Automotive ethernet что это

Обновлено: 05.07.2024

Технология Ethernet может стать основным стандартом передачи данных в автомобильных сетях. Это вывод сделали обозреватели интернет-издания ComputerWorld после общения с несколькими участниками автопрома.

Главным достоинством Ethernet является высокая пропускная способность, которая может достигать 100 Мбит/с или даже 1 Гбит/с. Внедрением этой технологии в транспортные средства занимаются рабочая группа IEEE 802.3 и сообщество OPEN Alliance. В последнее входят такие компании, как General Motors, Ford, Daimler, Honda, Hyundai, BMW, Toyota, Volkswagen. Jaguar Land Rover, Renault, Volvo, Bosch, Freescale и Harman.

OPEN Alliance использует технологию BroadR-Reach, совместимую с существующими автомобильными системами на базе шин CAN и LIN. Пробные образцы микросхем с поддержкой BroadR-Reach компания NXP обещала выпустить в 2013 г. Информации о доступности чипов пока нет.

Интерфейс Ethernet может использоваться информационно-развлекательными системами и бортовыми компьютерами. Поддержка протокола IP делает разработку автомобильных устройств менее затратной и более быстрой. С помощью Ethernet можно объединить в высокоскоростную сеть различные датчики, камеры, мультимедийный центр, системы помощи водителю, навигацию, устройства диагностики оборудования автомобиля и другое.

К 2015 г. французская компания Parrot обещает оснастить машины технологией Audio Video Bridging (AVB), которая позволит автопроизводителям контролировать сетевой трафик от определенных компонентов автомобильных сетей, что должно повысить их безопасность.

«Автомобильный Ethernet считается очень перспективным средством повышения пропускной способности сетей для работы с новыми приложениями в сфере интернета, развлечений и безопасности», — отмечает Ханс Альмингер (Hans Alminger), старший менеджер в подразделении Volvo Diagnostics & ECU Platform.

По словам Патрика Поппа (Patrick Popp), директора по технологиям компании Automotive в TE Connectivity (поставляет антенны и коммуникационное оборудование для автомобилей), все чаще можно встретить применение Ethernet в качестве метода подключения камеры заднего вида к мультимедийному комплексу или электронным помощникам. В США, как ранее сообщал Auto.CNews, камеры заднего вида могут стать обязательной опцией для всех автомобилей, что может привести к высокой популяризации Ethernet.

Попп прогнозирует, что к 2020 г. в автомобилях будет установлено около 100 млн портов Ethernet. Аналитики ABI Research ожидают, что к этому периоду примерно 40% транспортных средств во всем мире будут комплектоваться бортовыми Ethernet-сетями. По итогам 2014 г. эта доля будет измеряться лишь 1%.

Для создания платформы сетевой инфраструктуры на развивающемся рынке сетевых транспортных средств, компания Marvell полагается на технологию Ethernet.

На этой неделе компания объявила о создании первой в отрасли PHY-микросхемы, работающей на основе гигабитной Ethernet-сети. В эту микросхему также встроена технология контроля доступа к медиаданным (MACsec), обеспечивающая безопасность на втором уровне.

Технология MACsec обеспечивает защиту всех этапов передачи данных в автомобильных сетях. Новая PHY-микросхема защищена от угроз безопасности на 2 уровне (перехватов, атак посредника и атак повторного воспроизведения).

Marvell может похвастаться своим рядом продуктов, формирующих «наиболее полную инфраструктуру для работы с данными». Все продукты в этой линейке специально предназначены для центров обработки данных. В перечень этих продуктов входит широкий спектр устройств: от процессоров каналов прямой передачи и процессоров передающего уровня до PHY-микросхем и коммутаторов для сетевых процессоров и процессоров безопасности.

Уилл Чу, вице-президент и генеральный менеджер автомобильного бизнес-подразделения Marvell, сказал EE Times: «Сейчас мы переносим наш опыт в области передовой инфраструктуры для обработки данных» на автомобильный рынок.

Marvell твердо намерена занять лидирующие позиции на рынке автомобильных Ethernet-сетей. Компаний первой на рынке представила 1000BASE-T1 PHY – защищенный автомобильный коммутатор с поддержкой гигабитного однопарного Ethernet-подключения и мультигигабинтную PHY-микросхему. В мае Marvell также приобрела Aquantia – лидера в области мультигигабитных Ethernet-подключений.

Вне всяких сомнений, все с нетерпением ждут распространения мультигигабитных сетей. В частности, в таких сетях нуждаются транспортные средства, у которых есть значительная потребность в увеличении пропускной способности сети, снижении задержек и повышении скорости подключения.

Впрочем, как заметил Иэн Ричс, вице-президент по общей практике в области automotive в Strategy Analytics, суровая реальность такова, что «на сегодняшний день интерфейсы для работы с гигабитными Ethernet-сетями слабо распространены». В основном такие интерфейсы встраивают в премиумные или новейшие платформы.

Безопасность и энергоэффективность

Новая PHY-микросхема 100/1000 BASE-T1 88Q222xM от Marvell обеспечивает поддержку мультигигабитных подключений, а также в нее встроена технология MACsec.

