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全面分析车载以太网技术及其标准化

2016-07-20 14:18
小鱼时代
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  随着汽车电子的日益复杂化、联网化和宽带化,车载以太网顺应此发展趋势在车内具有广阔的发展空间。本文对车载以太网技术,包括其起源、定义、发展趋势、主要技术以及其标准化的概况进行了全面的分析和介绍。

  1.引言

  以太网作为一种局域网(LAN)技术自1973年发明以来,已经历40多年的发展历程,成为当前应用最为普遍的局域网技术。以太网主要由IEEE 802.3工作组负责标准化,以太网从最初支持10Mbit/s的吞吐量开始,经过不断的发展,支持快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网(1Gbit/s)、万兆以太网(10Gbit/s)及100Gbit/s。同时,为了适应应用的多样化,以太网速率打破了以10倍为一级来提升的惯例,开始支持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。以太网技术不仅支持双绞线的铜线传输介质,也支持光纤传输。随着城域以太网论坛(MEF)不断将以太网技术作为交换技术和传输技术广泛应用于城域网建设,以太网已经不仅仅局限于局域网应用,可以更广泛地应用到城域网(MAN)和广域网(WAN)的领域。

  在进入汽车领域之前,以太网已经获得了广泛的应用,同时还具有技术成熟、高度标准化、带宽高以及低成本等优势。随着近年来汽车电子化的快速发展,车内电子产品数量逐年增加,复杂性日益提高。以太网所具有的技术优势可以很好地满足汽车制造商对车内互联网络的需求。但由于车内电磁兼容的严格要求,以太网直到近些年才取得了技术突破从而得以应用到汽车内。

  目前,主流的车载以太网的技术标准是基于博通公司的BroadR-Reach(BRR)技术,IEEE已经完成对100Mbit/s车载以太网技术的标准化,正在对1Gbit/s传输速度的车载以太网进行标准化。车载以太网在车内将主要应用在对带宽需求较高的系统上(见图1),如高级驾驶辅助系统(ADAS)、车载诊断系统(OBD)以及车载信息娱乐系统等。与传统的车载网络不同,车载以太网可以提供带宽密集型应用所需的更高数据传输能力,未来其将在车内具有广泛的应用前景。

  2.车载以太网技术

  2.1 什么是车载以太网

  车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。与普通的以太网使用4对非屏蔽双绞线(UTP)电缆不同,车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率,同时还应满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。

  车载以太网的物理层采用了博通公司的BroadR-Reach技术,BroadR-Reach的物理层(PHY)技术已经由单线对以太网联盟(One-pair Ethernet Alliance,OPEN)标准化,因此有时也称车载以太网为BroadR-Reach(BRR)或OABR(Open Alliance BroadR-Reach)。

  车载以太网的MAC层采用IEEE 802.3的接口标准,无需做任何适配即可无缝支持广泛使用的高层网络协议(如TCP/IP)。

  2.2 车载以太网主要技术

  车载以太网及其支持的上层协议的技术架构如图2所示。车载以太网主要涉及OSI的1、2层技术,本文分别介绍车载以太网各主要技术。

  (1)物理层PHY

  车载以太网使用单对非屏蔽电缆以及更小型紧凑的连接器,使用非屏蔽双绞线时可支持15m的传输距离(对于屏蔽双绞线可支持40m),这种优化处理使车载以太网可满足车载EMC要求。100M车载以太网的PHY采用了1G以太网的技术,通过使用回声抵消在单线对上实现双向通信。车载以太网的物理层与标准的100BASE-TX的物理层主要区别有:

  ●与100BASE-TX所使用的扰频器相比,车载以太网数字信号处理器(DSP)采用了高度优化的扰频器,可以更好地分离信号,比100BASE-TX系的频谱效率更高。

  ●车载以太网的信号带宽为66.7MHz,只有100BASE-TX系统的一半。较低的信号带宽可以改善回波损耗,减少串扰,并确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求。

  (2)“一对数据线供电”PoDL

  以太网供电PoE技术是2003年推出的,可通过标准的以太网线缆提供15.4W的供电功率。在一条电缆上同时支持供电与数据传输,对进一步减少车上电缆的重量和成本很有意义。由于常规的PoE是为4对电缆的以太网设计的,因此专门为车载以太网开发了PoDL,可在一对线缆上为电子控制单元ECU的正常运行提供12VDC或者5VDC供电电压。

  (3)先进电缆诊断ACD

  ACD功能可以通过分析反射信号的幅度和延迟来检测电缆的故障位置,这对于实现车载以太网连接的高度可靠性至关重要。

  (4)高能效以太网

  当关闭引擎时,车上电子单元并不是全部关闭,这时需要用电池供电,而电池的电量又是有限的,这种情况下可采用高效能以太网技术通过关闭不在用的网络以降低耗电量。

  (5)时间同步

  车内某些应用需要实现不同传感器之间的时间同步,或者在执行某次测量时需要知道不同节点的时刻,这就需要在全部参与测试的节点间做到同步,某些精度甚至需要达到亚微秒级别。车载以太网采用了IEEE 802.1AS的定时同步标准,该标准通过IEEE 1588V2的Profile从而用一种更简单快速地方法确定主时钟,规定了广义的精确时间协议(gPTP)。

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