新能源汽車車內實時以太網技術發展綜述

晏欣煒+周奎+朱政澤+王思山+周海鷹

摘要：

汽車產業正朝智能化方向發展，對汽車電控系統的網絡架構與通信能力提出了挑戰。具有高帶寬、高實時、高安全性和高可靠性的車內實時以太網技術作為下一代車載網絡的發展方向，受到廣泛關注。分析了現有國內外新能源汽車車載網絡技術（In-vehicle Network， IVN）的發展現狀，闡述了車載網絡在帶寬壓力及高可靠性需求下面臨的挑戰，討論了未來以太網技術結合汽車產業的發展趨勢，最后指出進一步完善汽車電控架構設計，開發車載以太網產品，制訂相關標準規范的必要性。

關鍵詞：車載網絡技術；汽車電控架構；汽車智能化；實時以太網技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.173318

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：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

發展新能源汽車既是有效緩解能源和環境壓力，也是推動汽車產業可持續發展的緊迫任務。中國頒布了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》，將“節能與新能源汽車”納入《中國制造2025》的戰略任務和重點突破領域。盡管中國新能源汽車產業發展較快、初具規模，但作為新能源汽車三大核心技術之一的電控系統尚未取得突破，相關的技術標準、協議專利及核心零部件仍由國外企業壟斷，新能源汽車的成本居高不下，產業的盈利水平和競爭能力難以持續與國外企業抗衡[1]。

目前，汽車技術正沿著智能化、輕量化、電動化的方向發展，汽車影音娛樂、主動安全、智能駕駛與智能網聯等新興業務正在或即將涌現。智能化與電動化以及新興業務的出現，要求電控系統網絡化，支持高度的系統集成和分布式實時控制，這對電控系統的網絡架構和通信能力提出了挑戰，迫切需要車載網絡架構（IVN）具有高帶寬、高實時、高安全性、高可靠性的品質，提供支持分布式實時通信與控制高效可靠的車載總線協議、信息安全體系及容錯保障機制[2]。

1國內外新能源汽車IVN技術現狀

1.1電控系統技術來源及構成

電控系統最早由德國博世（Bosch）公司基于降低油耗、提高燃油經濟性、降低排放量、達到（美國加州）政府廢氣排放標準，于1967年成功引入汽車。現在的汽車電控系統通常由傳感器、ECU（Electronic Control Unit，控制器）和執行器組成；傳感器用于采集汽車內外的狀態信息，控制器中的程序能接收處理來自傳感器的數據，并給執行器發送指令，執行器能根據指令對相應汽車狀態作出調整。

1.2電控系統技術演化及特征

早期的電控系統采用點到點的通信技術，電控系統內部的ECU、傳感器、執行器之間，以及不同電控系統之間均需專線連接，這種通信技術下的IVN架構如圖1所示，汽車上線束在重量、體積、成本等方面所占比重高，布線和網絡維護工作量大。

圖1點到點通信下車內線束及IVN拓撲結構

由于存在多個ECU需要相同傳感器信息的情況，為了減少傳感器數量，同時降低線束給汽車帶來的重量、體積、布線和維護壓力，降低汽車成本，20世紀80年代出現了多路通信技術，IVN架構呈現多種總線共存的局面，如圖2所示，有代表性的總線協議有CAN、LIN、FlexRay、MOST，此類汽車電控系統硬件結構如圖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下的IVN架構，這是一個支持分布式實時控制的網絡架構[45]。

2國內外新能源汽車IVN技術面臨挑戰

“能源、污染、擁堵、安全”是汽車產業的四大公害。如果說“能源、污染”導致了新能源汽車產業的出現，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、節能”是客戶的需求，也是新能源汽車的發展目標。在客戶需求和新興汽車電子技術的助推下，車載影音娛樂、主動安全、無人駕駛等業務正走向新能源汽車，智能網聯帶來的車內車外無線互聯互通正變成現實（見圖4），新能源汽車IVN面臨嚴峻挑戰[67]。

2.1帶寬壓力

主動安全、無人駕駛等業務不僅需要更多、分辨率更高的傳感器，而且需要ECU之間有更多的協同交互；智能網聯下從車外進入IVN的通信數據更有顯著增加，表2給出了2020年后IVN通信帶寬需求預測。在此預測下，當今作為IVN骨干網絡的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，更高帶寬的通信協議支撐。

2.2安全可靠性壓力

安全可靠性壓力表現在功能可靠性壓力和信息安全性壓力兩個方面。車內車外互聯大大增加了IVN遭受外部信息安全攻擊的危險，如圖5所示。針對IVN的信息安全攻擊，輕則減少了客戶“舒適、高效”的駕乘感受，重則會造成安全事故，帶來生命危險，如表3所示。由于歷史原因，現有IVN總線協議都缺少信息安全機制。當大量的主動安全、無人駕駛技術引入汽車后，這些安全關鍵（safetycritical）的電控系統急需IVN架構提供容錯通信能力：如能容忍電路失效、線路故障，冗余部件無縫自動切換、錯誤遏制等，現有IVN協議及其架構冗余通信能力有限，電控系統的可靠性難以保障。

