在汽車中添加更加復雜和安全的電子部件的軍備競賽正在迫使汽車制造商重新審視日益電動化、連接性日益豐富的汽車內的通信系統。

直到最近，車內部件之間的通信還是過于簡單，車輛之間也不存在任何通信，現在，這種局面正在迅速演變。更多車內電子設備之間、汽車之間、汽車和基礎設施之間的快速和安全通信成為輔助駕駛和自動駕駛的關鍵要素。

然而，還有很多東西沒有準備就位。Valens汽車公司高級副總裁Micha Risling表示，除非出現新的解決方案，否則，汽車原始設備制造商將不得不在一些他們想要引入的功能上進行妥協，特別是在自動駕駛方面。“因為我們正在依靠汽車及周邊的大量數據實現自動駕駛，我們正在談論的是汽車行業的一場革命，并不僅僅是連接性上的改變。同樣的理念適用于目前正在使用以及將要使用的所有不同元素。這真的改變了汽車的設計方式。”

傳感器數量的激增是推動汽車通信系統改善的動力之一。目前的汽車中部署了多達16種甚至更多不同類型的傳感器：激光雷達、雷達、加速度計、陀螺儀、壓力傳感器。所有這些傳感器都需要連接到車輛中的ECU上。隨著汽車內添加更多的自主駕駛功能，這個數字還會顯著增長。

生產汽車傳感器的聯華電子公司市場副總裁Steven Liu說：“車輛之間、車輛和基礎設施的之間的通信越來越頻繁，意味著車載雷達系統的數量需要不斷增加。“部署這些系統，需要的技術包括汽車防碰撞雷達和全球定位系統，以及汽車和停車燈、車輛調度系統進行交互所需的傳感器。這些系統將與現有系統結合使用，比如乘客舒適控制系統、信息娛樂系統，以及調節溫度、檢測輪胎壓力和氣體的發動機監控子系統。用于長途運輸目的的卡車需要負載平衡、負載轉移、控制動力曲線和風切變的系統，所有這些系統一起工作以確保貨物在運輸過程中不會被損壞，以及卡車集裝箱在整個行駛行程中的穩定。所有這些5G通信應用對于各個系統完成各自操作來說都是必不可少的。”

但是鑒于迄今為止存在的技術和通信解決方案，線束集群正在成為一個難題。還有一個痛點就是軟件代碼的規模。相較而言，一輛自動駕駛汽車的軟件代碼行數可能比F-35噴氣式飛機多大約100倍，因為自動駕駛汽車需要處理的操作場景遠比噴氣式飛機要多。

“飛機自動飛行時，99%的時間里身邊都沒有其它飛機，”Valens汽車公司的Risling說。“相較之下，就拿一輛在曼哈頓或拉斯維加斯某個地方行駛的汽車來說吧，每秒都需要處理可能出現的各種不同的場景，這就是為什么你需要在汽車上部署大量的特殊、復雜和先進軟件的原因。ECU自己需要復雜的軟件，ECU之間通信也需要復雜的軟件，尤其在自動駕駛汽車中更是如此。當你處理安全相關的功能時，你需要部署很多冗余。冗余使得架構變得更加復雜。你需要更多ECU，更多的通信節點，當然，也需要更先進的連接技術。”Risling解釋說。

押注以太網

目前，汽車生態系統正在將汽車以太網作為車載通信的主要技術規范。以太網已經問世40多年，在各種環境條件下都得到了很好的驗證。

“以太網主要用于信息娛樂和視頻等領域，但汽車行業也引入了以太網，”Synopsys IP部門的以太網產品線經理John Swanson說。“我們在汽車中使用10/100Mbps的以太網時就知道它不夠快，很快就轉換到了千兆以太網上，但是千兆也不夠快。看看自動駕駛汽車，只需要拿出攝像頭這么一個非常簡單的例子就能說明這種情況。因為你需要做面部識別和路標識別，所以需要高分辨率的視頻，有很多路視頻進來。這個個數據量非常大，所以不用太長的時間，1 Gbps的汽車以太網就會過時，它會迅速進化到2.5Gbps和5 Gbps，甚至更快。”