Эта микросхема также поддерживает стандарт TC10 от Open Alliance, который описывает «переход в спящий режим и пробуждение». Эта технология помогает снизить энергопотребление сетевых модулей в автомобиле. Чу утверждает, что энергоэффективность становится «все более важной автомобильной характеристикой».

Отвечая на вопрос о новом гигабитном PHY с поддержкой MACsec от Marvell, Ричс из Strategy Analytics сказал EE Times следующее: «Чем выше скорость, тем больше данных. Чем больше данных, тем выше вероятность возникновения проблем с безопасностью». Также он объяснил нам, что «MACsec – зрелый и надежный стандарт, позволяющий обнаруживать подозрительную активность в Ethernet-сетях, что позволяет обеспечивать защиту от перехватов, атак воспроизведения и атак посредников». «Наличие подобных легкодоступных методов, основанных на стандартах, позволит OEM-производителями разрабатывать комплексные решения для кибербезопасности, которые нужны как рынку, так и регулирующим органам».

Marvell утверждает, что 88Q22xM — это «самая экономичная с точки зрения энергии PHY с поддержкой гигабитного Ethernet-подключения». Это значит, что 88Q22xM даст OEM-производителям возможность разрабатывать энергоэффективные автомобильные сетевые архитектуры.

Движущие факторы внедрения гигабитных Ethernet-подключений в транспортные средства

Учитывая все обстоятельства, станут ли электромобили первыми транспортными средствами на рынке, использующими Ethernet-подключение? Рич из Strategy Analytics утверждает, что сам по себе рынок электромобилей не является основной движущей силой внедрения Ethernet в автомобильной отрасли.

В свою очередь, перечень ключевых факторов, побуждающих OEM-производителей внедрять гигабитные Ethernet-сети выглядит следующим образом: создание централизованной архитектуры транспортных средств, контроллеры доменов, расширение сетевой функциональности транспортных средств, системы ADAS и технологии беспилотной езды.

Автомобильный рынок в условиях пандемической экономики

Отраслевые аналитики прекрасно осведомлены о влиянии экономики Covid-19 на автомобильный рынок. Эгиль Юлиуссен, автор колонки «Egil’s Eye» в EE Times написал так: «Продажи автомобилей по всему миру резко упали и будут держаться ниже недавних показателей в течение примерно пяти лет (а может и больше – в зависимости от региона)».

Ричс из Strategy Analytics согласен с этой оценкой. «Разработка некоторых новых платформ будет замедлена в связи с сокращением бюджета и реструктуризацией, причиной чему стала пандемия Covid-19. В настоящий момент мы даем прогнозы до 2027 года. Мы по-прежнему ожидаем, что полноценная сетевая архитектура на основе контроллеров доменов и гигабитного Ethernet-подключения будет представлена в меньшей доле новых автомобилей».

Впрочем, Ричс добавил: «Все это не значит, что рост будет слабым – мы просто начинаем с низкого старта. Все дело в том, что сейчас всем приходится работать в худших социально-экономических условиях, с которыми автомобильная промышленность когда-либо сталкивалась в мирное время. Для того, чтобы распространить все эти технологии по разным платформам и модельным линейкам потребуется время».

Чу из Marvell делает более глобальную оценку. Насколько ему известно, 30 OEM-производителей уже изучают способы внедрения Ethernet в автомобили, и 10 ведущих компаний уже начали внедрять Ethernet в свои продукты три года назад. «Мы знаем, что для автомобильных OEM-производителей внедрение гигабитных Ethernet-сетей – это вопрос времени»

Marvell также утверждает, что 88Q222x производится в соответствии с автомобильными системами менеджмента качества и обеспечивает поддержку систем функциональной безопасности, благодаря чему OEM-производители могут реализовывать стандарт ISO 26262 на системном уровне. Микросхема проходит испытания с прошлого месяца. По словам Чу, массовое производство начнется в течение трех лет. 88Q22x будет изготавливаться TSMC с использованием автомобильного техпроцесса 16 нм FinFET.

НПП ИТЭЛМА всегда рада молодым специалистам, выпускникам автомобильных, технических вузов, а также физико-математических факультетов любых других высших учебных заведений.

У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.

В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.

Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.

Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Требования к информационным системам современного автомобиля и к их пропускной способности растут вслед за появлением новых сложных приложений — например, систем обеспечения безопасности или систем обработки мультимедийной информации. Существующие сети управления транспортным средством, такие как LIN, CAN и FlexRay, не могут покрыть растущие требования по пропускной способности и расширяемости, которые нужны для различных систем помощи водителю. Новые сетевые технологии должны перенять как можно больше от бытовых и других неавтомобильных областей, но с учетом требований конкретных автоприложений. Это включает в себя как аппаратные компоненты, так и наборы программ. Коммуникационные решения с более высокой пропускной способностью, такие как транзисторы с МОП-структурой, существуют, но слишком дороги для широкого использования в автомобильных сетевых системах. Сегодня автомобильная сетевая архитектура выглядит как гетерогенная система, что обусловлено ее историческим развитием и разрастанием (рис. 1).

Рис. 1. Доменная архитектура — сейчас (слева) и в будущем (справа)

Новая автомобильная сетевая система, построенная с нуля, скорее всего, будет иметь такую архитектуру, как показано справа на рис. 1. Здесь электронный блок управления (ЭБУ) структурирован в виде иерархической архитектуры, где области приложений связаны через магистральные шины. У Ethernet есть все предпосылки для такого комплексного подхода. Он может быть использован в основной магистрали для подключения различных областей, а также для подсетей, которые просто требуют большей пропускной способности.

