為什么要用車載以太網，為什么不用傳統以太網？

奧迪A8是第一款稱為L3級自動駕駛的汽車，擁有多個第一，包括第一個使用激光雷達，第一個使用域控制器，第一個使用車載以太網做骨干網的運算架構。即便如此，奧迪A8仍然不能算嚴格意義上的L3級自動駕駛。毫無疑問，未來L3級自動駕駛的汽車將把域控制器、以太骨干網、Autosar和激光雷達作為標配。而域控制器、以太骨干網、AUTOSAR（特別是新出的自適應AUTOSAR）和激光雷達的核心是以太骨干網，以太骨干網是其他三者存在的基礎。

上圖為典型的汽車網絡架構

上圖是未來汽車網絡架構，以太骨干網、域控制器是核心

上圖是英特爾的無人車運算平臺，也是應用了以太骨干網

車載以太網最重要的應用就是域控制器。

域控制器加AUTOSAR，不僅可以共享硬件軟件通訊資源，還可以大幅度提高軟件集成度，提高基礎軟件的可復用性，廠家只需要關注應用層軟件即可。

為什么要在汽車上用以太網

為什么要在汽車上用以太網？除了域控制器，激光雷達，這些需要帶寬和全新運算架構，還有一個就是降低成本的需求。傳統的汽車總線如下圖。

目前車內常見的總線包括LIN（車身領域）、CAN、PSI5（主要是氣囊）、CAN-FD（高速CAN）、MOST（大眾汽車的信息娛樂系統）、Flexray（德系豪華車的底盤系統與輔助駕駛系統）、FPDLINK（360全景系統）。2010年后汽車電子爆發，ECU數量，ECU的運算能力需求都呈現爆發式增長，在ADAS時代和即將到來的無人駕駛時代講更加明顯，同時對運算帶寬的需求也開始爆發。這造成汽車電子系統成本大增，一方面是ECU系統數量和質量的增加，由于是分布式計算，大量的運算資源被浪費了，由此產生的成本增加大約300-500美元，如果沿用目前的電子架構體系，產生的成本增加最少也是1000美元。

另一方面是線束系統。一輛低端車的線束系統成本只要大約300美元，重量大約30公斤，長度大約1500米，線束大約600根，1200個接點。而目前一輛豪華車的線束系統成本大約550-650美元，重量大約60公斤，線束大約1500根，長度大約5000米，3000個接點。如果沿用目前的電子架構體系，無人車時代的線束成本不會低于1000美元，重量可達100公斤。車載以太網使用單對非屏蔽電纜以及更小型緊湊的連接器，使用非屏蔽雙絞線時可支持15m的傳輸距離(對于屏蔽雙絞線可支持40m)，這種優化處理使車載以太網可滿足車載EMC要求。可減少高達80%的車內連接成本和高達30%的車內布線重量。100M車載以太網的PHY采用了1G以太網的技術，可通過使用回聲抵消在單線對上實現雙向通信。

以太網供電PoE技術于2003年推出，可通過標準的以太網線纜提供15.4W的供電功率。在一條電纜上同時支持供電與數據傳輸，對進一步減少車上電纜的重量和成本很有意義。由于常規的PoE是為4對電纜的以太網設計的，因此專門為車載以太網開發了PoDL，可在一對線纜上為電子控制單元ECU的正常運行提供12VDC或者5VDC供電電壓。

當然，對帶寬的需求也是一個因素，各種傳感器，特別是激光雷達和高分辨率攝像頭，必須用以太網傳輸數據。

為什么不能用傳統以太網

為什么車載網絡不能使用傳統的以太網呢？

以太網是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的，以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進行組網。包括標準的以太網(10Mbit/s)、快速以太網(100Mbit/s)、千兆網(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太網。它們都符合IEEE802.3 。

