BroadR-Reach牵线 车用乙太网路稳定度提升

继控制器区域网路(CAN)和FlexRay之后，汽车产业已将乙太网路视为新一代车用网路基础架构中极具潜力的方案。乙太网路做为国际电机电子工程师学会(IEEE)标准，主要活跃于消费和工业领域，在元件、软体和工具的应用方面表现突出。此外，乙太网路具更高的频宽，能满足诸如新兴驾驶辅助和资讯娱乐系统等应用需求，但在扩展弹性、低成本、低功耗和耐用性等方面，乙太网路仍待进一步优化，才能真正获得汽车产业全面采用。  
虽然乙太网路晶片实体层的优化已开始进行，但仍须以汽车实际应用案例为重点做出更多的创新。本文将讨论新的网路拓扑结构和元件，并描述乙太网路进入汽车应用市场的发展历程。  

资讯娱乐系统渐普及　车用乙太网路崛起

随着越来越多新应用(如进阶安全和娱乐解决方案)出现，汽车中对通讯和频宽的需求正不断增加，终端用户希望车载娱乐功能可以达到与家庭娱乐系统同样的水准，然而，现有汽车控制网路(如区域互连网路(LIN)、CAN和FlexRay标准)在设计时并未考虑到日益增长的频宽和扩展性需求，这是各种驾驶辅助系统(Driver Assistance System, DAS)的现状。未来的车用网路技术在硬体和软体解决方案上，应尽量重复利用来自消费端和其他非汽车领域的成熟技术，同时考量汽车的独特需求，包含硬体元件与软体协议皆然。虽然市场也有针对高频宽的车用通讯解决方案(如媒体导向系统传输(MOST))，但成本过于高昂，难以在汽车网路系统中普及。经历史自然推展，目前车用网路架构已经形成一种异质网路系统(如图1左侧原理图所示)。  


图1　目前和未来的车用网路架构
如果建立一个全新的车用网路，并放弃过去落后的架构，那么这个车用网路架构将如图1右侧所示。在此，电子控制单元(ECU)采用层级架构，不同的应用程式定义域通过高速资料通道相连。乙太网路为此种解决方案提供所有先决条件--既可以做为骨干汇流排连接各种应用程式定义域，也可以用于连接需要更高频宽的子网路。如今，交换式乙太网路依赖点对点通讯，其有效频宽使用率高于CAN或FlexRay一类的广播系统。交换这个概念具有显著的优势，可以应用于弥合域之间的桥接，而毋须像复杂闸道一样，对传输的讯息或封包进行费时的封包以及重排序操作。  

在汽车中使用乙太网路意味着新一代车用网路系统设计的根本性变革--连接不同的区域网路，传输不同种类的资料(控制资料、串流等)，满足苛刻的稳定性要求(扩展温度范围和电磁相容(EMC)性能)。  

乙太网路跨足汽车市场

乙太网路是一种开放式区域网路(LAN)标准，定义开放式系统互联(OSI)参考模型中两个较低的层级。过去数10年中，频宽从10Mbit/s到10Gbit/s的发展过程中，IEEE 802标准化委员会定义多种实体层。IEEE 802.3u(100Base-TX)广泛用于消费和工业领域，近期更被选为汽车诊断网路标准，详述于ISO 13400。  

除资料连结层和实体层外，还必须考虑更高的网路通讯层(图2)。AVnu联盟的AVB(Audio/Video Bridging)Task Group发起针对涵盖IEEE 802标准的高阶服务。IEEE 802.1AS、QAT、QAV和BA协定涵盖音讯/视讯桥接(Audio/Video Bridging)系统中的位址时序和同步、串流保留、转发和排除。此外，传输协议层(如IEEE 1722)有利于促进透过乙太网路AVB网路传输串流时间敏感型音讯和/或视讯，同时达成终端站之间的交互操作。  


图2　乙太网路路线图、代际关系和层次关系
愈来愈多驾驶辅助系统利用摄影镜头达成环境观察等应用。最近致力于通讯协议和实体层标准化的各种活动已随ISO 17215起步，称为「摄影镜头视讯通讯介面」。为进一步发展汽车乙太网路技术，业界针对实体层成立一特别组织--OPEN(One Pair EtherNet)联盟。该联盟致力于元件标准化，并以博通(Broadcom)的BroadR-Reach技术为基础进行符合性测试。OPEN联盟另一个目标是收集对未来技术的要求，如简化版双绞线(Reduced Pair Gigabit)。  

乙太网路并非针对分时多重存取(TDMA)网路开发，因此，汽车系统仍然须要解决另一问题，亦即找到一种能够满足即时性能和服务品质的解决方案。AVB已包含相对应的措施，确保即时传输媒体串流。  