2.3靈活性壓力

在IVN上增加、刪除、更換結點時，基于協議原因，相關部件需要作程序的修改、刷新、測試，帶來了汽車維修和個性化生產的高投入、高成本；多總線共存造成支持IVN內部互聯互通的協議棧設計復雜，擴展性、開放性有限。IVN亟需引入支持自適應、熱插拔的網聯架構。

3國內外新能源汽車IVN技術發展趨勢

針對新能源汽車IVN架構面臨的通信帶寬、安全可靠性以及架構靈活性等挑戰，汽車行業內外都把研究的焦點集中到被廣泛使用的以太網技術上，基于以太網的IVN技術正成為IVN技術的發展趨勢。

3.1技術缺陷與應用

采用以太網為底層協議的TCP/IP參考模型在局域網中的巨大成功，使得以太網技術在網絡互聯中得到了廣泛應用；但以太網技術也有不足，最為詬病的是其MAC層訪問控制協議CSMA/CD，其MAC機制和沖突退避算法會導致信息傳送的滯后和延時的非確定性，以及結點通信的不公平性，影響通信的實時性。在工業自動化領域，通過實施一系列控制碰撞的措施，響應時間介于5～10ms的工業以太網技術（如ProfiNet、EtherNet/IP、ModbusIDA）和響應時間小于5ms的實時以太網技術（如Ethernet PowerLink、ProfiNetRT、EtherCAT）已經獲得了廣泛應用[8]。

3.2技術發展與趨勢

近兩年來，選用以太網技術作為下一代IVN架構的發展方向受到了汽車行業內部及通訊業技術人員的廣泛關注，國外主要汽車制造商（如寶馬、通用、戴姆勒克萊斯勒等）和半導體公司（如博通、恩智浦、麥瑞半導體等）已經推出了一些適應車載環境并符合標準以太網的應用層元件，密切關注并積極推動標準以太網介入IVN的發展程度，積極參與討論和制定適用于車載環境及應用的以太網標準，支持車載以太網項目的研究并聯合成立了一些行業標準組織 。如TTAGroup（由TTTech、奧迪、AIRBUS、德爾福、霍尼韋爾、標致雪鐵龍等公司組成，致力于推廣時間觸發的以太網技術）、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對雙絞線實現1Gbps的以太網傳輸速度）、AVnu 聯盟（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標準）、OPEN 聯盟（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雙絞線上100Mbps的以太網傳輸速度技術BroadrReach）等。然而遺憾的是，這些聯盟及組織中罕有我國汽車制造商及半導體公司的身影，參與汽車以太網研究的國內單位也少有報道[910]。

3.3技術潛力與代表成果

當前車載以太網研究有三大代表性成果：博通公司的BroadrReach技術、AVnu 聯盟的AVB/TSN技術和TTTech公司的TTEthernet技術。

（1）2011年博通公司在一對非屏蔽雙絞線（傳統以太網使用4對雙絞線）上重新實現了以太網的物理層電氣規范，支持100Mbps的傳輸速度、25m的傳輸距離和車內使用環境，簡稱BroadrReach技術。如果IVN全部使用博通以太網技術，預計車內互連的成本降低80%，線纜重量減少30%。BroadRReach技術已經應用在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技術沒有改變以太網MAC層協議，高速降低了碰撞機會，但延時的不確定性仍然存在，不易適用于時間苛刻的領域。

（2）AVnu 聯盟的AVB/TSN技術在傳統以太網絡的基礎上，通過保障帶寬、限制延遲、精確時鐘同步、提供完美的服務質量QoS，以支持響應時間介于時間觸發的實時網絡與異步傳輸的以太網之間，對時間敏感的各種實時音/視頻網絡多媒體應用，目前仍處于標準完善中。endprint

（3）TTTech公司的TTEthernet技術以時間觸發機制和時鐘同步機制為基礎，實現了硬實時、軟實時和沒有實時性要求的不同數據并行傳輸，同時也支持安全性和可用性標準，可用于汽車ADAS、車載多媒體以及汽車線控等領域。

4結語

通過車載實時以太網技術研究，不僅可以進一步完善汽車電控架構設計基礎理論與方法，開發車載以太網產品，制訂相關標準規范，而且可以提高國內汽車電控系統研發設計的水平，最重要的是為汽車智能化、電動化和輕量化發展奠定基礎。

根據Strategy Analytics的數據，車載以太網會從2016年開始有巨大的增長，預計2020年全球車載以太網結點將達到1.5億個，市場潛力巨大，應該引起我國科技研究界、汽車產業界的重視。

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（責任編輯：何麗）endprint