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车载网络将如何发展?

2021-08-30 汽车电子与软件 阅读:
随着智能网联汽车的发展,对车辆内、外通信的需求越来越高,也推动着车内网络和车外网络的发展。本文介绍了车内网络技术-车载网络的现状及未来发展趋势。

01

前言

汽车相关的通信网络,可分为车内有线连接网络和车外无线连接网络。随着智能网联汽车的发展,对车辆内、外通信的需求越来越高,也推动着车内网络和车外网络的发展。2sUednc

这里先简单梳理下车内网络技术-车载网络的现状及未来发展趋势。2sUednc

车联网的概念和含义

02

通信网络基础

不管是汽车通信网络还是其他通信网络,都是相通的。在开始介绍车载网络之前,先简单了解下通信网络的基础知识。2sUednc

2.1 通信基本要素2sUednc

通信,就是实现设备间的数据交换。要实现通信,需要包含三个基本要素:通信设备、传输介质和通信数据。2sUednc

通信设备,可大致分两大类:一是,需要进行数据交换的通信主机;二是,在通信主机之间,起到对数据进行解析、收发、储存和转发等作用的中继设备,如网卡、交换机、路由器等。2sUednc

传输介质,是实现数据传输的桥梁,是数据在传输过程中的载体。传输介质可以是有线的,如电线、光纤,也可以是无线的,如电磁波。2sUednc

通信数据,是通信的具体内容。数据在传输过程中,需要对数据进行分组、分段、转化等,体现在数据的不同表现形式,如报文、帧、比特等。2sUednc

2.2 通信网络形式2sUednc

为了描述方便,把通信设备抽象为节点,把它们之间的传输介质抽象为链路。各个节点通过链路进行连接,就形成了网络。2sUednc

节点与链路的连接方式可以有多种,如点对点、总线型、环形、星形、树型等,通常用拓扑图表示。2sUednc

网络拓扑类型

2.3 数据通信实现2sUednc

要实现通信,除了通信基本要素,并连接形成网络,通信双方还需要对通信数据传输过程、数据接收发送等达成一致,以实现数据准确、高效的收发。这种制定的一组相互商定的规则,就是通信协议。2sUednc

为了通信实现过程的管理和封装,基于层制定相关通信协议,国际标准化组织(ISO)采用了分层的结构化技术,提出了开放式系统互联通信参考模型(OSI模型),从功能和逻辑上对通信过程进行分层。2sUednc

OSI模型,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层共7层。OSI模型不是一组规则,它是理解网络如何运作的工具。在实际的各种通信网络,其分层会有所不同。2sUednc

对于各种具体通信网络的形成和发展,一般由相关企业发起,再形成联盟或组织来推广协议。当采用的公司多了,形成了事实性标准,再由行业或国际标准化组织进行收编,形成行业或国际标准。2sUednc

OSI参考模型

2.4 通信网络指标2sUednc

评价通信网络的指标主要有:数据传输速率、通信距离、数据传输可靠性,以及成本和安装维护的难易程度等。2sUednc

一般用带宽表示通信网络数据传输能力,指单位时间内通过网络中某个节点的最高数据率。常用单位为比特率(bps),即单位时间传输的位数。2sUednc

另外,通信网络也需要考虑网络诊断、网络管理、通信时延迟等问题。2sUednc

03

传统车载网络

3.1 车载网络分类2sUednc

目前各个国家和公司存在多种车载网络标准。美国汽车工程师学会(SAE)按照汽车上网络系统的性能,把汽车网络划分为不同的等级标准,即A类、B类、C类、D类和E类。2sUednc

SAE车载网络分类

3.2 常用车载网络2sUednc

常用车载网络有CAN、LIN、FlexRay、MOST和LVDS等。除LVDS外,其他都是专门为汽车行业设计的通信网络。2sUednc

CAN2sUednc

CAN,为控制器局域网(Controller Area Network),由博世公司提出。2sUednc

CAN是一种总线型、串行通信、广播式网络,节点间通过双绞线连接。它不仅能简化车辆各电子控制单元的设计和安装,还减轻布线的重量和降低了对空间的要求。2sUednc

CAN工作基本原理:2sUednc

(1)当一个节点要向其它节点发送数据时,该节点的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片,并处于准备状态;2sUednc

(2)当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出;2sUednc

(3)网上的其它节点处于接收状态。每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。2sUednc

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CAN网络基本结构

LIN2sUednc

LIN,为局部连接网络(Local Interconnect Nework),最初由奥迪、宝马、大众、摩托罗拉等汽车及其供应商组成的LIN联盟提出。2sUednc

LIN是一种低成本、串行通信网络,通信接口为UART。LIN分主节点和从节点,通过单线连接。LIN主要应用通信带宽要求比较低车身控制方面,如车窗、座椅等,作为CAN通信补充。2sUednc

LIN工作基本原理:2sUednc

(1)LIN总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起。主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容,发送相应的帧头,并为报文帧分配帧通道。2sUednc

(2)总线上的从机节点接收帧头之后,通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应、做出何种响应。一个报文帧可以同时被多个节点接收利用。2sUednc

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LIN网络基本结构

FlexRay2sUednc

FlexRay的产生主要是,随着车辆安全性、功性能方面的要求越来越高,对数据传输带宽、可靠性要求进一步提供,传统的CAN和LIN已经力不从心。FlexRay最初由宝马、通用、大众、博世等汽车及其供应商组成的FlexRay联盟提出。2sUednc

FlexRay总线具有确定性、容错性、高速特点,主要应用在对误差容限和时间确定性要求极高的线控领域,如线控驱动、转向、制动等,但因其成本较高、设施复杂等缺点而不会取代其他主要的车载网络标准。2sUednc