对于第二代车用AVB Work Group而言，改善延迟是一重要目标。时间触发型乙太网路(Time-Triggered Ethernet, TTEthernet)最先被应用于需要高安全层级的航空系统中。TTEthernet定义于SAE AS6802之中，且不同于AVB，其以分散式时脉同步演算法为基础，可打造出精准排程。  

尽管AVB和TTEthernet有可能同时整合，但仍然须进一步研究，以确保在汽车应用中的适用性，因为在此类应用中，多媒体串流、资料即时控制和资讯诊断以及软体更新将在同一网路中进行传输。  

[@B]第一波应用--IP诊断[@C] 第一波应用--IP诊断

汽车乙太网路最初主要应用于汽车诊断系统(OBD)，以及ECU快闪记忆体更新，它缩短了诊断资料读取和更新软体的时间。而现有的车用网路系统(如CAN和FlexRay)则因为频宽不足，无法在指定的时间内完成上述工作。汽车业界选择了100Base-TX乙太网路搭配CAT5网线做为汽车与诊断测试设备之间的介面。乙太网路拥有更高的频宽，能够节省服务和制造成本。ISO 13400和ISO 14229采用现有业界标准，定义长期成熟稳定的诊断标准。对用于汽车诊断系统的乙太网路，其可靠性和温度容差等要求均有所放宽，因此市场中可供选择的产品和元件供应商较多。  

第二波应用--DAS/资讯娱乐系统

第二代汽车乙太网路将满足资讯娱乐和驾驶辅助系统的需求。现有的后视摄影镜头通常采用低电压差分讯号(LVDS)传输影像资料，这种方案对单一摄影镜头来说非常有效。未来的车用系统将由多个摄影镜头融合远近端雷达感测器资料(图3)。如果以LVDS系统为基础进行构建，则需要更多的线路才能满足频宽需求，但同时将带来电磁干扰(EMI)；且LVDS缆线与连接器非常昂贵，成本也会随之上升，因此难以满足车用系统的需求。相较之下，乙太网路可将摄影镜头连接到中央控制单元，可以拥有足够的频宽进行同步和其他处理。  


图3　驾驶辅助系统中的摄影镜头和雷达
乙太网路摄影镜头还可从「节能乙太网路(IEEE 802.3az)」中受益，这种乙太网路拥有低截收率(LPI)模式和唤醒功能，当摄影镜头处于闲置状态时可以节能。此外，乙太网路供电(PoE)解决方案能够进一步减少线束，因而成为首选方案。目前业界对于更高的频宽和更低延迟的要求相当显而易见，例如在障碍探测应用中须避免压缩假影，以及用于目标探测的高解析度摄影镜头均要求传输资料不经压缩，因而助长更高的频宽需求。  

近期的资讯娱乐解决方案主要奠基于专有且非扩展性的技术。汽车乙太网路以AVB标准为基础，为这个新兴应用领域带来具成本效益的解决方案，现有的AVB第一代乙太网路元件可在保证的延迟范围内达成视讯和音讯资料的同步传输。这两个应用领域都将从当前的AVnu标准化活动以及奠基于BroadR-Reach实体层的开关和PHY发展进程中受益。  

第三波应用--网路骨干

第一代和第二代乙太网路仅限于资讯娱乐、驾驶辅助等应用的子网路之中，第三代乙太网路则将成为车用网路的骨干部分，典型骨干网路如图4所示，此类网路的设计将彻底改变网路管理ECU间通讯的组织方式。  


图4　网域架构中的乙太网路骨干网路
通讯网路将采用具高度层级的组织方式，其中，网域主控站透过乙太网路骨干相连。网域控制站以下的子网路亦可以乙太网路为基础，透过开关达成各网路层之间的桥接。这种结构的解决方案具扩展性，因为每个开关埠皆可以实现10Mbit/s、100Mbit/s或1Gbit/s的传输速率，且毋须更改较高的协定层。这种根本性的变革也反映于讯息可透过网域边界传输到目的地的应用情境。虽然现今网路是依赖复杂的网路闸道达成上述功能，但人们针对骨干网路提出在开关和路由器中，采用已知且成熟的网际网路协定(IP)路由方案。其优势在于，IP路由完全独立于基础网路运作，可为整体车用网路提供同质定址模式。另外，乙太网路借助IP概念，可以轻松地将汽车基础设施与网际网路相连，该趋势是由终端用户推动，使用者希望能像在家中一样，也可在车上使用各种网路服务。  

新架构的另一个特点是只需要一种骨干网路技术，意即乙太网路，来处理不同级别的资料通讯，如诊断、视讯/音讯串流和高度可靠的控制资料。虽然AVB乙太网路和TTEthernet已经能够提供不同水准的服务品质(QoS)和即时性能，但仍然须要进行更多的研发，以验证这些不同资料通讯种类能在同一网路中安全共存。  

BroadR-Reach问世　汽车乙太网路迈向100Mbit/s

尽管100Mbit/s乙太网路和IP技术早在90年代初就已出现，但过了近20年后，汽车工业才体认到乙太网路做为新一代车用网路标准的优势，部分原因是缺少可供汽车使用的实体层。图5详细地展示技术原理，说明针对消费应用的高速与Gigabit乙太网路实体层未进入汽车领域的原因。高速乙太网路奠基于MLT-3信令方案(区分为三个层次+/0/-)，藉由两对双绞线电缆达成单向通讯。Gigabit乙太网路透过四对双绞线电缆和奠基于PAM-5的信令方案，利用双向通讯模式，使资料速率提高十倍。为补偿PAM-5相对于MLT-3信令方案的6dB噪讯比损耗，须采用成本高昂的错误更正码(Trellis)。  


图5　标准乙太网路和BroadR-Reach编码方案
由于高速与Gigabit乙太网路的串列传输速率较高，可达125MBaud，在车用系统环境中会显著提升调频波段中的电磁放射，因而排除使用较便宜的非遮罩双绞线电缆。BroadR-Reach技术成功地使串列传输速率降至66.6MBaud，开启使用非遮罩双绞线电缆。原理上，BroadR-Reach被视为「轻量级」Gigabit乙太网路，只需一对电缆即可实现双向通讯，且得益于PAM-3信令方案，即使不采用错误纠正也可实现少于10-10的误率。  

相较于消费应用而言，汽车应用对于电子系统及元件的要求更加严苛，主要反映在EMC[ISO11452]和环境条件方面。调查显示，BroadR-Reach适用于汽车环境，然而为符合新一代车用网路标准所需要的稳健性，必须开发新型优化元件。图6中的系统示意图展示汽车BroadR-Reach链路中的主要元件。与标准高速乙太网路相比，物料成本将大幅降低。通过电容耦合替代传统变压器，实体层硬体方案由PHY、共模电感(CMC)、耦合电容、连接器和交叉无遮蔽双绞线(UTP)电缆构成，与FlexRay或CAN链路组成非常相似。 做为类比传输介质与数位MAC控制器之间的介面，PHY对链路的稳健性和电磁辐射性能具关键影响力。尽管消费应用PHY经过优化后可支援100公尺以上的电缆长度，但汽车应用PHY通常仅需少于10公尺的链路长度。问题在于，必须找到一种针对该电缆长度进行优化的脉冲整形和接收器等化器执行模式，该模式也须符合汽车应用对电磁辐射和抗干扰的严格要求。图7展示业界发射器概念的讯号频谱，其脉冲整形经过优化，从图中可以看出，毋须采用昂贵的低通滤波器元件，也可达到车用放射要求。为便于比较，高速乙太网路发射器相应的讯号频谱在关键的调频波段，表现出较高的讯号能量。  


图6　BroadR-Reach系统示意图

图7　商用BroadR-Reach讯号频谱
BroadR-Reach技术可使用无遮蔽双绞线电缆，提高乙太网路在汽车应用中的成本竞争优势。BroadR-Reach产品与消费应用相反，须要就环境条件(主要指温度)对乙太网路讯号完整性的影响进行深入研究。图8比较一条长20公尺的FlexRay电缆在室温下与105℃高温下的眼图。在高温下眼孔变小，表示交互符号干扰(Inter Symbol Interference, ISI)受电缆频宽限制而不断上升。只要电缆长度不超过20公尺，噪讯比(SNR)的下降可藉由接收器中的适应性等化机制得到补偿，且不会影响误率。  


图8　FlexRay电缆在室温与105℃高温下的讯号眼图
透过BroadR-Reach，适合汽车领域的乙太网路实体层将得以实现，不但拥有成本优势，而且能够满足EMC、稳健性和环境条件等主要汽车应用要求。为充分发挥BroadR-Reach技术潜力，未来业界还将开发汽车专用PHY和共模电感。  

展望未来，驾驶辅助系统和资讯娱乐系统需要更高的通讯频宽，因此，网路拓扑结构从因域而异的分散式架构转向需要骨干网路的层级性架构。在这波变革中，乙太网路为新一代车用网路架构提供扩展性和灵活性，而CAN和FlexRay将仍为未来10年车身应用和关键安全通讯首选。  

业界除将展开进一步的研发、验证不同资料通讯种类是否能在同一乙太网路中安全共存，亦将针对汽车应用发展优化新型元件，推动乙太网路开关和PHY发展，目前已率先在BroadR-Reach技术上展开优化研究。与此同时，OPEN联盟和AUTOSAR等产业组织正努力在硬体和软体层面推动进一步的标准化工作。  

(本文作者任职于恩智浦半导体)