Использование Ethernet в транспортном средстве означает смену парадигмы в разработке следующего поколения автомобильных компьютерных сетей: подключение различных сетевых доменов, транспортировки различных видов данных (управляющие сигналы, потоковая передача данных и др.) и выполнение строгих требований надежности в тяжелых условиях расширенного температурного диапазона и электромагнитной совместимости.

Эволюция до автомобильного Ethernet

Ethernet является открытым стандартом и определяет два нижних уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем. За последние десятилетия комитет по стандартизации IEEE 802 установил несколько физических уровней от 10 Мбит до 10 Гбит. IEEE 802.3u (100Base-TX) широко используется в бытовых и промышленных областях, а недавно был применен для диагностики автомобилей через IP, как описано в ISO 13400.

Группа специалистов по внедрению AVB-технологий (Audio/Video Bridging) из AVnu Альянса [1] определила IEEE-стандарты, включающие службы высокого уровня для IEEE 802-совместимых сетей (рис. 2). Протоколы IEEE 802.1 AS, QAT, QAV и BA определяют расчет времени и синхронизации, распределение поточной передачи, перенаправление и организацию очередей в системах аудио/видео захвата. Кроме того, протокол транспортного уровня по стандарту IEEE 1722 облегчает поток чувствительного ко времени аудио и/или видео через AVB Ethernet-сети и совместимость между конечными станциями.

Рис. 2. Схема Ethernet: поколения и уровни

В системах помощи водителю для таких функций, как круговой обзор, все чаще используются видеокамеры. Деятельность по стандартизации на уровне протоколов связи и на физическом уровне недавно привела к появлению ISO 17215, который называется «Интерфейс передачи видео для камер». В целях дальнейшего развития автомобильной технологии Ethernet Broadcom сформировала организацию One Pair EtherNet (OPEN) Alliance Special Interest Group. OPEN Alliance будет работать над стандартизацией компонентов и проводить тесты, основанные на технологии Broadcom BroadR-Reach [2]. Другой целью группы является сбор требований для будущих технологий, таких как Reduced Pair Gigabit. Наконец, AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) является открытой и стандартизированной архитектурой программного обеспечения для автомобильного Ethernet.

Ethernet не был разработан для сетей TDMA (множественный доступ со временным разделением или уплотнением, МДВУ), и все еще необходимо найти подходящее решение для достижения требуемой производительности в реальном времени и качества обслуживания. AVB уже включает в себя меры по обеспечению своевременной доставки медиа-потоков.

Для рабочей группы Automotive AVB Gen2 улучшение времени ожидания является одной из основных целей. Первое приложение синхронизированного по времени Ethernet (Time-Triggered Ethernet, TTE) было применено в авиационной технике [3] с высочайшими требованиями безопасности. Определенный в SAE AS6802 и отличный от аудио/видео технологий TTE основан на распределенном алгоритме тактовой синхронизации, который в конце концов приводит к получению точного, с детерминированным режимом, графика работы.

Хотя совместная интеграция AVB и TTE возможна [4], необходимы дальнейшие исследования, чтобы обеспечить их использование в автомобильных приложениях, где мультимедийные потоки, данные контроля в режиме реального времени, а также диагностическая информация и обновления программного обеспечения должны передаваться в одной и той же сети.

Поколение 1.
Диагностика по IP

Первые приложения Ethernet в автомобилестроении — это встроенная диагностика и обновление flash-памяти ЭБУ. Для чтения диагностических данных и обновления программного обеспечения в течение отведенного времени производительность существующих систем, таких как CAN и FlexRay, была недостаточна. Ethernet 100 Base-TX категории 5 был выбран в качестве средства связи между автомобилем и диагностическим оборудованием. Высокая пропускная способность Ethernet экономит затраты на обслуживание и производство. ISO 13400 и ISO 14229 изменили существующие и определили новые, стабильные современные диагностические стандарты. Универсальные продукты и компоненты давно доступны, а такие требования, как прочность и температурные допуски, были смягчены для данного конкретного применения Ethernet в автомобиле.

Поколение 2.
Системы помощи водителю и развлечения

Второе поколение автомобильного Ethernet будет заниматься информационно-развлекательными системами и видеонаблюдением для кругового обзора. Современные решения камер заднего вида часто используют LVDS (Low-Voltage Differential Signaling, низковольтная дифференциальная передача сигналов) для передачи видео, что хорошо работает в случае использования одной камеры. В недалеком будущем ожидается применение нескольких камер, а также получение данных с радиолокационного датчика расстояния (рис. 3). LVDS-система становится неэффективной с точки зрения прокладки проводов и дороговизны кабелей и разъемов. Ethernet позволяет видеокамерам быть подключенными к центральному блоку управления для синхронизации и дальнейшей обработки.