以太網中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說在網卡的物理端口會在每一個單位時間內“寫入”或是“讀取”一個電位值(0或1)。那么這個單位時間對于1Gbps帶寬來說就是1÷1000,000,000=1ns，每8個位(bit)相當于1個字節(Byte)。多個字節(Byte)可以組成一個數據幀。以太網傳輸數據是以幀為單位的。以太網規定每一個數據幀的最小字節是64byte，最大字節是1518byte。實際上每個數據幀之間還會有一個12字節的間隔。

由于帶寬通常是由多個設備共享的，這也是以太網的優勢所在。但是所有的發送端沒有基于時間的流量控制，并且這些發送端永遠是盡最大可能發送數據幀。這樣來自不同設備的數據流就會在時間上產生重疊，即我們通常所說的沖突。因為所有數據流重疊/沖突的部分會遵循QoS優先機制進行轉發，一部分的數據包肯定會被丟棄。在IT專業里有一個不成文的規定。當某個交換機的帶寬占用率超過40%時就必須得擴容，其目的就是通過提高網絡帶寬來避免擁堵的產生。

由于以太網的發明時間太早，并沒有考慮實時信息的傳輸問題。盡管RTP（Realtime Transport Protocol）能在一定程度上保證實時數據的傳輸，但并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制。因此，想要對所有的數據包進行排序，就離不開對數據的緩沖（Buffer）。但一旦采用緩沖的機制就又會帶來新的問題—極大的“延時”。換句話說，當數據包在以太網中傳輸的時候從不考慮延時、排序和可靠交付。傳統以太網最大的缺點是不確定性或者說非實時性，由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制的實時要求，故傳統以太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網絡。盡管傳統二層網絡已經引入了優先級(Priority)機制，三層網絡也已內置了服務質量（QoS）機制，仍然無法滿足實時性數據的傳輸。此外，在傳統以太網中，只有當現有的包都處理完后才會處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車內應用的需求。更何況目前是Mbit/s的速率，延遲最多可能達上百毫秒，這肯定是無法接受的。普通以太網采用的是事件觸發傳輸模式，在該模式下端系統可以隨時訪問網絡，對于端系統的服務也是先到先服務。事件觸發模式的一個明顯的缺點是當幾個端系統需要在同一傳輸媒介上進行數據通訊時，所產生的傳輸時延和時間抖動會累積。

隨著音視頻娛樂大量進入汽車座艙，IEEE開始著手開發用于音視頻傳輸的以太網，這就是EAVB。AVB——以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio VideoBridging）是IEEE的802.1任務組于2005開始制定的一套基于新的以太網架構的用于實時音視頻的傳輸協議集。

以太網默認的轉發機制叫做“BestEffort”(盡力而為)。也就是說當數據包抵達端口后，本著先入先出的原則轉發。當網絡的流量稀疏，這本不是一個問題。但在實際環境中，大量的數據包極有可能在一瞬間抵達端口。當然，端口可以在一定程度上緩存并延時轉發，但我們一方面是不能容忍過大的延時轉發，另一方面交換機的物理端口緩存也非常小，不可能有效解決大量數據包瞬間抵達的問題。音視頻流恰好是沿等長的時間間隔發布數據的。比如說：一個24比特48K采樣的專業音頻通道，每個采樣的時間間隔是20.83 μs。如果我們按照每6個采樣封裝成一個數據包，那么每個數據包的固定間隔就是125 μs。每個數據包是由兩個部分組成，數據報頭（74字節） 音頻通道采樣數據（24字節X通道數）。如果用傳統以太網傳輸，肯定會出現丟包，在網絡本身架構沒法改變的情況下，只能修改數據結構。將幾個不同的音頻流進行流量整形(Traffic shaping)，流量整形而不是流量控制(TrafficControl)，經過流量整形每個流所占的帶寬會在同一個時間節點。所有的非實時流可以見縫插針提高對帶寬的占用率。這就是EAVB的基本原理。

