汽车以太网优势有哪些 车载总线技术对比

  以太网（Ethernet，IEEE 802.3标准）应用市场广阔，自1973年诞生以来，已经历40多年的发展历史。因其具备技术成熟、高度标准化、带宽高及低成本等诸多优势，成为了应用最普遍的局域网技术，覆盖家庭网络及用户终端，企业及园区网，运营商网络，大型数据中心和服务提供商等应用领域，在全世界内形成了以太网生态系统，是当今信息世界最重要的基础设施，一定要通过以太网通信的终端设备都能够使用以太网物理层芯片（PHY芯片）及相关设备实现通信。

  以太网协议采用星形拓扑或线标准的基础，在OSI（Open System Interconnection）七层（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层）网络结构中，以太网协议在物理层和数据链路层工作。以太网将数据链路层的功能划分到了两个不同的子层，分别是逻辑链路控制层和介质访问控制（MediaAccess Control，MAC）层。

  本文主要关注物理层，OSI物理层规范规定的是连接传输介质的相关器件标准，最重要的包含机械特性，电气特性和功能特性。机械特性是指接口所用连接器的尺寸、引线个数、引线排列顺序，以及固定方式和材质等机械性能指标；电气特性是指介质及接口电压、电流指标；功能特性是指物理层器件要实现的功能，例如，怎么样处理数据流，使用哪种编码方式，以及规定帧格式等。

  根据以太网联盟创建的路线图，将以太网应用分为五大类：工业自动化，车载以太网，企业应用，电信运营商，数据中心。具体来看，包括信息通信（路由器、交换机、无线终端、中继器），智能电子（机顶盒、LED显示屏、网络打印机、智能电视），工业控制（矿业、工业相机等），监控设备（安防摄像头），和汽车系统中的辅助驾驶、智能网联、摄像头、激光雷达、行车记录仪等。

  以太网物理层芯片（PHY）工作于OSI网络七层架构的最底层，是有线传输通信芯片，用以实现不同设备之间的连接。具体而言，PHY芯片连接数据链路层的设备到物理媒介，并为设备之间的数据通信提供传输媒介，处理信号的正确发送与接收。

  网络接口电路一般由CPU、MAC控制器和物理层接口（PHY）组成，PHY整合了多种模拟电路，MAC是全数字器件。它们通常有以下三种集成结构：1、CPU内部集成了MAC和PHY，这种比较少见；2、CPU内部集成了MAC，PHY是独立芯片，这种很常见；3、CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片。

  在IC设计业内，PHY芯片的研发门槛是比较高的，是因为PHY芯片要将数字信号转换为模拟信号，并把它发送到通信介质上，同时，从接收到的模拟信号中恢复出数字信号，再传输到上层芯片处理。因此，PHY芯片是一个复杂的数模混合系统，芯片中包含高性能SerDes、ADC/DAC、高精度PLL等AFE设计，还包括滤波算法和信号恢复等DSP设计，其中，模拟电路主要负责模拟信号与数字信号之间的转换，，数字电路负责数字信号的处理，实现降噪、干扰抵消、均衡、时钟恢复等功能。因此，这种芯片研发需要深厚的数字、模拟、算法等全方位的技术经验，还需要产品设计团队高效配合，不是一般的工程师能完成的。

  近些年，各种数字化终端设备大规模普及，通信、计算、存储、监控等各种应用和网络逐渐融合。

  据IDC预测，未来3年全球算力规模将以超过50%的速度增长，到2025年整体规模将达到3300EFlops，2025年全球物联网设备数将超过400亿台，产生的数据量接近80ZB，超过一半的数据需要依赖终端或者边缘的计算能力进行处理。

  以太网作为应用最广的局域网传输技术，在传输可靠性、稳定性等方面有着非常明显优势，可以为物联网设备、操作系统和软件运行提供基础网络层。随着物联网和AI发展带来的数据传输量不断攀升，以太网应用将在现有基础上不断扩展。