Рис. 3. Пример расположения камер и радаров для системы помощи водителю

Ethernet-камеры могут дополнительно использовать «энергоэффективный Ethernet» (IEEE 802.3az), в рамках которого вводится Low-Power Idle (LPI, «режим простоя») и пробуждение по необходимости для экономии энергии, пока камеры не используются. Кроме того, решения для питания через Ethernet (PoE) являются предпочтительнее, поскольку они позволяют уменьшить количество проводов. Преимущества более высокой пропускной способности и низкого времени ожидания очевидны. Использование нескольких камер высокого разрешения для обнаружения объекта требует несжатой передачи данных, чтобы избежать образования артефактов сжатия при обнаружении препятствий, а также сильного драйвера с высокой пропускной способностью.

Последние решения, касающиеся развлекательных систем, основаны главным образом на патентованных и немасштабируемых технологиях. Ethernet в этой новой области применения является экономически эффективным за счет использования стандарта AVB. Синхронизированная передача видео- и аудиоданных с гарантированной задержкой может быть достигнута с применением существующих AVB-компонентов Ethernet 1-го поколения. В этом направлении помогут развиваться как работа по стандартизации AVnu, так и самые последние разработки коммутирования и протоколов физического уровня (PHY) на основе BroadR-Reach.

Поколение 3.
Ethernet как основа сетевой инфраструктуры

В то время как для первого и второго поколений работа Ethernet ограничивается устройством подсетей некоторых приложений, таких как информационно-развлекательные или системы помощи водителю, с третьим поколением Ethernet станет основой в автомобильной сети. Типичная магистраль показана на рис. 4. При разработке такой сети основной идеей будет двусторонняя связь между ЭБУ, которая организована через сетевое администрирование.

Рис. 4. Магистраль Ethernet в доменной архитектуре

Еще одной особенностью новой архитектуры является то, что будет только одна магистральная сеть Ethernet, в которой должна осуществляться передача различных классов данных: диагностическая информация, видео/аудио-потоки и высоконадежные данные управления. В то время как AVB Ethernet и TTE уже могут обеспечивать различные уровни качества обслуживания в режиме реального времени, необходимо продолжать исследования и разработки для проверки безопасного сосуществования этих различных классов передачи данных в одной сети.

BroadR-Reach — 100-Мбит Ethernet для автомобильных решений

Хотя 100-Мбит Ethernet и IP- технология были доступны с начала 1990-х гг., прошло почти два десятилетия, прежде чем появился интерес к ним как к следующему поколению стандартных сетей со стороны автомобильной промышленности. Это произошло отчасти из-за отсутствия должного физического уровня, подходящего для использования в транспортных средствах. Рис. 5 иллюстрирует технические принципы и объясняет, почему ориентированный на потребителя физический уровень Fast и Gigabit Ethernet не применим в машине. Fast Ethernet базируется на MLT-3 сигнальной схеме (выделение трех уровней «+»/«0»/«–») и имеет однонаправленную связь по двум витым парам кабеля. Gigabit достигает десятикратного роста скорости передачи данных путем введения двунаправленного обмена на четырех витых парах кабеля и сигнальной схемы PAM-5. Чтобы компенсировать 6-дБ потери сигнал–шум в PAM-5 по сравнению с MLT-3 и избежать ошибок, используется решетчатый код (код Треллиса).

Рис. 5. Схемы кодирования стандартного Ethernet и BroadR-Reach

Высокая скорость передачи в 125 Мбод для Fast и Gigabit Ethernet вносит значительный вклад в электромагнитное излучение в критическом FM-радиодиапазоне и, следовательно, исключает использование недорогой неэкранированной витой пары в автомобильной среде. С использованием BroadR-Reach технологии удалось почти вдвое сократить скорость передачи (до 66,6 Мбод), что позволяет использовать неэкранированную витую пару. В принципе, BroadR-Reach можно рассматривать как «легкую» версию Gigabit с двунаправленной связью при использовании только одной пары проводов. Благодаря PAM-3 сигнализации может быть достигнута передача данных с погрешностью менее 10-10 даже без внесения поправок на ошибки.

Применение в автомобиле навязывает значительно более высокие требования к электронным системам и их компонентам (по сравнению с обыкновенным потребительским применением) главным образом с точки зрения электромагнитной совместимости [ISO11452] и условий окружающей среды. Первые исследования показали, что BroadR-Reach подходит для использования в автомобиле. Однако для достижения надежности следующего поколения автомобильных сетей должны быть разработаны новые оптимизированные компоненты (рис. 6). По сравнению со стандартным Fast Ethernet, спецификации могут быть значительно снижены. Применение емкостной связи вместо обычного трансформатора, усиления на аппаратном уровне — в составе протокола физического уровня, синфазных дросселей (CMC), разделительных конденсаторов, разъемов и кабеля неэкранированной витой пары — все это очень похоже на FlexRay или CAN-связь.

Рис. 6. Диаграмма BroadR-Reach системы

Протокол физического уровня в качестве интерфейса между аналоговыми средствами передачи и цифровыми MAC-контроллерами во многом определяет надежность связи. В то время как потребительский протокол физического уровня оптимизирован для поддержки кабелей длиной более 100 м, в автомобиле, как правило, приходится иметь дело с длиной менее 10 м. Задача здесь состоит в том, чтобы найти источник импульсов и приемник, оптимизированные для таких длин кабеля, которые смогут удовлетворить строгим требованиям излучения и защищенности. На рис. 7 показан спектр сигнала передатчика NXP с оптимизированным формированием импульсов, доказывающим, что проблема излучения может быть решена без использования дорогостоящего фильтра низких частот. Для сравнения: соответствующий спектр сигнала передатчика Fast Ethernet показывает более высокий сигнал в критическом FM-диапазоне.

