採用BroadR-Reach技術 車用乙太網路可靠度提升
繼控制器區域網路(CAN)和FlexRay之後，汽車產業已將乙太網路視為新一代車用網路基礎架構中極具潛力的方案。乙太網路做為國際電機電子工程師學會(IEEE)標準，主要活躍於消費和工業領域，在元件、軟體和工具的應用方面表現突出。此外，乙太網路具更高的頻寬，能滿足諸如新興駕駛輔助和資訊娛樂系統等應用需求，但在擴展彈性、低成本、低功耗和耐用性等方面，乙太網路仍待進一步優化，才能真正獲得汽車產業全面採用。雖然乙太網路晶片實體層的優化已開始進行，但仍須以汽車實際應用案例為重點做出更多的創新。本文將討論新的網路拓撲結構和元件，並描述乙太網路進入汽車應用市場的發展歷程。
資訊娛樂系統漸普及 車用乙太網路崛起
隨著越來越多新應用(如進階安全和娛樂解決方案)出現，汽車中對通訊和頻寬的需求正不斷增加，終端用戶希望車載娛樂功能可以達到與家庭娛樂系統同樣的水準，然而，現有汽車控制網路(如區域互連網路(LIN)、CAN和FlexRay標準)在設計時並未考慮到日益增長的頻寬和擴展性需求，這是各種駕駛輔助系統(Driver Assistance Systems, DAS)的現狀。未來的車用網路技術在硬體和軟體解決方案上，應盡量重複利用來自消費端和其他非汽車領域的成熟技術，同時考量汽車的獨特需求，包含硬體元件與軟體協議皆然。雖然市場也有針對高頻寬的車用通訊解決方案(如媒體導向系統傳輸(MOST))，但成本過於高昂，難以在汽車網路系統中普及。經歷史自然推展，目前車用網路架構已經形成一種異質網路系統(如圖1左側原理圖所示)。
如果建立一個全新的車用網路，並放棄過去落後的架構，那麼這個車用網路架構將如圖1右側所示。在此，電子控制單元(ECU)採用層級架構，不同的應用程式定義域通過高速資料通道相連。乙太網路為此種解決方案提供所有先決條件–既可以做為骨幹匯流排連接各種應用程式定義域，也可以用於連接需要更高頻寬的子網路。如今，交換式乙太網路依賴點對點通訊，其有效頻寬使用率高於CAN或FlexRay一類的廣播系統。交換這個概念具有顯著的優勢，可以應用於彌合域之間的橋接，而毋須像複雜閘道一樣，對傳輸的訊息或封包進行費時的封包和重排序操作。
在汽車中使用乙太網路意味著新一代車用網路系統設計的根本性變革–連接不同的區域網路，傳輸不同種類的資料(控制資料、串流等)，滿足苛刻的穩定性要求(擴展溫度範圍和電磁相容(EMC)性能)。
乙太網路跨足汽車市場
乙太網路是一種開放式區域網路(LAN)標準，定義開放式系統互聯(OSI)參考模型中兩個較低的層級。過去數10年中，頻寬從10Mbit/s到10Gbit/s的發展過程中，IEEE 802標準化委員會定義多種實體層。IEEE 802.3u(100Base-TX)廣泛用於消費和工業領域，近期更被選為汽車診斷網路標準，詳述於ISO 13400。
除資料連結層和實體層外，還必須考慮更高的網路通訊層(圖2)。AVnu聯盟的AVB(Audio/Video Bridging)Task Group發起針對涵蓋IEEE 802標準的高階服務。IEEE 802.1AS、QAT、QAV和BA協定涵蓋音訊/視訊橋接(Audio/Video Bridging)系統中的位址時序和同步、串流保留、轉發和排除。此外，傳輸協議層(如IEEE 1722)有利於促進透過乙太網路AVB網路傳輸串流時間敏感型音訊和/或視訊，同時達成終端站之間的交互操作。
愈來愈多駕駛輔助系統利用攝影鏡頭達成環境觀察等應用。最近致力於通訊協議和實體層標準化的各種活動已隨ISO 17215起步，稱為「攝影鏡頭視訊通訊介面」。為進一步發展汽車乙太網路技術，業界針對實體層成立一特別組織–OPEN(One Pair EtherNet)聯盟。該聯盟致力於元件標準化，並以博通(Broadcom)的BroadR-Reach技術為基礎進行符合性測試。OPEN聯盟另一個目標是收集對未來技術的要求，如簡化版雙絞線(Reduced Pair Gigabit)。
乙太網路並非針對分時多重存取(TDMA)網路開發，因此，汽車系統仍然須要解決另一問題，意即找到一種能夠滿足即時性能和服務品質的解決方案。AVB已包含相對應的措施，確保即時傳輸媒體串流。