  在这样的大背景下，PHY芯片作为以太网传输的基础芯片，随着各种应用数据量的爆发式增长，其市场规模也在持续上涨。

  据中国汽车技术研究中心预测，2022~2025年，全球以太网PHY芯片市场规模将保持25%以上的年复合增长率，到2025年，有望突破300亿元。

  随着以新能源汽车为代表的当代汽车向电动化、网联化、智能化方向发展，传统汽车使用的总线（CAN、LIN、FlexRay、MOST）在成本、性能上越来越难以满足现代化汽车的需求，而以太网在汽车应用中的优势逐渐凸显出来。车载以太网PHY芯片有望在新能源汽车智能化发展的新趋势带动下实现大规模应用。

  当代汽车中使用的电子控制和通信系统慢慢的变多，如发动机电控系统、自动变速器控制管理系统、防抱死制动系统（ABS）、自动巡航系统（ACC）和车载多媒体系统等。这些系统之间、系统和汽车的显示仪表之间、系统和汽车故障诊断系统之间都有必要进行大量的数据交换，这样的一种情况下，就不能用导线进行点对点的连接和信息传输方式，因为这样装配很复杂，且故障率会很高。这时，就要使用到汽车总线。

  汽车总线是用于车载网络中底层设备或仪表互联的通信网络，是车用网络与车载设备控制管理系统的集成。

  传统汽车总线LIN和CAN，虽然市场占有率很可观，但是，它们的传输速率已经不能够满足逐渐增多的电气设备的要求，MOST总线虽然在传输速率上有很大提升，但其环形拓扑结构阻碍了在整车中的普及，FlexRay总线的数十兆传输速率、循环冗余网络拓扑结构和同步能力很优秀，但是，FlexRay网络的负载率及其难以实现预期的传输速率、价格昂贵等因素使它仅能用于信息娱乐系统。

  此外，汽车内部电子电气（E/E）元器件的数量和复杂度大幅度的提高，单辆车ECU数量已经从20-30个增加到100多个，部分车型线英里，E/E架构已经不能够满足汽车智能化时代的发展需求，因此，车载网络转向域控制和集中控制的趋势越来越明显，总线也需要向高带宽方向发展。

  车载以太网在传统以太网技术的基础上进行了一系列优化和改良，使之更为贴合车内通信需求。

  车载以太网针对车内通信需求研发出了一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。车载以太网技术率先应用于智能驾驶和智能座舱，并在未来实现对整车通信技术的逐步替代，是近些年以太网技术发展的重要方向之一。

  线束轻量化是以太网相较于其它总线的另一大优点。减轻汽车自重是节能的基本途径，而选用轻质材料是实现汽车轻量化最有效的方法，线束的复杂性使其成为汽车结构中仅次于底盘与发动机的第三重部件。部分传统总线线缆厚重，且需要额外的屏蔽以保护其不受电磁干扰，而车载以太网使用单对非屏蔽双绞线及更小型的连接器，与传统总线%的线%的布线重量。可利用回声抵消技术在单线对上实现双向通信，以满足智能化对高带宽的需求。

  传统以太网一般都会采用4对线对线，这就导致同样传输速率下，车载以太网PHY芯片的设计和实现难度成倍增加，这也是目前各大厂商技术和产品的优点和竞争力的焦点。

  架构的改变和无人驾驶传感器带来的大量数据处理需求，使得带宽成为下一代汽车网络技术的关键。与传统车载总线网络不同，车载以太网能够给大家提供带宽密集型应用所需的更高数据传输能力，同时，其先天技术优势能够完全满足汽车对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟、轻量化等方面的要求。目前，博世、采埃孚等都提出了下一代汽车网络架构，特斯拉在Model 3和Model Y中已经采用域控制结构。

  无人驾驶级别越高，车内通信对高速率网络的需求就越迫切，L3以上的无人驾驶，需要在车内搭配2.5/5/10G以太网，而到了L4/L5无人驾驶，车内需要引入10G+以太网。因此，高速车载以太网是实现L3及以上自动驾驶必不可少的配置。