FlexRay基于差分信号传输,总线由两条组成,通常使用双绞线。FlexRay总线数据收发采取时间触发和事件触发的方式。利用时间触发通信时,可尽可能保持传输的同步与可预测,这对需要高速线控控制是非常重要。2sUednc

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FlexRay总线结构

MOST2sUednc

MOST为多媒体定向系统传输,为车辆一种多媒体应用通信技术,主要应用于车上多媒体和影音娱乐系统。最初由奥迪、戴姆勒、哈曼等汽车及其供应商成立的组织提出。2sUednc

MOST 总线利用光脉冲传输数据,传输介质通常采用塑料光纤。其采用环形结构,只能朝着一个方向传输数据,MOST最多可连接64个节点。如果其中一个节点故障中断,其他节点也无法传输数据,系统鲁棒性差。2sUednc

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MOST总线结构

LVDS2sUednc

LVDS,为低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling),是一种低压差分高速信号标准。2sUednc

虽然它不是专门为汽车领域所设计的,但是它相比于MOST技术有着更低的成本,且最高带宽可达655 Mbps,被视为MOST技术的替代产品。2sUednc

LVDS技术也有比较严重的缺陷,为了满足汽车严格的电磁兼容(EMC)、电磁干扰(EMI)等要求,它的传输线缆增加了较厚的传输屏蔽层,增加了车重。在传输协议上,LVDS属于点对点的图像传输技术,每个接口只能有一个摄像头或者一个视频输出口,严重限制了扩展性能。2sUednc

LVDS 信号传输一般由三部分组成:差分信号发送器,差分信号互联器,差分信号接收器。差分信号发送器:将非平衡传输的TTL 信号转换成平衡传输的LVDS 信号。差分信号接收器:将平衡传输的LVDS 信号转换成非平衡传输的TTL 信号。2sUednc

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LVDS信号传输图

04

车载网络发展

4.1 传统车载网络局限2sUednc

传统车载网络能满足汽车部分子系统的要求,总体来说,优势在于实时性。但普遍存在的问题是带宽低,成本高。2sUednc

随着智能网联汽车的发展,LIN和CAN已经力不从心。FlexRay和MOST因成本高、应用复杂,仅适用于高端豪华品牌。2sUednc

另外,传统车载网络标准都是面向汽车制定的,带有浓厚的汽车行业色彩,关键的局限在于:不易扩展,无法互联互通,无法满足智能网联汽车要求。2sUednc

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传统车载网络比较

4.2 车载以太网技术2sUednc

以太网,目前已是应用最为普遍的局域网技术。以太网从最初支持10Mbit/s开始,目前有快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网(1Gbit/s)、万兆以太网(10Gbit/s)及100Gbit/s。2sUednc

以太网技术应用于汽车上要面临一些挑战:电磁兼容性和延迟是两个主要问题。目前研发的专门应用于汽车的车载以太网技术已取得重大突破。2sUednc

博通开发出了汽车用的以太网芯片和整体解决方案:通过BroadR-Reach技术成功解决了车规要求的EMC问题。同时,革命性地提出单对非屏蔽双绞线方案,将传统线束重量减轻30%。2sUednc

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BroadR-Reach双绞线方案

针对业界最为关心的以太网传输时间延迟、包排序和可靠性交付问题,技术研发也没有停止。2sUednc

IEEE提出了TSN(时间敏感网络)一系列标准。TSN是在传统以太网络的基础上,使用精准时钟同步,通过保障带宽来限制传输延迟,提供高级别服务质量以支持各种基于音视频的媒体应用。2sUednc

TTTech也在推广TTEthernet(时间触发以太网)在汽车上应用。TTEthernet是一种基于802.3以太网之上的汽车或工业领域的实时通信候选网络,它允许实时的时间触发通信与低优先级的事件触发通信共存,使以太网具备满足高安全等级的系统要求的同时,依然可以承担对实时性要求不过分严格但仍然有高带宽的以太网传输需求。2sUednc

4.3 车载网络成本与带宽2sUednc

各传统车载网络从带宽和成本关系可看出,它们在带宽和成本上所占据的范围几乎没有重叠区域,并且成本和带宽呈现递增关系。这反映出网络在汽车领域已被不同的车用总线所“瓜分”,而且这些总线在各自领域呈现出独霸一方的局面。2sUednc

然而,随着车载以太网的技术成熟和引入,面对着车载以太网海量的带宽能力,对于跟车载以太网成本相当甚至更高FlexRay和MOST总线,以及其应用复杂等缺陷,可能有被淘汰的命运。2sUednc

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车载网络带宽与成本对比

4.4 车载网络未来发展2sUednc

车载以太网前期主要用于车内ECU的诊断和程序更新,以及单独某个子系统,如基于DoIP标准的OBD诊断设备;如使用 IP摄像头的驾驶辅助系统。现在更多的是将几个子系统功能整合(如显示系统、多媒体、驾驶辅助等),形成一个拥有功能集合的以太网小系统。2sUednc

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车载以太网的演进

未来随着车载以太网的发展和成熟,车载网络将会发展成为基于域控制器的混合车载网络架构:以太网将成为主干网络,传统CAN、LIN将继续在低容量通讯场景下使用。2sUednc

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以车载以太网为主干的车载网络

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后记

智能网联汽车的发展,除了推进车载网络的革新,更重要的是与车辆外界进行高效通信,包括车-车通信、车-路通信、车-人通信、车-云通信等,会涉及到DSRC、4G、5G等短距离和长距离无线通信技术,且听下回分解。2sUednc

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