以太網(wǎng)上汽車，確保實(shí)時(shí)性和故障安全性

在消費(fèi)類產(chǎn)品上已普及的以太網(wǎng)，在汽車領(lǐng)域也開始廣泛采用。2008年前后起用于故障自我診斷，而2013年以后，其用途將擴(kuò)展到周邊監(jiān)控用攝像頭系統(tǒng)、運(yùn)行輔助系統(tǒng)及影像傳輸領(lǐng)域。將來還有可能用于車載網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)。由于消費(fèi)類產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，汽車世界的“開放化”似有可能加速。

為了將“以太網(wǎng)”用于連接汽車內(nèi)ECU和電裝品的網(wǎng)絡(luò)，即車載LAN規(guī)格，汽車行業(yè)開始扭轉(zhuǎn)航向。以太網(wǎng)已于2008年前后在故障自我診斷（OBD）用途上開始實(shí)用化。今后將在提高實(shí)時(shí)性、確保故障安全、削減成本以及提高數(shù)據(jù)傳輸速度等的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)大適用范圍注1）。

注1） 法規(guī)的強(qiáng)化等也將推動(dòng)以太網(wǎng)的普及。例如，據(jù)麥瑞半導(dǎo)體日本稱，“ISO13400規(guī)定，2019年之前，汽車必須配備采用以太網(wǎng)IP的OBD功能”（）。此外，關(guān)于車載攝像頭，美國有必須要配備后攝像頭的動(dòng)向等。

具體來說，以預(yù)定2013年上市的新車周邊監(jiān)控?cái)z像頭系統(tǒng)中的利用為契機(jī)，2014年車載AV產(chǎn)品的影像傳輸（信息）系統(tǒng)似也將利用以太網(wǎng)。

2015年以后，以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍可能會(huì)擴(kuò)大到將綜合了車身系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及信息系統(tǒng)等的網(wǎng)關(guān)連接起來的主干網(wǎng)絡(luò)（圖1）。甚至就控制系統(tǒng)，也“考慮在部分用途采用”（豐田）。

圖1：以太網(wǎng)普及的先兆因可確保實(shí)時(shí)性和故障安全以及削減成本等，以太網(wǎng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用似將增加。以太網(wǎng)從2008年開始在OBD用途實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，預(yù)計(jì)從2013年開始將用于攝像頭系統(tǒng)。2014～2015年前后用于影像傳輸系統(tǒng)，2020年之前有可能導(dǎo)入控制系統(tǒng)和主干網(wǎng)。

端口將達(dá)2.7億

車載以太網(wǎng)可能會(huì)與其他已有車載LAN規(guī)格一同普及。例如，信息系統(tǒng)將與“CAN”和“MOST”，安全系統(tǒng)將與CAN和“FlexRay”共同被采用（圖2）。控制系統(tǒng)方面，制動(dòng)器和姿勢控制等要求極高實(shí)時(shí)性和可靠性的用途將采用FlexRay和CAN。

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體“IEEE802.3”下設(shè)的RTPGE（Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet） Study Group預(yù)測，汽車領(lǐng)域的以太網(wǎng)端口數(shù)將在2015年一舉激增，到2019年估計(jì)會(huì)達(dá)到2.7億（圖3）。

圖2：與其他規(guī)格共存車載以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍雖然不斷擴(kuò)大，但依用途，可能會(huì)與其他已有規(guī)格并存。例如，在安全系統(tǒng)中估計(jì)會(huì)與CAN和FlexRay共同得以采用。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)RTPGE Study Group的資料制作）

圖3：2019年端口數(shù)將達(dá)2.7億據(jù)制定1Gbit/秒車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的RTPGE Study Group預(yù)測，車載以太網(wǎng)的端口數(shù)2019年將達(dá)到2.7億。

變成開放式環(huán)境

因以太網(wǎng)車載用途的普及，汽車的環(huán)境將向消費(fèi)類產(chǎn)品靠近。例如，可將高畫質(zhì)數(shù)字影像在多臺(tái)產(chǎn)品上利用、可利用基于移動(dòng)通信的云服務(wù)等。與智能手機(jī)和平板終端的聯(lián)動(dòng)也會(huì)變得容易。

CAN、FlexRay及MOST等以往的車載LAN規(guī)格，是汽車行業(yè)專門為本行業(yè)開發(fā)的。因此，是一種難以與外部產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)連接的“封閉環(huán)境”。隨著以太網(wǎng)的應(yīng)用，其有望變成像消費(fèi)類產(chǎn)品那樣的“開放”環(huán)境。

實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)制定的過程以及參與制定的成員企業(yè)都發(fā)生了很大的變化。比如，豐田早就以白皮書形式向行業(yè)團(tuán)體提出了其正在討論的車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)?，僅是為與外部產(chǎn)品和服務(wù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，就需要從外部廣泛收集意見。

這種事例在汽車行業(yè)比較少見。以往的車載LAN規(guī)格是由非常有限的企業(yè)制定和導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)后，其他汽車廠商才開始采用的。

而對(duì)此次的白皮書，德國寶馬、美國通用汽車（GM）及韓國現(xiàn)代汽車等世界各地的汽車廠商都表示了極大的關(guān)心，現(xiàn)已開始根據(jù)該白皮書討論標(biāo)準(zhǔn)制定。

參與車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的企業(yè)也不同于以往。除了以前主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)制定的歐洲企業(yè)等汽車行業(yè)的企業(yè)外，英特爾、思科系統(tǒng)及博通等美國IT企業(yè)也參與其中。有了重視開放性的美國企業(yè)參與，車載以太網(wǎng)的機(jī)制將成為一個(gè)更加開放的環(huán)境。