Рис. 7. Спектр сигналов

Рис. 8. Глазковая диаграмма сигнала

Выводы

Глоссарий

CAN (Controller Area Network) — протокол промышленной сети, ориентированный на объединение контроллеров, исполнительных устройств и датчиков. Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Режим передачи — последовательный, пакетный. Обеспечивает передачу данных в реальном масштабе времени, коррекцию ошибок и высокую помехоустойчивость. Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Разработан компанией Robert Bosch GmbH в 1980-х гг. и в настоящее время широко распространен в промышленной автоматике, автомобильной промышленности, технологиях «умного дома» и других областях.

LIN (Local Interconnect Network) — протокол промышленной сети, разработанный консорциумом европейских автопроизводителей и предназначенный для создания дешевых локальных сетей обмена данными на коротких расстояниях в так называемом «человеческом» временном диапазоне (порядка сотен миллисекунд). LIN-протокол утвержден Европейским Автомобильным Консорциумом как дешевое дополнение к сверхнадежному протоколу CAN. LIN и CAN дополняют друг друга: область применения CAN — участки, где требуется сверхнадежность и скорость; область применения LIN — простые узлы, работающие с малыми скоростями на коротких расстояниях (дверные замки, стеклоочистители, стеклоподъемники, магнитола, климат-контроль).

FlexRay — высокоскоростной сетевой протокол для автомобилей, разработанный консорциумом FlexRay, основанным компанией NXP совместно с BMW, DaimlerChrysler, Bosch, GM и Volkswagen (консорциум распался в 2009 г.). Пропускная способность протокола достигает 10 Мбит/с. Протокол FlexRay более скоростной и надежный, но и более дорогой, чем CAN.

Ethernet (от англ. Ether — «эфир») — пакетная технология передачи данных для локальных компьютерных сетей. Первые версии технологии разработаны на рубеже 70–80-х годов. Стандарты Ethernet определяют как проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, так и форматы кадров и протоколы передачи данных на канальном уровне. Различные модификации Ethernet позволяют обеспечить передачу данных со скоростью 10 Мбит/с, 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet) и 10 Гбит/с (Ethernet 10G).

AVB или Ethernet AVB (Audio Video Bridging) — комплекс технических стандартов IEEE 802.1, разработанный альянсом AVnu Alliance для обеспечения удобной передачи медиа-потоков в рамках существующих Ethernet-протоколов.

С увеличением количества автомобильных электронных продуктов, масштаб и сложность бортовых электронных систем управления растут, и количество ECU также растет. Согласно статистическим данным, в 1996 году количество ECU на типичных автомобилях в Европе и Соединенных Штатах составляло 6, а к 2009 году число контроллеров для автомобилей высшего класса в Европе и Соединенных Штатах уже превысило 70. В то же время новые функциональные требования выдвигают различные требования к автомобильной сети, такие как высокая пропускная способность, безопасность и низкая стоимость, однако традиционная шина CAN больше не может отвечать растущим новым требованиям.

Водители возлагают все большие надежды на умные автомобили (включая информационно-развлекательные и коммуникационные), и неизбежно будет использовать новый автобус, отвечающий спросу. С тех пор как в 2011 году Broadcom выпустила первый автомобильный чип Ethernet, отвечающий требованиям EMC, все больше и больше OEM-производителей переключили свое внимание на технологию Ethernet в автомобиле. Благодаря высокой пропускной способности Ethernet, он может осуществлять быстрое обновление программ, передачу аудио, видео и других потоковых мультимедийных данных и магистральную сеть автомобиля.

1. Обзор сети автобуса

Традиционные автомобильные сети в основном включают LIN, CAN, FlexRay и MOST:

В соответствии с соответствующими характеристиками соответствующей шины транспортного средства в автомобильной сети реализуются различные приложения. Основные технические характеристики существующего автобуса приведены в таблице 1.

Благодаря постоянному развитию автомобильных технологий, интеллектуальных технологий и сетей, применению новых технологий, таких как автомобильные системы ADAS, автомобильные развлекательные системы высокой четкости, системы Internet of Vehicles, облачные сервисы и большие данные в транспортных средствах, существующий автобусный транспорт не может удовлетворить текущие потребности Существует насущная потребность в сети внутри транспортного средства с высокой пропускной способностью, открытостью, масштабируемостью, надежной совместимостью и удобной агрегацией сети при одновременном соблюдении строгих правил транспортного средства, электрических условий транспортного средства и высоких требований к надежности. Поэтому появился новый тип сети транспортных средств (автомобиль Ethernet). Автомобильный Ethernet - это новая технология локальной сети, которая соединяет электронные блоки в автомобиле.В отличие от обычного гражданского Ethernet, в котором используются 4 пары неэкранированных витых пар, автомобильный Ethernet может достигать 100 Мбит / с на одной паре неэкранированных витых пар. Даже скорость передачи данных 1 Гбит / с отвечает требованиям автомобильной промышленности в отношении высокой надежности, низкого электромагнитного излучения, низкого энергопотребления, распределения полосы пропускания, низкой задержки и синхронной работы в реальном времени.