這促使像Marvell這樣的芯片制造商將以太網用作汽車內部的高帶寬、標準化的主干通道，將之前獨立的汽車信息娛樂系統、高級駕駛員輔助系統（ADAS）、車身電子設備和控制系統連接起來。 未來，這些信息將和自主駕駛車輛所需的其他傳感器連接起來，以實現車內連接和與車外的連接。

Marvell公司連接、存儲和基礎設施業務部市場總監Venu Balasubramonian表示：“以太網市場歷來被分為兩個不同的領域。一個是速率高達25/50/100/400Gbps的數據中心，這個市場推動著以太網帶寬的不斷提升。另一個是10 Gbps速率的銅纜服務的企業市場。現在，由于汽車電子設備的增加，汽車以太網市場逐漸成型。所有的數據和交換都需要一定的帶寬。以太網技術需要不斷加強。”

他指出，汽車市場最終可能需要100 Gbps的以太網來傳輸圖像傳感器的所有數據。而且，通過利用以太網的低成本和高帶寬，下一代汽車架構將能夠實現新的應用，包括現在可能還想象不到的功能。

Mentor公司的系統架構師Sherif Ali觀察到，汽車OEM廠商已經開始重新審視他們的網絡設計，以增加一個以太網骨干網和用于診斷車輛的以太網診斷（DoIP）。 “鑒于未來大多數OEM廠商均試圖通過空中升級來更新車輛軟件，這意味著大量的數據將被下載到ECU中以更新汽車內數百個ECU的軟件。這也意味著我們需要一種能夠在升級期間使用大量數據來更新軟件的方法，實際上，以太網DoIP已經提供了這種靈活性和這種能力。我們不僅使用以太網作為ECU之間通信的主干通道，還可以把它作為ECU與OEM廠商或4S店之間的接口。以太網將發揮很大的作用，使用以太網的規模也將會擴大。”

今天，原始設備制造商正在使用以太網總線這種骨干網技術來連接大量的ECU，業界也有兩個不同的標準（AUTOSAR和Open Alliance）正在促進以太網使用和測試的標準化。

Ali說：“AUTOSAR提供了一個實施和測試以太網的規范。AUTOSAR中有一部分內容被稱為驗收測試，它不僅適用于以太網，也適用于很多其它通信標準，不過，該驗收測試包含了用來定義AUTOSAR供應商如何測試其以太網基礎軟件的規范，以確保它們符合以太網標準。Open Alliance也提供了汽車以太網規范，去年他們發布了汽車以太網ECU測試規范。從測試和協議規范上，行業已經做好了相應的準備。”

事實上，考慮到未來自動駕駛汽車的安全性和可靠性，測試汽車以太網是至關重要的。

目前，汽車以太網測試包括三類測試：

一致性測試。它確保實施以太網協議的每一個軟件都符合以太網協議，通常，一致性測試需要大量的測試用例。

集成測試。它確保一個完整的網絡和基礎設施能夠按照預期正常運行。在一個完成的網絡中，通常使用集成測試來測試基礎架構的健壯性。

性能測試。它測試網絡的吞吐量、軟件端和網絡端的性能。這個測試主要針對軟件層面。

“可以肯定的是，由于以太網使用的是低成本的互連介質（雙絞線），進行長距離通信，使用非傳統的多級信令（PAM-3），因此，從汽車內部的一個以太網控制器向另一個以太網控制器傳送信號具有一定的挑戰性，”Cadence的PCB、IC封裝以及信號和電源完整性部門的產品管理總監 Brad Griffin表示。 “集成多個模塊需要通過一致性測試。仿真工具提供了虛擬一致性測試供暖，以確保在實際設計模塊之前滿足標準要求，減少了在實驗室測試過程中發現的錯誤數量，并有助于加快產品向市場的交付。”

