为什么自动驾驶系统将会需要车载以太网

车载以太网为何是自动驾驶的关键技术

推动汽车行业创新的主要动力可分成三大类：增强安全性、保护环境，以及通过互连提高便利性。为了实现这些目标，汽车制造商、汽车供应商、政府、学术界甚至传统汽车行业之外的企业（如无线芯片制造商、移动设备制造商和无线服务提供商）都纷纷参与进来，全力开发先进驾驶辅助系统（ADAS）、互联汽车技术乃至最终的目标 — 自动驾驶汽车。

ADAS 和自动驾驶汽车需要通过高带宽和低延迟的网络来连接所有传感器、摄像头、诊断工具、通信系统以及中央人工智能。目前，线束无论从重量还是成本上来说，都在所有汽车零部件中排名第三。在汽车组装过程中，线束安装占到了人工成本的 50%。车载以太网是应对这些挑战的新兴解决方案。就像 WiFi 是专用短程通信（DSRC）的基石一样，以太网在传统局域网（LAN）领域也是众所周知、值得信赖、应用广泛的解决方案。以太网有很多优势，例如多点连接、更宽带宽和低时延等等，这对于汽车制造商来说极具吸引力。不过若是在汽车中使用，传统的以太网还是噪声太大，很容易受到干扰。为了满足汽车行业的特定需求，IEEE 现已制定了新的标准和协议。自动驾驶汽车和先进驾驶辅助系统（ADAS）对更高带宽、更低延迟提出了更迫切的需求。车载以太网已经成为搭建更高速汽车网络的新骨干。对发射机、接收机、链路分段和高层协议功能进行的全面测试确保其得到成功实施。

自动驾驶需要以更快速度采集并处理更多数据

自动驾驶汽车中使用的各项技术应用了众多新型电子元器件。第一类支持在无线电探测和测距（RADAR）、激光探测和测距（LIDAR）以及摄像头中使用的传感器实现融合。第二类包括车辆到车辆（V2V）、车辆到网络（V2N）、车辆到基础设施（V2I）、车辆到行人（V2P）、车辆到公用事业（V2U）以及车联网（V2X）的无线通信。多种相邻组件，比如采用高精度导航系统的高清（HD）地图、功能强大的信号处理以及人工智能等，都是自动驾驶所需要的组件。

这些技术会产生、发送、接收、存储和处理海量数据。例如，一个 LIDAR 模块可以提供围绕汽车的高精度、高分辨率三维和 360° 成像数据。LIDAR 模块可能生成 70 Mbps 的数据流量，一个摄像头可能生成 40 Mbps 的数据流量，RADAR 模块可能生成 100 Kbps 的数据流量，而导航系统可能生成 50 Kbps 的数据流量。

此外，自动驾驶系统的等级越高，独立传感器的数量也将极大增长，由此产生的数据总量也更大。例如，二级自动驾驶系统可以提供纵向和横向车辆运动控制，因此驾驶员可以放开双手，并暂时休息一下眼睛。该系统可能需要使用 5 个 RADAR 传感器和 5 个摄像头。全自动驾驶系统（四级和五级）将需要多达 20 个 RADAR 传感器和 6 个摄像头，还要使用 V2X 通信。我们预测，一辆自动驾驶汽车每天将会产生大约 4 TB 的数据。这些数据需要以极短的延迟在高速、可靠的网络上传输、存储和共享，这正是基于车载以太网的高吞吐量、低延迟网络的长处。

汽车串行总线概述

通过回顾主要的传统汽车串行总线，包括 CAN、LVDS、LIN、MOST、FlexRay 和CAN FD，我们可以更好地理解为什么自动驾驶汽车和先进驾驶辅助系统现在需要车载以太网。

车载以太网

尽管传统的汽车串行总线在各种汽车应用中发挥了重要作用，但它们也都有各自的缺点，而车载以太网能够克服这些缺点。例如，大多数汽车串行总线都无法达到 LIDAR 所要求的 70 MB/s 数据速率。当各种传感技术和无线通信技术整合在一起时，通常需要同时使用 LIDAR、RADAR、摄像头和 V2X 通信。在这种情况下，需要传输的数据量超过了传统汽车串行总线的现有容量。因此，汽车行业想要引入车载以太网，以便使自动驾驶和先进 ADAS 系统变成现实。

车载以太网是什么？

车载以太网是在汽车中连接电子元器件的一种有线网络。其设计初衷是希望满足汽车行业对带宽、延迟、同步、干扰（例如 电磁干扰（EMI））、安全性和网络管理等方面的要求。车载以太网的概念最初是由 Broadcom 提出的，后来 OPEN（单对以太网）联盟采纳了这一标准并承担起管理职责。OPEN 推广 Broadcom 的 100 Mbps BroadRReach 作为多供应商许可解决方案。100 Mbps PHY 实施借鉴了 1 Gbps 以太网的技术，能够在一对线缆上实现 100 Mbps 双向传输。此技术使用了更先进的编码方案，可以消除回声，将基本频率（从 125 MHz）降至 66 MHz。这使得以太网能够达到汽车EMI 技术指标。IEEE 和 OPEN 联盟已在 IEEE 802.3 和 802.1 小组中制定出并负责维护 100 Mbps 和 1000 Mbps 车载以太网的物理层标准。在早期阶段，以太网从 DLC 诊断端口到网关只有一条 100Base-T1 1TPCE 链路，所以它只用于诊断和固化软件更新。图 1 显示了车载以太网作为新骨干（使用更快速的千兆位以太网 1000Base-T1 RTPGE 链路）的角色演变。

为何选择车载以太网

在车载电子系统连接和通信、自动驾驶和 ADAS 系统方面，车载以太网与传统汽车串行总线相比具有明显优势。汽车电子体系结构正变得越来越复杂，其中包含的传感器、控制器和接口越来越多，并且需要更高的带宽、更多的计算机和通信链路。连接这些系统的线束无论是重量还是成本都排在目前汽车所有零部件中的第三位。现在，汽车制造商使用多种不同的专有标准来提供通信功能；大部分元器件都使用一条专用线路或电缆。车载以太网是支持所有通信的统一标准。它使用一对电缆连接每个电子元器件与中央网络交换机。Broadcom 和博世进行的联合调查显示，通过使用非屏蔽双绞线（UTP）电缆和更小的紧凑型连接器，连接成本最多可降低 80％，线缆重量最多可减轻30％。

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