2. Архитектура протокола транспортного средства Ethernet

Установленный на транспортном средстве протокол Ethernet представляет собой группу кластеров протоколов на разных уровнях, но обычно он рассматривается как четырехуровневая система протоколов: прикладной уровень, транспортный уровень, сетевой уровень и уровень канала передачи данных. Каждый уровень имеет различные функции. Четырехуровневая структура соответствует эталонной модели OSI и предоставляет кластеры протоколов и прикладные программы высокого уровня, сформированные в рамках различных протокольных структур.Техническая архитектура устанавливаемого на транспортном средстве Ethernet и поддерживаемых им протоколов верхнего уровня показаны на следующем рисунке.

2.1 Физический уровень (OABR)

Что касается модели OSI, встроенный Ethernet использует технологию BroadR-Reach Broadcom на физическом уровне, то есть на первом и втором уровнях. Технология физического уровня (PHY) BroadR-Reach состоит из OPEN (One-pair Ethernet Alliance, пары Ethernet). Сетевое) продвижение альянса, поэтому его иногда называют ОТКРЫТЫМ альянсом BroadR-Reach (OABR).

BroadR-Reach предоставляет стандартный интерфейс уровня Ethernet MAC, поэтому он может использовать те же логические функции уровня канала передачи данных и форматы кадров, что и другие типы Ethernet, и может запускать протоколы и программное обеспечение высокого уровня так же, как и другие типы Ethernet.

BroadR-Reach использует два набора методов кодирования и сигнализации для преобразования потока данных со скоростью 100 Мбит / с на уровне MAC в троичный сигнал со скоростью 66 Мбит / с, что позволяет реализовать скорость передачи данных 100 Мбит / с в более низком частотном диапазоне. , Так что BroadR-Reach достигает высоких скоростей передачи данных при более низких затратах на проводку. Более низкая полоса пропускания сигнала может улучшить возвратные потери, уменьшить перекрестные помехи и обеспечить соответствие автомобильного Ethernet автомобильным стандартам электромагнитного излучения. BroadR-Reach передает дифференциальные сигналы по одной паре неэкранированных витых пар, аналогично другим сетям транспортных средств, таким как CAN, и BroadR-Reach может обеспечить гальваническую развязку для сети с номинальным смещением заземления до 2500 В.

BroadR-Reach поддерживает полнодуплексную связь, позволяя двум узлам Ethernet в транспортном средстве соединяться для одновременной отправки и получения данных. BroadR-Reach использует передовую технологию цифровой обработки сигналов, чтобы понять, что два узла в канале могут отправлять и получать данные по каналу одновременно, включая использование специального оборудования, такого как гибридные кабели и технология эхоподавления, так что каждый узел Ethernet может Различают отправленные и полученные данные.

Применение вышеупомянутых передовых технологий к Ethernet в транспортном средстве делает физический уровень BroadR-Reach значительно отличающимся и более сложным, чем традиционные сети CAN, LIN и Flexray в транспортном средстве, что затрудняет разработку соответствующего опыта в разработке транспортных средств в сети и инженеров по испытаниям в автомобильном Ethernet. Пересаживать и применять в тестовой работе.

2.2 Кластер протокола AVB

AVB-Ethernet Audio Video Bridging (Ethernet Audio Video Bridging) - это набор протоколов передачи аудио и видео в реальном времени, основанный на новой архитектуре Ethernet, которую рабочая группа IEEE 802.1 начала разрабатывать в 2005 году.

Быстрое развитие автомобилей в области информационно-развлекательной и водительской помощи требует, чтобы в автомобильных системах передавалось больше аудио- и видеоданных, поэтому была применена технология AVB на основе Ethernet.

Высокая пропускная способность AVB и качество обслуживания обеспечивают своевременную передачу данных, более высокую надежность и более низкую стоимость, а также открытые технические стандарты. Это очень удобно для развертывания в автомобильной промышленности по протоколу AVB.

Кластер протокола AVB включает в себя протокол точной синхронизации времени и протокол синхронизации (gPTP, протокол точного времени), протокол резервирования потока (SRP), чувствительный ко времени протокол пересылки потока и очереди (FQTSS), а также протокол передачи аудио и видео (AVBTP). Среди них, чтобы уменьшить задержку в автомобильном Ethernet, пропускная способность обычно не резервируется динамически, поэтому задержка, вызванная SRP, в настоящее время не рассматривается, в то время как остальные три протокола в основном представляют собой задержку, вызванную планированием трафика (то есть задержкой помех) и тактовой частотой. Задержка вызвана синхронизацией.

1. 802.1AS: протокол точного времени (PTP)

2. 802.1Qat: протокол резервирования потока (SRP)

3. 802.1Qav: протокол очереди и пересылки (Qav)

4. 802.1BA: аудио-видео мостовые системы

5. 1722: Протокол передачи аудио / видео через мост (AVBTP)

6. 1733: Транспортный протокол в реальном времени (RTP)

7. 1722.1: отвечает за поиск устройств, перечисление, управление подключениями и взаимный контроль между устройствами на основе 1722.