“與此同時，設計人員需要了解一些使他們的汽車以太網系統更容易測試的知識。”Mentor公司的Ali指出，“他們需要了解拓撲結構。使用代碼或軟件中的以太網節點時需要使用什么樣的拓撲結構？如果只是一個實現DoIP服務的以太網連接，那么它的吞吐量或性能會和實現大量ECU通信的以太網連接有所不同。從測試和設計的角度來看，這是非常重要的。設計小組還需要了解ECU的位置。它是一個網關嗎？還是一個終端節點？這也是影響測試或測試案例實施的一個方面。”

其它挑戰

從IP的角度來看，汽車以太網面臨的一個巨大挑戰是增加了時間敏感型網絡（TSN）。

Synopsys公司的Swanson說：“當說到時間敏感型網絡時，人們會以為它是一個單一的規范，但是實際上它是一整套有效的工具箱規范。 你有不同的shaping算法嗎？需要處理搶占任務嗎？因此，人們現在面臨的挑戰之一是如何使用這些新功能。然而，在汽車行業，人們學習各種不同的方法，解決問題的方法也很多。這就意味著挑戰在于決定將哪些功能放到一顆芯片上。如果一個端點需要面對不同的需求，就需要轉換解決方案。如果涉及視頻內容，那么它就需要比只實現單純的控制功能更多的帶寬。因此，了解你面向的市場非常重要，深刻的理解才能實現真正優化的設計。”

人們已經在這方面開展了不少研究。New Hampshire大學的互操作性實驗室（IOL）的以太網技術高級經理表示：“汽車以太網已經落地運行，它可以為汽車中的BaseT以太網執行PHY一致性半導體測試。原始設備制造商迫切想要在很多領域迅速解決很多問題，這就是為什么汽車領域突然同時發生很多事情的原因。當談到自主駕駛時，很多人都會想到在車輛之間、車輛和基礎設施之間使用無線通信，這當然是正在成型的自主駕駛生態系統的一部分圖景。但是，即使使用了無線技術，汽車內部從多個傳感器收集信息、從攝像頭捕捉圖像的應用也需要使用一種高帶寬、高可靠的車載通信網絡。這就是BASE-T1技術正在進入并開始取代現在的CAN和FlexRay總線的原因，它們能夠提供更高的帶寬，以便在即將到來的未來能夠實現自主駕駛。”

就如何使設計更易于測試而言，Donahue基于實驗室條件下針對未來BASE-T1技術進行的100BASE-T1實驗進行了說明。他說：“IEEE規范并沒有以一種清晰的方式描述如何進行測試，它們描述了存在哪些需求，需要進行哪些測試，但是可能沒描述如何進行測試。芯片供應商注意到IEEE規范定義了一些要求，但是這些要求不一定是可測試的。比如，在存在很多內部信號的地方，芯片供應商通常不會為了測試內部信號而分配專用的引腳。在這些領域中，確定什么合格什么失敗可能非常困難。硅片供應商有時會比較沮喪，因為IEEE標準并沒有直接說明哪些是必須測試的，哪些必須是可測試的，所有，很可能無法得到一個完整的可測試的報告。”

結論

汽車以太網似乎是人們可以接受的汽車通信方案。它很好理解、部署成本低，經過了長時間的考驗。而且，在當前的技術路線圖中，僅僅通過使用光纜替代銅纜就可以提高數據傳輸速度。

但是，在解決方案之間的互操作性和以太網規范的解釋澄清方面還有許多工作要做。盡管目前來看，至少在車載通信方面，以太網技術似乎是個大贏家，但是目前還有一些正在開發中的其它備選方案。和快速發展的汽車市場中的所有東西一樣，任何事情都可能改變。