型号为88Q5050，用于英伟达最新旗舰Pegasus，这也是基于TSN（Time-Sensitive Network，时间敏感网络）的首次实际应用。NXP 的LS1028A 工业应用处理器内置了TSN 转换器和TSN 终端模块。TI 的Sitara 处理器、Renesas Electronics（瑞萨）的RZ/N1D 处理器支持TSN 标准。NXP 和ADI（亚德诺半导体）也推出了专用TSN 交换芯片。Xilinx（赛灵思）等FPGA（现场可编程逻辑门阵列）厂商，也提出了基于FPGA 的TSN IP 核心解决方案。在可以预期的未来，基于TSN 的以太网MAC（介质访问控制）将被普遍集成到各类嵌入式SoC芯片中。2022 年9 月工信部工业互联网产业联盟公布最新“时间敏感网络（TSN）产业链名录计划”，其中东土科技刚刚发布的中国首颗自主设计的TSN 芯片—KD6530，成为首款进入该名录的TSN 芯片。东土科技车规级时间敏感网络交换芯片可在车载以太网网关或车载多媒体网关等车内通信网络中使用。这标志着国产芯片正式进入TSN 商用领域，打破该领域长期被欧美企业垄断的格局。飞思卡尔（NXP 旗下）是中央网关芯片的领导者，在2008 年量产第一代以太网诊断的网关控制器MPC5667，并用在当年宝马5 系和7 系上。2013 年量产第一片带EAVB 网关的芯片MPC5604e，并用在宝马X5 的360 环视上。第四代MPC574x 系列，以MPC5748G 为最高级配置，拥有多达8 个CAN 接口。TSN 以太网交换机是车载网络解决方案的关键组成部分。Elektrobit（EB）于2021 年11月宣布推出业界首款能够实现安全、高性能车载网络通信的车载以太网交换机固件。据Elektrobit（EB）介绍，EB zoneo SwitchCore 现可用于行业领先硬件供应商的交换机，并已在量产电动汽车中得以应用。EB zoneo SwitchCore 增加了智能模块的固件，能够满足增强车辆可扩展性、功能安全和信息安全的要求；提供高级网络管理和网络安全功能，例如路由、网关、防火墙以及网络入侵检测和防御系统。Cisco（思科）IE4000 系列TSN 交换机提供高带宽交换（第2 层）和经过验证的基于CiscoIOS 软件的路由（第3 层）功能，使用思科弹性以太网协议（REP）提供高度安全的访问并且支持工业协议，具有更高的整体性能、更大的带宽、更全面的功能集和增强的硬件。Belden（百通）2017 年发布的模块化管理的赫斯曼（Hirschmann）交换机类型RSPE35和RSPE37 可针对TSN 技术进行升级。RSPE35 和RSPE37 版本支持符合IEEE 1588-2008 的精确时间协议（PTP），并具有FPGA 模块，可以实现基于硬件的选择性冗余机制，如高可用性无缝冗余（HSR）、并行冗余协议（PRP）。MOXA（摩莎）推出两款TSN 交换机TSN-G5004 和TSN-G5008，采用紧凑型设计，配有用户友好配置界面的全新Moxa web GUI，简化了网络部署。支持IEEE 802.1 AS，IEEE 802.1Qbv 等TSN 协议，并将进一步提供对其他TSN 协议的支持。TTTech 推出的PCIE-0400-TSN 网卡是基于FPGA 的超薄型千兆以太网接口卡，支持IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE802.1Qbu、IEEE 802.1Qcc 等标准，用于将工控机连接到符合IEEE 802.1TSN 的网络，具有四个10/100/1000 Base-T 以太网端口，可用于从生产层到IT 层的融合网络中构建确定性控制应用。近年来，国内厂商对TSN 技术的关注度持续提高，积极推进TSN 相关网络设备的研发和应用。2017 年起，包括华为、东土科技、研华、新华三在内的多家通信设备厂商已经研发出或正在研发TSN 相关网络设备，包括交换机、网关及通信模块。研华公司于2020 年发布了EKI-8500G 工业级TSN 以太网交换机，采用TSN 专用芯片设计，具备8 个千兆RJ45 端口+ 2 个千兆SFP 端口。支持IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbu、IEEE802.1Qbv 和IEEE 802.1CB 等TSN 协议。东土科技推出两款TSN 交换机SICOM3000TSN、SICOM3028TSN 及基于SDN（软件定义网络）的时间敏感网络交换机的组网管理配置平台，具有IEEE802.1Qbu、IEEE802.1Qbv、IEEE802.1Qci、IEEE 802.1Qch、IEEE 802.1Cr 等协议功能模块。华为2018 年首次展出的中国国内第一款TSN 交换机样机，支持IEEE 802.1AS 和IEEE1588v2 时钟同步协议，支持IEEE802.1Qbv（门控调度）、IEEE802.1Qbu（帧抢占）、IEEE802.1Qci（流过滤）、IEEE 802.1CB（无缝环网冗余）等TSN 协议。同时打通了OPCUA 至TSN 协议栈，并可通过YANG 模型从网络控制器对网络中TSN 交换机进行集中配置。新华三（H3C）推出两款TSN 工业交换机IE4320-10S-UPWR、IE4320-10S，同时支持基于SDN 的时间敏感网络交换机的网络管理配置平台， 目前已支持IEEE802.1AS 、IEEE802.1Qbv、IEEE802.1Qcc 等TSN 特性，具体性能为：转发延时最低小于10us 秒，时延抖动最高指标能达到正负2us 内，802.1Qbv 门控精度可达到ns 级。中国电子技术标准化研究院和华中科技大学／国家数字化设计与制造创新中心联合搭建的TSN 测试床，包含当前主流的TSN 交换机设备和终端设备，用于进行TSN 设备的兼容性测试、互操作性测试，面向典型应用场景的网络配置和性能测试。在兼容性和互操作性测试方面，目前主要针对IEEE802.1AS、IEEE802.1Qbv 和IEEE802.1Qcc 的核心内容进行测试。在网络延迟和抖动等性能测试方面，主要参照正在制定中的IEEE60802 标准，对8 种类型网络流量的的QoS 进行测试。总体而言，目前TSN 产业初具规模，产业链包括了科研机构、标准化机构、芯片厂商、设备厂商、应用厂商和测试厂商。TSN 产品主要包括芯片、交换机等终端设备以及测试床。从TSN 产业发展看来，国内外差距明显。大部分的TSN 芯片厂商和设备厂商为国外企业。国内厂商主要以开发TSN 交换机为主，但数量远远不及国外厂商。
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