高速性和擴(kuò)展性出色

以太網(wǎng)導(dǎo)入車載用途的主要原因在于其高速的通信速度及高擴(kuò)展性（圖4）。如果是普通以太網(wǎng)，利用電信號(hào)可將速度提高至1Gbit/秒，利用光信號(hào)可提高至10Gbit/秒。

圖4：著眼于“快速、高擴(kuò)展性”的特點(diǎn)汽車行業(yè)之所以關(guān)注以太網(wǎng)，是因?yàn)槠溆型麑?shí)現(xiàn)高速傳輸。另外，與外部的連接性以及可支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邤U(kuò)展性也是以太網(wǎng)的特點(diǎn)。

利用多個(gè)高畫質(zhì)攝像頭的系統(tǒng)以及利用多臺(tái)顯示器觀看高清影像的后座娛樂系統(tǒng)（Rear Seat Entertainment）需要100Mbit/秒、主干網(wǎng)用途需要1Gbit/秒以上的數(shù)據(jù)傳輸速度。以太網(wǎng)即使在車載用途也可實(shí)現(xiàn)100Mbit/秒的水平。今后的目標(biāo)是，在車載用途通過電信號(hào)實(shí)現(xiàn)1Gbit/秒的速度。

關(guān)于另一個(gè)特點(diǎn)——高擴(kuò)展性，支持通信產(chǎn)品和消費(fèi)類產(chǎn)品常用的TCP/IP時(shí)，與外部產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的聯(lián)動(dòng)將變得容易?？芍С?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/總線">總線型及星型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/P>

為解決課題積極展開行動(dòng)

雖然對(duì)以太網(wǎng)的期待日益高漲，但車載用途在以下方面還存在課題：（1）實(shí)時(shí)性、（2）故障安全、（3）導(dǎo)入成本、（4）數(shù)據(jù)傳輸速度。其中，要想擴(kuò)大車載用途，必須解決實(shí)時(shí)性和故障安全的課題。

消費(fèi)類用途的以太網(wǎng)在盡力服務(wù)（Best Effort）型通信中對(duì)延遲時(shí)間沒有保證（圖5）。因此，如果不確保實(shí)時(shí)性，控制系統(tǒng)自不必說，信息系統(tǒng)也無法應(yīng)用。故障安全方面，如果從故障中恢復(fù)的時(shí)間“最大需要數(shù)十秒的話，就難以用于車載用途”（某汽車企業(yè)的技術(shù)人員）。

圖5：計(jì)劃確保實(shí)時(shí)性和故障安全等要想將以太網(wǎng)用于車載用途，必須對(duì)實(shí)時(shí)性和故障安全采取對(duì)策，而且存在成本還比較高等課題。因此，各公司為解決課題各盡所能，目前已經(jīng)開始考慮用于信息系統(tǒng)。今后還設(shè)想用于控制系統(tǒng)，計(jì)劃進(jìn)一步加以改善。

以太網(wǎng)在共7層的OSI基本參考模型中，規(guī)定下層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個(gè)層。其中，將主要通過數(shù)據(jù)鏈路層的改善，來提高實(shí)時(shí)性和確保故障安全。

課題的解決以思科和英特爾等2009年成立的“AVnu聯(lián)盟”（圖6）為中心推進(jìn)。該團(tuán)體為了除家庭以外還在汽車內(nèi)構(gòu)筑高品質(zhì)視聽環(huán)境，推進(jìn)了“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”（以下簡稱Ethernet AVB）的采用。汽車行業(yè)著眼于此，就車載用途所需的實(shí)時(shí)性和故障安全展開了討論。

圖6：汽車行業(yè)參加車載以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)體汽車行業(yè)的多家企業(yè)為制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)紛紛展開了行動(dòng)。其中，車載產(chǎn)品廠商哈曼、半導(dǎo)體廠商博通是AVnu聯(lián)盟和OPEN Alliance SIG兩大團(tuán)體的主導(dǎo)企業(yè)。

Ethernet AVB的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)有“IEEE802.1AS/Qat/Qav/BA”等4個(gè)項(xiàng)目的規(guī)格（表1）。根據(jù)這些規(guī)格，能實(shí)現(xiàn)提前為特定用途確保通信帶寬的“帶寬預(yù)約”及時(shí)間同步，并將延遲時(shí)間控制在7跳點(diǎn)（hop）、2ms以下。

在部分車載用途中，Ethernet AVB的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平。比如，7跳點(diǎn)、2ms以下的延遲時(shí)間“雖然不能一概而論，但滿足了車載攝像頭系統(tǒng)和信息系統(tǒng)用途的標(biāo)準(zhǔn)”（瑞薩電子）。

該公司試制了Ethernet AVB的IP內(nèi)核，將其安裝于FPGA等，進(jìn)行了設(shè)想用于信息系統(tǒng)的動(dòng)作演示，并確認(rèn)可以正常工作（圖7）。在展示中，瑞薩電子利用IEEE802.1Qat為影像傳輸確保了帶寬，在影像傳輸過程中，即使在網(wǎng)上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)通信也能穩(wěn)定傳輸影像數(shù)據(jù)。

圖7：利用Ethernet AVB實(shí)現(xiàn)流暢的影像播放瑞薩電子在“人與車科技展2012”上利用Ethernet AVB進(jìn)行了演示。即使傳輸影像時(shí)在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與個(gè)人電腦和硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也能順利接收影像數(shù)據(jù)進(jìn)行播放。而如果是普通以太網(wǎng)的話會(huì)產(chǎn)生延遲，導(dǎo)致影像混亂。