對於第二代車用AVB Work Group而言，改善延遲是一重要目標。時間觸發型乙太網路(Time-Triggered Ethernet, TTEthernet)最先被應用於需要高安全層級的航空系統中。TTEthernet定義於SAE AS6802之中，且不同於AVB，其以分散式時脈同步演算法為基礎，可打造出精準排程。
儘管AVB和TTEthernet有可能同時整合，但仍然須進一步研究，以確保在汽車應用中的適用性，因為在此類應用中，多媒體串流、資料即時控制和資訊診斷以及軟體更新將在同一網路中進行傳輸。
第一波應用–IP診斷
汽車乙太網路最初主要應用於汽車診斷系統(OBD)，以及ECU快閃記憶體更新，它縮短了診斷資料讀取和更新軟體的時間。而現有的車用網路系統(如CAN和FlexRay)則因為頻寬不足，無法在指定的時間內完成上述工作。汽車業界選擇了100Base-TX乙太網路路搭配CAT5網線做為汽車與診斷測試設備之間的介面。乙太網路擁有更高的頻寬，能夠節省服務和製造成本。ISO 13400和ISO 14229採用現有業界標準，定義長期成熟穩定的診斷標準。對用於汽車診斷系統的乙太網路，其可靠性和溫度容差等要求均有所放寬，因此市場中可供選擇的產品和元件供應商較多。
第二波應用–DAS/資訊娛樂系統
第二波應用–DAS/資訊娛樂系統
第二代汽車乙太網路將滿足資訊娛樂和駕駛輔助系統的需求。現有的後視攝影鏡頭通常採用低電壓差分訊號(LVDS)傳輸影像資料，這種方案對單一攝影鏡頭來說非常有效。未來的車用系統將由多個攝影鏡頭融合遠近端雷達感測器資料(圖3)。如果以LVDS系統為基礎進行構建，則需要更多的線路才能滿足頻寬需求，但同時將帶來電磁干擾(EMI)；且LVDS纜線與連接器非常昂貴，成本也會隨之上升，因此難以滿足車用系統的需求。相較之下，乙太網路可將攝影鏡頭連接到中央控制單元，可以擁有足夠的頻寬進行同步和其他處理。
乙太網路攝影鏡頭還可從「節能乙太網路(IEEE 802.3az)」中受益，這種乙太網路擁有低截收率(LPI)模式和喚醒功能，當攝影鏡頭處於閒置狀態時可以節能。此外，乙太網路供電(PoE)解決方案能夠進一步減少線束，因而成為首選方案。目前業界對於更高的頻寬和更低延遲的要求相當顯而易見，例如在障礙探測應用中須避免壓縮假影，以及用於目標探測的高解析度攝影鏡頭均要求傳輸資料不經壓縮，因而助長更高的頻寬需求。
近期的資訊娛樂解決方案主要奠基於專有且非擴展性的技術。汽車乙太網路以AVB標準為基礎，為這個新興應用領域帶來具成本效益的解決方案，現有的AVB第一代乙太網路元件可在保證的延遲範圍內達成視訊和音訊資料的同步傳輸。這兩個應用領域都將從當前的AVnu標準化活動以及奠基於BroadR-Reach實體層的開關和PHY發展進程中受益。
第三波應用–網路骨幹
第一代和第二代乙太網路僅限於資訊娛樂、駕駛輔助等應用的子網路之中，第三代乙太網路則將成為車用網路的骨幹部分，典型骨幹網路如圖4所示，此類網路的設計將徹底改變網路管理ECU間通訊的組織方式。
通訊網路將採用具高度層級的組織方式，其中，網域主控站透過乙太網路骨幹相連。網域控制站以下的子網路亦可以乙太網路為基礎，透過開關達成各網路層之間的橋接。這種結構的解決方案具擴展性，因為每個開關埠皆可以實現10Mbit/s、100Mbit/s或1Gbit/s的傳輸速率，且毋須更改較高的協定層。這種根本性的變革也反映於訊息可透過網域邊界傳輸到目的地的應用情境。雖然現今網路是依賴複雜的網路閘道達成上述功能，但人們針對骨幹網路提出在開關和路由器中採用已知且成熟的網際網路協定(IP)路由方案。其優勢在於，IP路由完全獨立於基礎網路運作，可為整體車用網路提供同質定址模式。另外，乙太網路借助IP概念，可以輕鬆地將汽車基礎設施與網際網路相連，該趨勢是由終端用戶推動，使用者希望能像在家中一樣，也可在車上使用各種網路服務。
新架構的另一個特點是只需要一種骨幹網路技術，意即乙太網路，來處理不同級別的資料通訊，如診斷、視訊/音訊串流和高度可靠的控制資料。雖然AVB乙太網路和TTEthernet已經能夠提供不同水準的服務品質(QoS)和即時性能，但仍然須要進行更多的研發，以驗證這些不同資料通訊種類能在同一網路中安全共存。
