以太網攝像頭橋接技術在汽車EEA區域架構中的應用分析

【摘" 要】文章總結當前主流的汽車智能輔助駕駛系統中攝像頭視頻數據的主要傳輸方式，分析點對點（P2PP）視頻傳輸方式優勢和不足之處，并和基于IEEE 802.3ch/cy標準的以太網視頻傳輸方式從電子電氣架構、芯片尺寸功耗、傳輸線纜、可擴展性，以及基于時間敏感網絡的傳輸實時性做相應的對比，并針對車載應用場景建立模型，給出相應的仿真結果，最后展望該協議未來發展趨勢及其在今后新電子電氣架構中的應用前景。

【關鍵詞】電子電氣架構；區域架構；P2PP；加解串器；時間敏感網絡；IEEE 802.3

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0001-05

Application Analysis of Ethernet Camera Bridge Technology in Automotive EEA

Zhu Jian

【Abstract】This paper summarizes the main transmission modes of camera video data in the current mainstream automotive intelligent driving assistance system，analyzes the advantages and disadvantages of point-to-point protocol（P2PP） video transmission mode. Compared with the Ethernet video transmission mode based on IEEE 802.3ch/cy standard from the aspects of electronic and electrical architecture，chip size power consumption，transmission cable，scalability and real-time transmission based on time-sensitive network，a model is established for vehicle application scenarios，and corresponding simulation results are given. Finally，the future development trend of this protocol and its application prospect in new electronic and electrical architectures in the future are discussed.

【Key words】electronic and electrical architecture；regional architecture；P2PP；add and unstring；time-sensitive network；IEEE 802.3

0" 引言

隨著全球智能駕駛的快速發展，尤其是視覺方案愈漸成熟，攝像頭得到了大規模的使用，未來每輛支持高級輔助駕駛的車輛都將標配多個攝像頭，這些攝像頭安裝在車身不同的位置，通過視頻鏈路將信號傳輸給自駕計算平臺，由于分辨率高（3M+像素），視頻流數據量大，通常單路視頻流都在1.5Gb/s以上，且由于自動駕駛對傳輸延時要求高，因此還需要考慮到圖像傳輸的實時性。當前業內主流的視頻傳輸方案是通過加解串器（Serdes）來實現的，Serdes主要基于P2PP（Point to Point Protocol）實現攝像頭和域控制器點對點的連接，其數據傳輸速率一般可達到6Gb/s[1]，傳輸延時低。但其存在以下問題：①當前主流Serdes方案都基于各芯片供應商的私有協議，如ADI的GMSL，相互之間無法兼容；②點對點傳輸導致各視頻數據不能在域控制器之間直接共享；③P2PP需要Serdes芯片成對才能傳輸，成本較高；④攝像頭到域控制器的點對點連接線纜長，成本高。基于上述缺點，業內也在一直尋求相應的解決方案，如MIPI Alliance的A-PHY[2]，以及BMW主導的ASA協議[3]，期望統一P2PP的標準，實現視頻傳輸協議之間的互相兼容。但它們依舊是基于點對點的連接方式，整體系統成本較高。因此，行業需要一個統一和標準化的解決方案。

1" 相關的工作

基于上述主流技術方案存在的缺點，2016年IEEE開始起草Multi-Gig物理層協議以滿足4K攝像頭和顯示屏的傳輸要求，并于2020年發布了802.3 ch，協議可支持2.5Gb/s、5Gb/s以及10Gb/s的傳輸速率[4]，并于2023發布802.3cy，可支持高達25Gb/s的數據傳輸速率[5]，目前某些主流的芯片公司已經能提供基于802.3ch協議解決方案[6]。本文對基于802.3ch/cy協議的以太網攝像頭視頻傳輸和當前的P2PP方式做全方位的對比分析，并基于當前智能輔助駕駛系統的視頻傳輸應用場景做了實時性能仿真，最后對該技術在車載視頻傳輸的應用前景作出展望。

2" 技術方案的對比

2.1" 基于Serdes的視頻傳輸

當前汽車電子電氣架構正從以域控制器為中心的架構方式往中央控制器加區域控制器為中心的方式轉變[7]，其典型架構如圖1所示，區域控制器VIU通過各區域節點通信網絡傳輸來自各種傳感器和執行器的數據，并通過主干網將合并的傳感器/控制數據轉發到中央計算平臺。同樣，VIU也從中央計算系統接收數據，并轉發到相應的執行器[8]。這種中央計算系統與區域控制器VIU之間的雙向通信需要一個高帶寬和低延遲的通信主干，以處理高級駕駛輔助系統ADAS、IVI、車輛控制等功能生成的大量數據。

