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10BASE-T1S支援Multidrop　車內網路技術/測試同步創新(1)

2024-02-07

Granite River Labs

汽車搭載的功能逐漸複雜，在邁向自駕升級的過程中，車內網路的整合及革新至關重要。10BASE-T1S能夠幫助製造商在速度、成本和系統協同效應之間取得平衡，成為車內網路布局關鍵。本文介紹該車用乙太網路標準技術，並說明相關測試要點。

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車載網路(IVN)是現代汽車不可缺的支柱之一，需要因應先進駕駛輔助系統(ADAS)、資訊娛樂系統、攝影機、車對車通訊系統，甚至是無線電波雷達和光探測雷射雷達(LiDAR)在內的遙感技術等進階功能所需的資料流。

協調多種多樣的汽車元件極具挑戰，更別提確保每個元件都符合各市場的合規標準。使用雙絞線的10BASE-T1S車用乙太網路技術恰好能幫助製造商克服相關難題。車用乙太網路的專門為在汽車等嘈雜又含有電磁的環境中高速(10Mbps)傳輸資料而設計。

10BASE-T1S的名稱說明該乙太網路技術如何透過基頻訊號於單一通道實現資料傳輸。與使用四對電線的傳統乙太網路不同，T1S技術專門針對單對環境中的應用。

當然，10BASE-T1S的推出也意味著汽車製造商繼CAN/CAN-FD之後，需要適應新的乙太網路標準。為此，本文整合10BASE-T1S合規性相關資訊，已提供相關業者參考。

現代車內網路與自動駕駛汽車

隨著汽車變得更加自主和互聯，汽車的架構也越來越軟體化。根據專家預測，汽車將在2030年實現所謂的五級自駕，讓乘客可以完全依靠汽車系統來監控周圍環境(圖1)。

為了實現高度自動化，製造商需要設計出幾乎毫無瑕疵的監控和備份系統。雖然聽起來難以實現，但觀察汽車產業發展，傳統汽車演變至今，由ACES定義(Automated, Connected, Electric, and Shared)的車款逐漸普及，這也是過往難以想像的重要發展。如今，超過一半的汽車客戶(64%)表示願意更換OEM以獲得更好的自動駕駛能力。美國客戶針對將共享車(Shared-mobility)和免鑰匙進入功能設為基本要求的調查，也呈現類似比例(66%)。到2030年，預計95%的新銷售車輛將可實現互聯，而歐洲的電動車銷售量將占53%(圖2)。

現代車內網路(IVN)已具備更高水準的運算能力和資料傳輸量，以保護和傳輸來自複雜感測器的資料。同時，IVN的硬體設計也為了優化功耗和重量效率而日益複雜。

IVN架構改進的一個顯著面向是朝著域(Domain)集中式架構發展的獨立電子控制單元(ECU)。在此架構下，以更少的域控制器覆蓋單一域，而域則是由更小的感測器和ECU組成。域集中式架構已經幫助汽車實現三級自駕，駕駛能夠放手讓系統操作方向盤、控制加速和監控周圍環境。

10BASE-T1S的第一個概念驗證出現在2000年代初至2010年，100BASE-TX與一系列匯流排和交換器配件一起出現，也是製造商首次將USB連接埠和資訊娛樂系統納入車內環境。從此以後，車用乙太網路接管了車內系統的大部分連網功能，並引入了更高和更低的位元率。

10BASE-T1S技術概覽

於2019年獲得批准的10BASE-T1S是IEEE新的汽車規範之一。雖然10BASE-T1S不一定是最快的規範，但它能幫助製造商在速度、成本和系統協同效應之間取得平衡。

在其他汽車規格使用脈衝振幅修正(Pulse Amplitude Modification, PAM)訊號的情況下，10BASE-T1S則使用差分曼徹斯特編碼(DME)。10BASE-T1S支援點對點(Point to Point)和多站(Multidrop)傳輸架構，Multidrop傳輸功能適用於長達25公尺的通道，並能支援八個節點。此外，10BASE-T1S系統具備稱為實體層衝突規避(Physical Layer Collision Avoidance, PLCA)的調和子功能，以促進Multidrop功能，可說是IEEE汽車規範中比較新穎的功能。以下分別針對各技術進一步介紹。

．PAM VS DME：與PAM相比，10BASE-T1S DME訊號的成本要低得多，為其主要優勢之一。DME在0和1電平之間的轉換頻率遠高於PAM(圖3)，有助於更快地恢復時鐘，進而降低產品成本。

．Multidrop拓撲：10BASE-T1S具有一個混合區段(Mixing Segment)，旨在允許多台裝置連接至同一通道。末端節點裝置(End Node Device，100Ω)和分接節點(Drop Node，50Ω)之間的電阻差，使裝置可以在非常接近的時間內透過同一通道進行通訊。這與其他車載乙太網路規格中裝置之間相互通訊的方式截然不同。另一種設置方式是使用100Ω終端末端節點(Terminal End Node)，以單一100Ω阻抗終端(Termination)來取代電纜，以達到相同效果(圖4)。

．實體層衝突規避(PLCA)：由於傳統乙太網路在很大程度上是一種定義了MAC的點對點架構，較新的10BASE-T1S必須在使用預定義MAC的同時以Multidrop傳輸模式運行，其中調和子層必須介於實體編碼子層(PCS)和MAC之間。如此一來，每個裝置都能發送信標，用於確定裝置的傳輸順序，最終避免碰撞(圖5)。