BroadR-Reach問世 汽車乙太網路邁向100Mbit/s
儘管100Mbit/s乙太網路和IP技術早在90年代初就已出現，但過了近20年後，汽車工業才體認到乙太網路做為新一代車用網路標準的優勢，部分原因是缺少可供汽車使用的實體層。圖5詳細地展示技術原理，說明針對消費應用的高速與千兆乙太網路實體層未進入汽車領域的原因。高速乙太網路奠基於MLT-3信令方案(區分為三個層次+/0/-)，藉由兩對雙絞線電纜達成單向通訊。千兆乙太網路透過四對雙絞線電纜和奠基於PAM-5的信令方案，利用雙向通訊模式，使資料速率提高十倍。為補償PAM-5相對於MLT-3信令方案的6dB噪訊比損耗，須採用成本高昂的錯誤更正碼(Trellis)。
由於高速與千兆乙太網路的串列傳輸速率較高，可達125MBaud，在車用系統環境中會顯著提升調頻波段中的電磁放射，因而排除使用較便宜的非遮罩雙絞線電纜。BroadR-Reach技術成功地使串列傳輸速率降至66.6MBaud，開啟使用非遮罩雙絞線電纜。原理上，BroadR-Reach被視為「輕量級」千兆乙太網路，只需一對電纜即可實現雙向通訊。得益於PAM-3信令方案，即使不採用錯誤糾正也可實現少於10-10的誤率。
相較於消費應用而言，汽車應用對於電子系統及元件的要求更加嚴苛，主要反映在EMC[ISO11452]和環境條件方面。調查顯示，BroadR-Reach適用於汽車環境，然而為符合新一代車用網路標準所需要的穩健性，必須開發新型優化元件。圖6中的系統示意圖展示汽車BroadR-Reach鏈路中的主要元件。與標準高速乙太網路相比，物料成本將大幅降低。通過電容耦合替代傳統變壓器，實體層硬體方案由PHY、共模電感(CMC)、耦合電容、連接器和交叉無遮蔽雙絞線(UTP)電纜構成，與FlexRay或CAN鏈路組成非常相似。
做為類比傳輸介質與數位MAC控制器之間的介面，PHY對鏈路的穩健性和電磁輻射性能具關鍵影響力。儘管消費應用PHY經過優化後可支援100公尺以上的電纜長度，但汽車應用PHY通常僅需少於10公尺的鏈路長度。問題在於，必須找到一種針對該電纜長度進行優化的脈衝整形和接收器等化器執行模式，該模式也須符合汽車應用對電磁輻射和抗干擾的嚴格要求。圖7展示業界發射器概念的訊號頻譜，其脈衝整形經過優化，從圖中可以看出，毋須採用昂貴的低通濾波器元件，也可達到車用放射要求。為便於比較，高速乙太網路發射器相應的訊號頻譜在關鍵的調頻波段，表現出較高的訊號能量。
BroadR-Reach技術可使用無遮蔽雙絞線電纜，提高乙太網路在汽車應用中的成本競爭優勢。BroadR-Reach產品與消費應用相反，須要就環境條件(主要指溫度)對乙太網路訊號完整性的影響進行深入研究。圖8比較一條長20公尺的FlexRay電纜在室溫下與105℃高溫下的眼圖。在高溫下眼孔變小，表示交互符號干擾(Inter Symbol Interference, ISI)受電纜頻寬限制而不斷上升。只要電纜長度不超過20公尺，噪訊比(SNR)的下降可藉由接收器中的適應性等化機制得到補償，且不會影響誤率。
透過BroadR-Reach，適合汽車領域的乙太網路實體層將得以實現，不但擁有成本優勢，而且能夠滿足EMC、穩健性和環境條件等主要汽車應用要求。為充分發揮BroadR-Reach技術的潛力，未來業界還將開發汽車專用PHY和共模電感。
展望未來，駕駛輔助系統和資訊娛樂系統需要更高的通訊頻寬，因此，網路拓撲結構從因域而異的分散式架構轉向需要骨幹網路的層級性架構。在這波變革中，乙太網路為新一代車用網路架構提供擴展性和靈活性，而CAN和FlexRay將仍為未來10年車身應用和關鍵安全通訊首選。
業界除將展開進一步的研發、驗證不同資料通訊種類是否能在同一乙太網路中安全共存，亦將針對汽車應用發展優化新型元件，推動乙太網路開關和PHY發展，目前已率先在BroadR-Reach技術上展開優化研究。與此同時，OPEN聯盟和AUTOSAR正努力在硬體和軟體層面推動進一步的標準化工作。
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