车载以太网发展趋势及应用

在传统燃油车及新能源汽车发展的初期，由于汽车的功能主要是针对车辆本身开发的，而并未与车辆之外的物体产生交互，因此在此阶段下的汽车对于车载通信的应用范围主要是集中在车内各控制单元、传感器之间的信息交互，这些数据具有速率低、数据量小等特性，针对该阶段下整车的通信特性，其应用的通信技术主要是以CAN/LIN总线为主搭建而成的，拓扑架构简图如下：

图1 传统车载网络架构示意

随着汽车智能化水平的提升，整车在车载通信上的要求除需要满足车内节点之间的通信需求外，还需兼顾与车外网络/物体之间的信息交互，在此应用背景之下，单纯以CAN为主网络的架构已不再能够满足当今汽车对于数据量大、速率要求高的通信要求，因此，车载以太网技术越来越多地被主机厂部署在其车内通信架构中，如在当前整车电子电气架构为域技术状态下，通过搭建以太网和CAN为混合网络的应用方式将多总线协议共存。

图2 Eth/CAN等混合网络架构

以太网虽具有高速率、高带宽等特性，但由于整车的发展具有阶段性且需兼顾整车经济性等方面，因此以太网的发展趋势亦存在渐进性，根据整车对通信的应用需求，按照其融入整车网络架构的程度可将其分为三个阶段：

图3 车载以太网发展

阶段一：应用于诊断及程序刷新（如本地或OTA）。在整车智能化未得到大幅度提升之前，车内节点之间的通信需求基本保持传统方式，但在整车的售后服务、研发测试等方面，为了提升其诊断和程序更新的效率，从而达到节省成本的目的，将以太网技术应用于此方面可将传统的CAN总线技术下的工作时间缩短百倍甚至更多；

图4 以太网总线在诊断等方面的应用示意

阶段二：应用于智驾及智能座舱中，亦是目前汽车行业所处的阶段。在汽车智能化下，为了提高智驾功能的准确性与精度，整车在高清摄像头等传感器方面的应用需通过高传输速率的以太网技术作为支持。同时对于车内娱乐系统之间的联动等功能，采用传统的低速CAN总线技术亦无法满足需求，因此同样需要搭配高速率的以太网技术。对于动力/底盘的控制主机厂/开发商通常采用CAN-FD、FlexRay等通信速率较高的总线技术，而在车身控制方面，通过传统的面向信号的CAN/LIN总线即可满足需求。在各功能模块需求不同的背景之下，当前整车网络架构以多总线技术混合应用为特色，其架构简图如下：

图5 以太网融合多总线架构示意图

阶段三：以太网为主干网络。从阶段二的多混合网络架构出发，对整车的动力管理、车身、底盘控制再到智驾应用的雷达等传感器信号的速率进行分析，可知在整车网络系统中大约有90%的控制器节点的通信速率都在10Mbit/s以下，因此使用波特率为10Mbps级别的总线技术可做到对其应用范围的全覆盖，而在车载以太网技术中，10BASE-T1S的速率为10Mbps，该速率与CAN-FD、FlexRay基本是一致的。

而对于剩余的具有更高通信需求的节点，可采用更高速率的以太网技术替代，这其中便包括了如MOST等总线技术。另外，在成本方面，以太网相对于FlexRay、MOST具有相当的优势，因此为了顺应EEA的发展以及对整车主干网络的统一，在未来或可通过对通信需求的整合，将底盘、车身、智驾和座舱等主控节点以10BASE-T1S配合更高带宽速率的以太网去替代当前的CAN-FD 、FlexRay、MOST等总线，以此来形成整车级别的车载以太网结构。

由于域内子网络在速率等方面的需求并不高，如车窗、门锁、雨刮等车身控制功能，由于其对速率、数据量并不敏感，同时传统CAN/LIN在成本方面具有绝对的优势，因此对于子网络内的这类执行器、控制节点的通信将依然保留CAN/LIN总线技术，这可也让整车网络架构在搭建上更具灵活性。

综合上述，阶段三下的车载网络架构大概率将不再使用FlexRay、MOST等总线技术，而是以以太网为主，辅之以CAN等传统总线技术的网络架构，示意图如下：

图6 以太网为主干网络的通信架构示意

但由于在10BASE-T1S以太网的应用过程中是不允许其支线超过10cm的，因此在整车网络架构的迭代过程中，对于部分网络无法做到一对一可靠的替代，而在CAN总线技术的应用中，CAN-XL是基于CAN-FD与100BASE-T1以太网而生的，其速率可达20Mbit/s。同时，与10BASE-T1S以太网相比，其在线长方面更加灵活，且CAN-XL能够耦合星型和线型拓扑以构建更加复杂的网络拓扑结构，而且将CAN/CAN-FD升级为CAN-XL无需对整车的线束、控制器等进行重新设计，因此其在整车通信架构迭代应用中的灵活性方面具有天然的优势。

不过，10BASE-T1S以太网和CAN-XL的应用目的皆是出于对10Mbit/s速率的总线进行替代的，而在该阶段的整车网络架构的应用过程中，相对低速率的以太网总线需要与于相对高速率的以太网总线进行耦合（如1010BASE-T1S耦合到100BASE-T1S），以此方便与其他节点之间形成实时交互，而CAN-XL总线技术无法直接与以太网耦合，需要通过网关进行连接，但10BASE-T1S以太网仅需通过软件开关的切换即可。正是由于两者在此方面的应用各有优势，同时又各有不足，因此在如底盘、ADAS等中速通信领域的应用中这两者或成竞争之态。

在构建的CAN子网络与以太网主干网络的架构中，CAN信号的传递主要是通过控制节点内部的软件完成，如在自动驾驶域的通信传输中，摄像头或雷达等传感器通过CAN-FD等总线将数据传输给自动驾驶域中的MCU，若该数据需要通过以太网，则MCU通过基于以太网的SOME/IP通信协将接收到的数据组包转发给SOC的各应用模块，以此来形成CAN数据与以太网数据的交互，如下图示例：

图7 自动驾驶域软件架构，CAN-Eth

在此过程中，MCU侧是基于AUTOSAR CP搭建的应用软件，主要包括IDC（Internal Data Center）、VDC（Vehicle DataCenter）和XDC（X Sensor Data Center）三个应用模块。

VDC：对包括如VCU、EPS等与整车相关的控制单元的CAN数据进行预处理；

XDC：对包括来自雷达、摄像头等传感器的CAN数据进行预处理；

IDC：将VDC和XDC模块预处理后的CAN数据转换成以太网数据并通过SOME/IP协议发送到SOC侧。

SOC侧是基于AUTOSAR AP搭建的应用软件，其中SDC（Service Date Center）作为客户端在启动后便开始订阅MCU侧的所有已知服务，而MCU侧在收到订阅后即开始以固定周期向SDC侧发送订阅的报文，SDC模块会将收到的以太网数据转换为SOC应用模块中所需要的数据以实现具体功能。在智驾应用的过程中，为了确保系统的实时性，在SOME/IP通信中，其数据的传输周期与CAN报文周期是一致的。通过如此方式，子网络中的非以太网信号便可在以太网总线中得以传输。

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