  据以太网联盟预测，随着汽车智能化应用需求推动车联网技术持续不断的发展，未来智能汽车单车以太网端口将超过100个，这为车载以太网芯片提供了巨大的发展空间。以Aquantia汽车的ADAS以太网架构为例，每一个传感器（摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等）都需要部署一个PHY芯片以连接到ADAS域的交换机上，每个交换机节点也需要配置若干个PHY芯片。

  目前，全球以太网PHY芯片市场被少数企业把持着，经过多年发展和积累，这些厂商凭借资金、技术、客户资源、品牌等优势，掌握了大部分市场占有率。据中国汽车技术研究中心统计，博通、美满电子、瑞昱、德州仪器、恩智浦和微芯稳居前列，全球前五大以太网PHY芯片厂商的市场占有率占比高达91%。目前，中国大陆的PHY芯片市场基本被这些国际巨头主导，市占率达87%。

  近些年，中国本土厂商的技术能力一直在提升过程中，有望凭借本土快速响应能力占据更多市场占有率。目前，国内主要以太网PHY芯片厂商包括裕太微，景略半导体，昆高新芯，国科天讯，物芯科技，鑫瑞技术，以及睿普康等。

  在这些厂商中，裕太微是领先企业，能够大规模供应千兆以太网PHY芯片，是国内首家在车载PHY芯片领域通过OPEN Alliance IOP认证的企业，其2.5GPHY芯片已量产，在技术实力和规模上处于国内领头羊，2021年，裕太微产品在以太网PHY芯片市场占有率为2%。景略半导体的核心团队源于美满电子，主要为车载、工业、企业应用提供以太网PHY芯片，其车载千兆PHY芯片即将量产。昆高新芯能提供千兆以太网PHY和TSN芯片，是国内较早实现TSN交换芯片流片的企业，TSN芯片即将进入量产阶段。

  在消费类产品上已普及的以太网，在汽车领域也开始广泛采用。2008年前后起用于故障自我诊断，而2013年以后，其用途将扩展到周边监控用摄像头系统、运行辅助系统及影像传输领域。将来有可能用于车载网络的主干网。由于消费类产品的网络技术，汽车世界的“开放化”似有可能加速。 为了将“以太网”用于连接汽车内ECU和电装品的网络，即车载LAN规格，汽车行业开始扭转航向。以太网已于2008年前后在故障自我诊断（OBD）用途上开始实用化。今后将在提高实时性、确保故障安全、削减成本以及提高数据传输速度等的同时，逐步扩大适合使用的范围注1）。 注1） 法规的强化等也将推动以太网的普及。例如，据麦瑞半导体日本称，“ISO13400规

  ，确保实时性和故障安全性（上） /

  过去10年间，汽车内采用的电子元器件数量以惊人的速度一直增长。而车载网络也正日益被设计进或已部署到汽车中，以将信息娱乐、汽车辅助驾驶和安全系统等多种系统连接起来，而这往往需要基于共享的高带宽基础设施。同时，车载网络和与之连接的设备都一定要通过外部接口进行诊断和维护。随着汽车联网程度慢慢的升高，汽车实际上正演变成为“车轮上的网络”，对网络基础设施的安全性关注也与日俱增。 尽管车载网络被攻击的可能性很低，但这并不代表不会发生。如果有足够的时间和资源，黑客就可以发起一系列的攻击，并有可能将这样的攻击蔓延到全部车辆。换句话说，一次策划周密的网络攻击将造成十分普遍的影响。这就是汽车制造商以及业界本身都在采取一定的措施确保互联

  美满电子科技（Marvell）推出业界首款1000BASE-T1汽车以太网物理层（PHY）收发器Marvell 88Q2112，该产品符合IEEE 802.3bp 1000BASE-T1标准草案要求。88Q2112支持业界最高车载连接带宽，满足汽车系统严格的EMI要求。1000BASE-T1标准允许通过轻量级、低成本的单对电缆线束，高速传送双向数据流。Marvell将于2015年11月开始向全球客户提供88Q2112样品。         Marvell公司副总裁，汽车、无线与物联网业务部总经理Philip Poulidis表示：“汽车正在慢慢的变多地采用更加尖端的高级驾驶员辅助系统（ADAS），因此对车载连接带宽的需求