視頻傳輸由攝像頭側數據（CSI-2）通過Serilizer（加串器）將數據轉換成P2PP格式傳輸到接收端，另一側接收端通過Deserilizer（解串器）將信號恢復成 CSI-2格式進入ADAS處理器，SOC對視頻流進行處理，以及視覺感知、多傳感器融合等。

該傳輸方案有如下不足。

1）P2PP協議為各芯片廠私有協議，如當前主流的GMSL、FPDLink、APIX，導致攝像頭端和控制器端Serdes芯片必須保持一致，可替換性差。

2）點對點的傳輸方式導致視頻流不能直接在IVI和ADAS計算平臺之間共享，不利于應用的擴展。

3）成本方面，芯片數量多，車上各攝像頭都需直接和ADAS計算平臺相連接，線纜較長，增加質量，且影響整車布線。

隨著車載IEEE 802.3ch/cy技術成熟，部分廠家開始考慮使用以太網代替Serdes來傳輸視頻，如Marvell等。本文基于用以太網取代Serdes方案做全方面對比，并對其實時性能做出仿真和可行性分析。

2.2" 基于以太網的視頻傳輸

基于以太網橋接的攝像頭視頻傳輸方案見圖2，其攝像頭和計算平臺之間的連接方式如圖3所示。

1）攝像頭數據通過以太網Bridge轉換成T1，就近連接到相應的VIU，有效減少了線纜的長度。

2）VIU內部的Switch芯片將視頻流以及其他執行器相關的控制信號通過10/25GBase-T1轉發到中央網關，其帶寬可充分滿足多路視頻數據同時傳輸的要求。

3）視頻流都經過中央網關轉發到各個計算平臺做下一步的處理，該方式可直接實現視頻數據的共享。

考慮到視頻流延時對輔助駕駛功能的影響，整個傳輸過程視頻數據不做任何壓縮、解壓縮處理。對比可見，基于以太網絡的視頻傳輸方式實現了傳輸的標準化，該架構下，車內高速數據的傳輸全部通過以太網實現，各網絡節點處除了由于速率不一致導致的物理層不一樣，其他相關的開發皆可按照標準網絡協議進行，軟件、測試都可以復用，同時有效減少了線纜長度。

2.3" 線纜使用對比

對于高速傳輸線纜，衡量其最重要的性能參數為線纜的插入損耗。以10Gb/s為例，標準推薦傳輸線纜主要采用STP方式，同等線纜長度（10m）下，對線纜插損限值要求如下[9]：

而GMSL（以12Gb/s為例）的推薦限值如下[10]：

由于802.3ch和GMSL物理層都采用PAM-4編碼方式，所以即使按照最大數據傳輸速率，通道的帶寬（奈奎斯特頻率）也不超過3.5GHz。對比兩者在同樣頻率下，802.3ch的插損限值更低，如圖4所示，因此可以采用線徑更細、成本更低的線纜，并且由于采用以太網橋接方式，線纜大大縮短，性能更優。此外，802.3ch并不排斥使用同軸電纜[11]，將來的以太網Bridge也可以和當前P2PP同樣采用Coax線纜，以獲得更優的成本。

2.4" 對遠端供電方式對比

當前Serdes基于PoC（Power over Cable，電纜供電）方式來遠端供電，對于艙外攝像頭，其最大工作電流通常不超過300mA，其典型的連接如圖5所示。考慮其對高速信號的影響，一般會由濾波電路阻止高頻信號，通常該PoC濾波電路由3個電感組成，尺寸較大[12]。PoDL（Power over DataLink，數據線供電）電路如圖6所示。

IEEE 802.3bu定義了支持通過PoDL方式給遠端設備供電[13]，其電氣規格見表1，它可以充分滿足車載攝像頭的供電要求，此外，802.3ch也可以采用PoC方式來給遠端供電。相較于P2PP方式，其選用器件將減少，器件也會更小，可有效降低成本和占板面積[14]。

2.5" Bridge芯片尺寸以及功耗對比

Bridge芯片將來會集成到攝像頭模組中，考慮到攝像頭尺寸緊湊以及散熱限制[15]，橋接芯片尺寸和功耗都需要盡可能小，且Bridge芯片通常緊貼圖像Sensor，其溫度過高會導致Sensor輸出圖像品質降低。目前在5Gb/s情況下，實測基于802.3ch的Bridge芯片功耗lt;0.2W[11]，和當前的加串器芯片功耗接近[1]。另外，802.3ch物理層標準為全雙工高速通信，因此其內部設計當前包含了回音消除和ADC/DAC電路，而攝像頭視頻的傳輸為非對稱傳輸，只有下行需要高速率，因此將來橋接芯片可以將回音消除和ADC/DAC電路移除，芯片成本和面積都將減少，這將非常有利于將橋接芯片集成到攝像頭模組中。

2.6" 實時性能仿真

本仿真模型基于OMNeT++的集成開發環境IDE和仿真內核，其包含的Core4INET提供了實時以太網通信的仿真模型，它使用了INET框架中的以太網層，仿真輸入使用OMNeT++的*.ini和*.ned文件來描述車輛網絡，并使用特定語言（DSL）ANDL來建模網絡。

本文基于將來的EE中央+區域架構進行建模，如圖7所示，并采用其中TSN主要車載相關的規范進行仿真和對比。該模型以中央網關為中心，4個區域控制分別位于車身不同位置，相應的傳感器和控制器就近接入4個區域控制器，相應的傳感器信號和控制器信號分別通過區域控制器到中央網關，進而給到ADAS計算平臺和車身控制計算平臺，主要信號流以及相應的網絡配置見表2。

主要數據流如下。

1）Camera/Radar Sensor → ADAS計算平臺。

2）控制數據包含兩部分：①ADAS → Camera/Radar，用于傳感器的配置以及診斷等；②Vehicle_ Ctrl → FL/FR/RL/RR_Ctrl，即整車對各個區域執行器的控制。

各個視頻/數據流需根據相應的場景考慮以太網Payload和發送時間間隔之間的平衡，且要保證每幀圖像的傳輸時間盡可能短。保障低延時，Payload不能太大，這就需要增加發送頻率，然而減少發送數據時間間隔雖然會改善相應的Latency，但是占用帶寬太大，這樣會導致其他數據流的延時增加。

本仿真中分別采用IEEE 1722、802.1AS（gPTP）、802.1Qat、802.1Qav等時間同步和流量濾波整形協議，其主要仿真結果見表3。

從結果上看，該時延滿足TSN/AVB Gen2的Latency目標值100μs的要求[13]，也能滿足自動駕駛中250μs[16]的延時要求。其數據包的延遲（jitter）隨著傳輸時間的增加，最終穩定在數十微秒以內。為了滿足更低的延時和抖動要求以及確定性要求，后續將在現有模型中引入802.1Qbv以及802.1Qch協議并考慮車內實際應用場景，引入更多非周期性的數據流做進一步的仿真，同時將基于實際的硬件和網絡拓撲做相關的測試。

除了時間同步和實時性方面，TSN還有其他相應的協議來滿足車載網絡的可靠性和安全性要求[17]，如802.1Qca、802.1CB和802.1AEcg（MACSec）等。以太網作為過去30年來在各行各業最為廣泛應用的網絡通信技術，其技術最為成熟和完善，相信其在汽車行業同樣也會大放異彩。

3" 總結

綜上，基于以太網橋接的攝像頭視頻傳輸方式相比于當前的P2PP方式，從標準化、技術成熟度以及可擴展性和開發工作量方面有顯著優勢，表4羅列了當前主流的車內視頻傳輸技術以及主要的參數對比。雖然從單芯片成本看，和主流的Serdes芯片相比優勢不明顯，但從系統總體成本上看優勢明顯，如芯片總數量的減少、線纜長度減少和質量的減輕，以及未來標準化帶來的成本優勢。值得一提的是，2023發布的ASA2.0協議也確定將集成基于802.3標準的PHY，并將可以無縫接入將來以以太網為主的Zonal架構中。由此可見，以太網是實現車內統一通信規范的自然選擇，在未來電子電氣架構上有廣闊的應用前景。

4" 展望

當前基于IEEE 802.3協議都是基于對稱傳輸的方式，即上行和下行的速率一樣，但實際車載的應用場景卻是非對稱的方式，如攝像頭和ECU之間，下行視頻數據速率高，而上行數據主要為攝像頭配置的信息，所以傳輸速率較低。對此，在2024年4月，IEEE ISAAC（Improved Support of Asymmetrical Application for MGbps Ethernert Cameras）任務研究小組針對以太網這種車內的非對稱傳輸方式制定相應的標準，并命名為IEEE 802.3 dm，其主要協議內容是為汽車攝像頭和其他傳感器提供一個優化的電氣物理層，以支持汽車以太網的高數據速率和低延遲需求。與此同時，相關的芯片廠家和部分整車廠也已加入該組織參與該標準的制定，并提出一系列針對未來應用場景的需求和考慮，如高通、Marvell提出了一系列優化建議，法雷奧和通用汽車都提出將來的攝像頭Bridge的下行數據速率要達到10Gb/s以上，大陸汽車提出了統一化的汽車區域電子電氣架構。相信隨著802.3dm標準的制定和成熟，該技術標準有望在下一代整車電子電氣架構中得到落地。

參考文獻

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