AVB может передавать не только аудио, но и видео. При использовании для передачи звука в сети 1G AVB будет автоматически использовать протокол резервирования полосы пропускания для передачи 750 М полосы пропускания для передачи двунаправленного высококачественного несжатого профессионального аудиосигнала с 420 каналами. Оставшаяся полоса пропускания 250 М может по-прежнему передавать некоторые сетевые данные не в реальном времени. При использовании для передачи видео зарезервированная полоса пропускания может быть отрегулирована в соответствии с конкретными применениями. Например: полоса пропускания 750 М может легко передавать видеосигналы без потерь в формате Full HD с высоким разрешением. И может быть произвольно маршрутизирован в сети AVB.

802.1AS в AVB является конкретной реализацией протокола 1588 в двухуровневой архитектуре. Это самая важная часть набора протоколов AVB.

2.3 Кластер протоколов TCP / IP

Набор протоколов TCP / IP соответствует транспортному уровню модели OSI.Эта часть является центральной частью структуры сети и важной точкой соединения между уровнем, связанным с оборудованием, ниже и уровнем обработки программного обеспечения выше.

Протокол TCP / IP отвечает за предоставление некоторых важных услуг, позволяющих программным приложениям высокого уровня функционировать в Интернете, выступая в качестве моста между требованиями приложений высокого уровня и протоколами сетевого уровня. TCP / IP в основном отвечает за сквозную связь между хостами. Двумя ключевыми протоколами передачи являются протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) и протокол управления передачей (TCP).

2.4 Протокол прикладного уровня

Протокол прикладного уровня является интерактивным интерфейсом между пользователем и сетью, он отвечает за обработку специфичных для сети деталей и охватывает уровни 5-7 эталонной модели OSI.

3. Стандартизация и применение Ethernet для транспортных средств

Применение интеллектуального автомобильного сетевого соединения должно поддерживать множество систем и устройств, а также возможности агрегирования внутренних и внешних сетей. Автомобильная сеть должна быть масштабируемой и иметь хорошую совместимость. Поэтому автомобильный Ethernet используется для реализации и инноваций автомобильных приложений. При этом стандартизация является важным движущим фактором. Благодаря стандартизации OEM-производители могут удовлетворить потребности клиентов и обеспечить качество продукции. Проектирование OEM-производителей в соответствии со стандартами может не только сократить время выхода на рынок продуктов, но и обеспечить доступность, жизненный цикл, возможность обновления и функциональную совместимость продуктов.

3.1 Текущее состояние стандартизации транспортных средств Ethernet

Стандартизация транспортных средств Ethernet в основном определяется рабочими группами IEEE802.3 и IEEE802.1, альянсом AUTOSAR, альянсом OPEN и альянсом AVnu. Ситуация в области стандартизации обобщена в таблице ниже.

3.2 Применение автомобильного Ethernet

Автомобильный Ethernet определяется как технология локальной вычислительной сети следующего поколения, которая не может полностью заменить существующую автомобильную сеть за короткий период времени. Его применение в автомобильной промышленности требует постепенного процесса. В соответствии с процессом применения установленного в автомобиле Ethernet в автомобильной сети его можно условно разделить на три этапа: этап локальной сети, этап подсети и этап нескольких подсетей.

На этапе локальной сети технология Ethernet на транспортном средстве может применяться к определенной подсистеме для реализации функций подсистемы, таких как диагностика OBD на основе протокола DoIP, камеры с использованием протокола IP и т. Д .;
На этапе подсети некоторые подсистемы могут быть интегрированы для создания установленной на транспортном средстве подсистемы Ethernet для реализации функций каждой подсистемы, таких как мультимедийная система развлечений и отображения на основе протокола AVB, система ADAS и т. Д .;
На этапе с несколькими подсетями объединяются несколько подсетей, установленный на транспортном средстве Ethernet служит магистральной сетью, устанавливаемой на транспортном средстве, объединяя функции различных областей транспортного средства, таких как питание, шасси, кузов и развлечения. Комплексное применение по локальной сети автомобиля.

4. Автомобильный тест Ethernet

Поскольку количество автомобилей продолжает расти, требования людей к функциональности и безопасности автомобилей также растут. Высокое качество, высокая надежность и безопасность автомобиля должны быть полностью и полностью протестированы, чтобы гарантировать. Во время исследований и разработок в автомобиле Ethernet, проблемы должны быть обнаружены и решены как можно скорее и эффективнее, а потери затрат должны быть уменьшены.

4.1 Разница между традиционным тестом Ethernet и тестом Ethernet в автомобиле

Ethernet является одним из стандартов компьютерной проводной сети, а ЛВС, обычно используемая в домах и на рабочих местах, является наиболее часто используемым техническим стандартом. Существует определенная разница между традиционным тестом Ethernet и тестом Ethernet в автомобиле. Например, традиционная ИТ-индустрия предъявляет низкие требования к соответствию Ethernet и не имеет стандартов тестирования соответствия, а автомобильная промышленность предъявляет высокие требования к тестированию Ethernet в транспортном средстве.Стандарты тестирования соответствия отрасли были сформулированы соответствующими организациями или альянсами. Соответствующая информация о сравнении тестов приведена в таблице ниже.