EAVB與傳統以太網比有4個不同：

1. 必須采用基于MAC地址的傳輸方式即二層傳輸或是基于IP地址UDP的傳輸方式，從而減小數據包的開銷以及降低傳輸延時。

2. 由于二層傳輸和UDP均不屬于可靠交付，因此必須依靠QoS來“盡可能”保障可靠交付。

3. 所有數據包需要有“時間戳”(Time Stamp)，數據抵達后根據數據包頭的“時間戳”進行回放。因此各個網絡終端設備必需進行“時鐘同步”也就是通常所說的時鐘校準。

4. 數據包被轉發時需采用隊列協議按序轉發，從而盡可能做到低延時。

但是EAVB一直沒推廣開，原因在于汽車領域內傳輸音視頻流最典型的應用是后座娛樂系統，這種系統完全不用考慮延遲，那就是哄小孩的。而其他應用大多是純視頻，EAVB需要硬件壓縮然后再解壓，這就大幅度增加成本。純視頻可以采用低成本傳輸方式，比如GMSL、MIPI或FPDLINK。所以EAVB一直沒有什么應用，在2011年3月，美國SAE跨界推出AS 6802標準，這是一種飛機航天領域內以太網應用的標準，也可以在汽車上用。IEEE受到刺激，在2012年11月，將EAVB小組改名為TSN，就是時間敏感網絡。

TSN主要定位數據鏈路層，在物理層方面，IEEE也做了新標準，這就是IEEE 802.3bp和IEEE 802.3bw，IEEE的目標不僅是車載領域，還包括了工業以太網。

TSN主要支持者包括思科、英特爾、瑞薩、德國工業機器人巨頭KUKA、三星哈曼、寶馬、通用汽車、現代汽車、博世、博通、德州儀器、NXP、三菱電機、LG、Marvell、模擬器件，通用電氣。

TSN是一系列標準，非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇，不過對技術實力差的廠家來說就很痛苦，不知如何選擇。

 物理層標準已經在2015年中期確定，由于Marvell參與了IEEE 802.3bp和IEEE 802.3bw的標準制定，因此2015年就同步推出對應產品，包括用在特斯拉AP 2.0上的88E6321，88E6341。不過主要應用目標市場還是用在寬帶網關、無線路由和工業以太網交換機領域。

2017年，TSN汽車應用領域大部分標準定型，博通在2017年12月推出BCM53162，主要目標市場就是無人車和L3級無人駕駛，還有無人機和機器人。

博通對未來汽車骨干網預測如上圖。BCM53162支持TSN的802.1Qav 、8021.1Qbv、 802.1Qci，時鐘方面支持IEEE 1588 V2、IEEE 802.1AS。

上圖為BCM53162內部框架圖。

上圖是瑞薩對未來汽車架構的設想，TSN是關鍵，IEEE原本預計要到2021年才有量產車用TSN，現在看來應該會提前1到2年。

主辦單位

時間及地點

2018年3月20日-21日  

中國 . 上海 Shanghai  China 

論壇議題

論壇議題

ADAS技術、法規與市場

主機廠ADAS應用及發展趨勢

ADAS芯片、軟件和算法、主動安全、無人駕駛

自動駕駛、ADAS及人工智能

行人和障礙物檢測、疲勞檢測、交通標志識別等

自動泊車、低速無人車的技術及應用

汽車傳感器：Lidar, Radar, 紅外、CMOS圖像等

車載內視/外視/環視/環境感知與信息融合

域控制器、車載以太網、汽車E/E架構

AUTOSAR、ISO26262、信息安全和功能安全

路測、場測、虛擬仿真測試

激光雷達在自動駕駛系統中的應用及發展

高精度地圖、V2V/V2X 等

ADAS開發，測試及評價技術

自動駕駛投融資與戰略合作

展覽展示

同期提供ADAS解決方案、自動駕駛系統及車輛、傳感器、芯片半導體、軟件系統、汽車電子、開發測試、仿真模擬等產品的展覽展示

前兩屆演講嘉賓

2016第一屆ADAS與自動駕駛論壇

2017第二屆ADAS與自動駕駛論壇

活動報名

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上海  趙志豐 18702148304（同微信）