  美国美满（Marvell Semiconductor）公司2016年6月22日在东京召开媒体说明会，介绍了该公司的车载以太网业务举措。该公司曾在2015年10月宣布， 将全球首次提供 符合车载用1Gbit/秒以太网标准 1000BASE-T1 的PHY收发器，打算通过率先提供车载以太网解决方案来实现新一代汽车。 通过采用可实现1Gbit/秒数据传输的1000BASE-T1，能够以较低的压缩率来传输高画质图像和视频。美满表示，预计高速以太网首先会在高画质高帧率视频收看等娱乐用途，以及在屏幕上显示汽车后方影像的后视系统等ADAS（先进驾驶辅助系统）用途方面存在很大需求。该公司认为，下一步在通过无人驾驶车的控制管理系统、汽车与管理中

  TekExpress千兆汽车以太网一致性测试解决方案，是满足复杂汽车设计的基本要求的首个解决方案。随着无人驾驶，5G和互联汽车解决方案等新的汽车技术的发展，必须测试承载支持这些技术所需的数据路径，以确保车辆电子子系统之间的可靠传输。作为自动化的合规性测试应用程序，泰克TekExpress千兆位汽车以太网合规性测试解决方案可对多千兆位以太网芯片组和电子控制单元（ECU）进行快速、准确和可靠的验证和调试，以满足物理媒体附件（PMA）的要求。发射器的测量要求高达10 Gb/s。全自动一致性测试解决方案符合当前版本的IEEE 802.3ch MultiGBASE-T1规范。 “泰克TekExpress多千兆位汽车以太网一致性测试解决方案满足

  据外媒报道，普思电子（Pulse Electronics）的网络事业部（Networking Business Unit）引入了一款1000Base-T1以太网共模扼流圈（Common Mode Choke，CMC），可用于各类汽车应用。该产品的稳定性高、性能出色，AE5002 1000Base-T1产品系列适用于车载信息娱乐系统、先进驾驶辅助系统车身控制、摄像头/雷达、网关等应用。 其特点包括： 旨在满足IEEE 802.3bp要求 经Marvell、博通电子（Broadcom）及Valens品质认证 满足AEC-Q200要求 IATF 16949:2016 操作温度：零下40至125摄氏度。 除1000Base

  随着高速LTE网络以及无人驾驶技术持续不断的发展，各大车厂均致力于建置车内和汽车之间高速传输数据的网络结构。其中，Gigabit以太网(Ethernet)可望成为车内网络的主流技术之一，该技术可透过单对铜缆双绞线来传输数据，为汽车业者实现车内高速联网提供较为可靠的基础。 早在2015年11月，Marvell便推出了符合IEEE 1000BASE-T1预标准规范(Pre-standard Specification)的首款样品，来验证1000BASE-T1网络在车内应用的实际性能。1000BASE-T1标准可透过轻巧、低成本的铜缆双绞线传输高速双向数据，帮助汽车公司打造令人兴奋的功能和效益。该样品有助于汽车制造商评估新标准的性能，并尽早验证

  随着汽车对具备更高安全性的需求不断的提高，在汽车功能设置里添加先进的驾驶辅助系统 (ADAS) 已是大势所趋。如今，后视停车传感器和摄像头早已普及化。展望未来，日益精密、基于传感器的防碰撞技术将提供车道偏离、路标、红绿灯和行人识别功能。标准以太网经证明是一种对于 ADAS 应用颇具吸引力的解决方案。原因是该技术可借助低成本非屏蔽双绞线来实现高带宽数据传输。采用标准解决方案并不难理解；供应市场出现多家厂商让规模经济得以实现，并让拥有成本降至最低。但利用来自多个互补的IEEE标准（例如，以太网供电设备(PoE)的标准以太网而获得的整体利益却往往被忽略了。有趣的是，当部署了结合以太网供电设备(PoE)的标准以太网后，汽车市场的获利明显比

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