4.2 Содержание теста автомобильного Ethernet

Столкнувшись с ростом функциональности и сложности, Ethernet в транспортном средстве сокращает цикл тестирования и стоимость за счет стандартизированного тестирования, обеспечивая при этом высокую степень охвата тестированием. Основной отчет о тестировании - это тест физического уровня, тест на соответствие, тест производительности, функциональный тест, тест сетевой безопасности и некоторые базовые тесты. Соответствующие тестовые элементы показаны в таблице 4.

Тест Ethernet в транспортном средстве может относиться к международно принятой модели V. Этап тестирования разделен на тестирование компонентов, тестирование системы и тестирование реального транспортного средства. Основной тестовый контент на каждом этапе можно разделить на тест на соответствие, тест производительности и тестовый контент, определенный OEM:

Содержание тестирования соответствия - это, в основном, стандарты соответствия, функциональной совместимости, тестирования стабильности и надежности;
Тестирование производительности в основном проводит моделирование реальных сценариев связи, функциональное тестирование и анализ различных методов измерения (таких как задержка, пропускная способность, дрожание, потеря пакетов, качество обслуживания, синхронизация времени и т. Д.).
Тестирование компонентов включает в себя связанные тесты, определенные AVnu, индивидуальные тесты OEM, связанные тесты, определенные OPENTC8 и т. Д .;
Системные тесты включают тесты связи, диагностические тесты, тесты управления сетью, тесты маршрутизации шлюза, флэш-тесты и тесты, связанные с функциями;
Фактический тест транспортного средства в основном включает в себя тесты, связанные с функциями Ethernet, содержание теста, определенное OEM, и т. Д.

Базовый тест и тест сетевой безопасности встроенного Ethernet проходят через все этапы процесса тестирования.

Множество датчиков и электронных блоков управления (ECU), которые должны быть подключены, наряду с требованиями к все более высокой пропускной способности, требуют соединений с высокой пропускной способностью и масштабируемости для обеспечения более гибкой архитектуры. Автомобильный Ethernet (Automotive Ethernet), один из вариантов на сегодняшнем рынке, был представлен в 2008 году. 100Base-TX-Ethernet был развернут в автомобильном секторе для подключения бортовых диагностических интерфейсов (OBD), что позволяет создать единый диагностический порт, на котором выполняется диагностика по интернет-протоколу (DoIP) и быстрая загрузка программного обеспечения (со значительно улучшенными скоростями передачи данных).

Однако, поскольку требования к более высокой пропускной способности и большему количеству приложений возрастают, автомобильный Ethernet может оказаться не самым лучшим решением.

Существует три ключевых вызова для автомобильного Ethernet:

Много гигабитная передача данных в автомобиле в ближайшем будущем, в то же время нацеленность на более высокие цифры (более 100G) в долгосрочной перспективе.
Надежность электромагнитной совместимости (включая режимы «отказоустойчивый») в шумной автомобильной среде.
Недорогой, легкий жгут проводов для поддержки всех устройств в «центре обработки данных на колесах» с наиболее оптимизированной и экономически эффективной архитектурой.

Сражение пропускных способностей

Автомобильные Ethernet 100Base-T1 и 1000Base-T1 используют IEEE Audio Video Bridging (AVB) для потоковых приложений в реальном времени и чувствительных ко времени сетей (TSN) для детерминированного поведения. Конечно, протоколы AVB и TSN увеличивают издержки (и задержку) и требуют большой вычислительной мощности. Есть цена, которую нужно заплатить (сложность разработки и стоимость решения) всякий раз, когда кто-то хочет упростить и пакетировать аудиоданные или видеоданные с высокой пропускной способностью и передавать эти потоковые данные через программные стеки.

Автомобильный Ethernet использует прямое исправление ошибок (FEC) для обеспечения достоверности передаваемых данных. Однако добавление избыточных битов данных увеличивает издержки канала и снижает эффективную полосу пропускания, что является ключевым фактором при планировании пропускной способности системы. Кроме того, решения на основе FEC могут реагировать только на постепенные профили шума, что делает их непригодными для обработки мгновенных шумов от событий электромагнитных помех.

HDBaseT

HDBaseT Automotive может передавать собственные данные Ethernet (100 МБ / 1 Гбит / 2,5 Гбит / с) по одному проводу не экранированной витой пары (UTP). И это можно сделать, обеспечивая исключительную надежность электромагнитной совместимости (ЭМС). Поскольку жгут проводов не экранирован, не возникает никаких сложностей, связанных с заземлением, и существует большая гибкость в отношении повторного использования устаревших многоконтактных разъемов (таких как MQS), даже для 1 GbE. Поскольку наборы микросхем передают стандартный интерфейс Ethernet PHG Ethernet / SGMII MAC на обоих концах канала, для систем на базе Ethernet выше физического уровня изменений не происходит, что упрощает общую архитектуру и снижает занимаемую площадь и потребности в энергии.

Наконец, HDBaseT Automotive позволяет объединять дополнительные интерфейсы (такие как видео, аудио, PCIe, USB и так далее) по одному каналу, сокращая количество необходимых проводов в автомобиле. Для PCIe и других интерфейсов HDBaseT Automotive уже поддерживает пропускную способность 16 Гбит / с по UTP с дополнительными интерфейсами в дорожной карте, такими как CSI-2.

Читайте также: