汽车以太网的特点及发展趋势

2019年11月25日 评论 1,743 4266字

汽车技术的进化和革命性进步可以概括为三个世界性的大趋势:连通性,自动驾驶和电气化。但是,连通性是这三者中必不可少的部分,因为汽车内联网的不断提高以及将汽车与其他汽车,基础设施和云连接的水平也日益成为自动驾驶和电气化的重要组成部分。汽车以太网将成为使汽车成为终极移动设备的一部分。

为什么?

连接开始时很小。最初,它是由全球定位系统(GPS),汽车收音机以及蓝牙和WiFi 连接定义的。

蓝牙和WiFi 连接用于通过短距离通信将移动设备连接到汽车。简而言之,数字生活方式被“固定”在汽车上,使驾驶员能够访问他或她熟悉的信息源和基于互联网的服务。智能手机集成–不仅在开车时使用智能手机!–由提供人机界面的需求所驱动比标准的智能手机操作更适合驾驶情况。除其他外,必须避免需要大量目光协调的控制动作。集成的智能手机可以通过针对驾驶情况进行了优化的车载控件进行控制。

下一步(已经席卷整个行业)是使用智能手机应用程序为驾驶员提供有用的功能。

例如从远处查找停车位或观察电动汽车(BEV)的充电状态。但这只是中间阶段。汽车本身正在成为万物互联(IoE)的一部分。它正在变成最终的移动设备。这种趋势背后的原理远远超出了娱乐性。在能够自动驾驶的车辆中,必须具有连通性以延长车辆的视野。毕竟,仅复制驾驶员有限的视线(几乎不会超过300码,并可能受到众多边界条件的影响)毫无意义。根据车辆速度,此有限范围可以转化为1 到5 秒的计划和反应时间跨度。现在,自动驾驶的全部目的是提高驾驶安全性并使驾驶员摆脱驾驶任务的负担

为了提高驾驶安全性,无人驾驶汽车需要最佳的信息数据库来进行预测性计划:理想的因素包括诸如当前交通状况和道路状况,(不利)天气,温度,临时限速等因素。自动驾驶控制单元。根据详细的当前数据池,车辆可以规划最佳路线,速度,轨迹和能源使用。后者使得BEV也必须具有连接性,因为其范围会受到边界条件(例如温度,驾驶方式,路线地形以及合适的充电站的可用性)的强烈影响。

为了提高机动性,未来的车辆将“更多地”了解其当前环境和未来路线。先进的驾驶员辅助系统(ADAS)逐渐发展为自动驾驶功能,其对驾驶员的支持或立即采取的行动基于日益详细的前方交通状况环境模型。这种模型是传感器融合(相机,雷达,LiDAR)的结果,该融合提供了一系列对象(静态和动态),适用的规则和限制(车道标记,交通标志)以及可访问的轨迹。网络是促进此模型的关键。许多车载系统有助于对驾驶情况的全面了解。此外Vehicle-to-X(V2X)技术将提供有关车辆附近环境中事件和情况的更多最新信息。同时,从各个车辆传输的数据(“由于前方的事故我必须刹车”)可以上传到云中,并将在后端进行处理和完善,从那里将经过验证的信息重新分配给车辆。相关区域。这种连通性将建立一个群体智能,该群体智能可用于将流量转换为可自我调节的智能系统。在其他趋势中,汽车对神经网络和人工智能(对复杂交通场景的理解)的需求不断增长,带来了汽车内外的巨大数据流量(图1)。

汽车以太网的特点及发展趋势

在当今时代,车辆效率(更高的燃油效率和更低的CO2 排放量)和普遍的减排量是优先事项的重中之重,用于(自动)驾驶的数据池是最有价值的资产,因为它将使驾驶员(人)和汽车(机器)如何实现高效,安全和舒适的机动性的清晰思路。由于与此相关的数据来自越来越多的来源,因此域之间的先前界限(例如安全性,信息娱乐和舒适系统)开始变得模糊。车辆中及其以外的所有事物都变得紧密相连。

汽车以太网的特点及发展趋势麦肯锡的一项研究总结了网络的规模,重点是联网汽车

“今天的汽车具有20 台现代PC 的计算能力,具有大约1 亿行代码,每小时可处理多达25 GB 的数据。随着汽车计算能力的进一步发展,不仅编程变得越来越复杂,处理速度越来越快,而且技术的整体性质也在发生变化。尽管汽车数字技术曾经专注于优化汽车的内部功能,但计算机的发展现在正在发展汽车与外界进行数字连接并增强汽车体验的能力。”

一旦汽车成为IoE 不可或缺的一部分,汽车中的软件数量将继续增加-其范围将扩大。这种趋势背后的驱动力之一是网络安全:联网汽车需要保护以防止黑客入侵和数据盗窃。为了与黑客保持同步,将需要对车辆软件进行更新,例如通过消除弱点的软件补丁。这将通过空中软件(SOTA)分发来完成,这意味着流向汽车和汽车内部的数据流量甚至更多。

麦肯锡(McKinsey)2014年的数据说明了这样一个事实,即汽车可能已经成为当今时代最被低估的技术系统之一。而且它变得越来越复杂。网络和连接性正成为人们关注的焦点,因为新的功能和服务增加了车辆的吸引力。这个市场很大:2015 年,仅美国汽车市场就占了1750万辆汽车,约占全球销量的20%。例如,由于美国的汽车工业是推动美国经济发展的最强大引擎之一,因此连通性是未来成功的基石。这同样适用于每个主要的汽车世界市场。牢记每辆现代汽车已经是一个滚动网络,其底线只能是:汽车已进入软件和连接性时代。全球汽车行业围绕着它形成了一条全新的价值链。

以太网的符合汽车发展要求

– 带宽–

车载网络和连接的核心是网络的物理层-互连系统和电缆/线束。

现有的汽车总线标准(例如CAN,LIN,FlexRay 和MOST) 是对特定要求的回应,也是对每种网络应用在成本和性能之间寻求平衡的需求的答案。这正是汽车以太网将在车载网络中占越来越大份额的原因。诸如IEEE100BASE-T1(IEEE802.3bw)在66 MHz(或高达200 MHz)时具有100 Mbit / sec 的标准和IEEE 1000BASE-T1(IEEE802.3bp)在600 MHz 时具有1 Gbit / sec 的标准提供了带宽越来越需要在汽车中传输数据。同时,简单的汽车以太网布线避免了例如光纤网络(MOST)的所有弊端。在不久的将来,汽车可能会拥有5 到15 条100 Mbit / sec 的汽车以太网线路,以及多达5 条1 Gbit / sec 的线路。

– 灵活性–

然而,挑战的一部分不是“仅仅”为更大的数据包提供更多的带宽,而且要满足OEM 针对汽车电子/电气架构的不同方法,这也是一个挑战。

例如,有些使用更多的本地智能(分布在各种ECU 或传感器上),而另一些选择在更少但更大的域ECU中使用具有更多计算能力的集中式体系结构。另一个挑战在于电磁兼容性(EMC)规范。某些应用需要更高级别的屏蔽,而另一些应用则需要简单的非屏蔽电缆。现在,屏蔽要求转化为不同的电缆类型和不同的成本水平。另外,不同类型的电缆可能需要不同类型的互连技术。因此,利用汽车以太网需要一种智能互连解决方案,该解决方案必须针对不同的EMC要求水平提供灵活性,经济性和性能。

– 汽车级坚固性–

但是,汽车不是用于网络和数据流量的“正常”环境:振动,撞击,热,冷,潮湿,腐蚀性液体以及车载电气基础设施中的电压波动对管理数据流提出了严格的要求。电缆(线束)也应易于安装。换句话说,连通性是移动性未来的关键,但是,车辆网络需要非常具体的解决方案,以实现移动性的所有未来梦想。

以太网的数据和连接

将来,更安全,更环保,更舒适的驾驶将极大地依赖于连通性。汽车中的互连数量将增加,并且传输的数据量也将增加。这些数据中的许多数据将源自车辆内部(例如,在传感器和ECU中),一些数据将来自空中接口(例如, 动态地图数据,软件补丁,下载等),并且必须从入口网关在汽车中分发. .在不断增长的数据流量中,将有大量需要高带宽的大数据包。

连接性将成为包括自动驾驶和电气化在内的新功能和功能的核心,同时还将通过基于后端的新服务(例如智能交通解决方案,预测照明功能等)提高功能服务的新水平。

为了利用当前和将来的大量数据,车载网络需要具有高带宽的快速连接。它需要可靠,强大,价格适中且易于安装。考虑到汽车中数据流的相关性,满足此要求列表的互连技术是真正的推动者,它将成为新价值链的常规功能。

以太网的未来的潜力

 — PoDL—

当前,汽车中的电子设备通过单独的电缆供电。然而,附加的电缆使线束较重且更复杂,并且使得难以将线束的一部分穿过车身中的狭窄通道来馈送。因此,如果不需要单独的电源线,将有助于线束的小型化和轻量化。数据线供电(PoDL)的新概念在车辆应用中支持此策略。它使用100Base-T1和1000Base-T1 接口在单个非屏蔽双绞线上提供与信号平行的电源。PoDL的标准由IEEE Task Force 802.3bu 定义。经IEEE-SA标准委员会于2016 年12 月7 日批准IEEE Std 802.3bu-2016,完成了其工作。

通过使用附加的滤波器电路,可以通过1 线对以最小的干扰来传输信号和功率,并且可以在设备处进行分离。TE正在与MATEnet 一起测试PoDL,并将在MATEnet 互连系统中验证此选项。到目前为止,测试一直是非常积极的, 表明在高达48VDC 的情况下是有益的使用。

 — 汽车音频总线—

一个应用领域是车辆中的多个麦克风阵列,以实现不同的应用,例如语音识别,主动降噪和车内通信。与传统的昂贵且沉重的高保真电缆相比,AD242x 系列增强型A2B收发器可使用低成本双绞线,并以菊花链主从拓扑连接设备。像PoDL 一样,A2B也可以为菊花链中的其他设备供电。TE 已开始研究MATEnet技术在A2B 应用中的潜力。

 — HDBASET—

HDBASET 是一项新兴技术,可通过15 m 的链路段提供多达6Gbps 的全双工数据传输,并具有多达4 个串联连接器, 且延迟几乎为零。它包括各种协议,例如音频/视频,以太网,电源以及诸如USB 和HDMI 的消费类应用。TE 在HDBASET 联盟中发挥了积极作用,在该联盟中,汽车利益相关者与各个技术委员会合作,共同确定合适的汽车要求和规格。本机网络功能演示了非屏蔽双绞线电缆的可用性,可以将其与100/1000BASET1 应用程序进行比较。面对众多挑战,HDBASET 具有空前的带宽和对现有的UTP布线系统(如TE 的MATEnet)的适用性,是未来车载连接的关键推动力。

汽车以太网的特点及发展趋势

关于以太网的总结与展望

数字化和连接性正在汽车行业中席卷而来,因为它们是每个个人移动大趋势的促成因素:将汽车集成到万物互联,提高汽车效率,动力总成电气化和智能(预测)混合操作策略,建立智能交通解决方案,并促进自动驾驶。许多新功能基于将各个功能/系统联网,重用传感器信号以及通过云与后端(服务)通信并使车辆成为群智能的一部分。高带宽,高频数据传输将成为连接的关键推动力。汽车以太网提供最佳的成本效益比。

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