乙太網路加速軟體定義車輛的轉型

現今大多數車輛都是使用一種稱為網域架構的布線和電子控制單元(ECU)架構來製造。網域架構會根據特定功能將ECU分類至各網域，無論其車輛實體位置在何處。

ゾーンア與域架構相反，區域架構是按位置而不是按功能來組織通訊、電源分配和負載控制的，如圖所示。區域模組可做為車輛運算系統與智慧感測器和ECU等本地邊緣節點之間的網路資料橋接器。為了減少車輛中的布線，區域模組也會向不同的邊緣節點分配電力(透過實作半導體智慧保險絲功能)，處理低階運算並驅動馬達和照明等本地負載。

區域模組透過邊緣節點通訊網路傳輸來自各種感測器和ECU的資料，並透過骨幹通訊將組合的感測器資料轉傳到中央運算系統。同樣地，區域模組再次透過骨幹通訊、再次透過邊緣節點通訊網路，將從中央運算系統接收到的資料傳輸到各個致動器。這個在中央運算系統和區域模組之間的雙向通訊，需要高頻寬和低延遲的通訊骨幹來處理像多個先進駕駛輔助系統(ADAS)、攝影機、車輛運動控制和主動調整頭燈系統來產生的大量資料。

為瞭解在車輛中使用乙太網路的價值，讓我們按應用來細分乙太網路的使用情況。新定義的單對乙太網路支援10Mbps至10Gbps的速度，透過電機電子工程師學會(IEEE)802.3cg(10Mbps)，IEEE 802.3bw(100Mbps)，IEEE 802.bu(1Gbps)和IEEE 802.3ch(10Gbps)進行定義。所有這些新的乙太網路技術都透過單對電纜運作，通訊距離最遠可達15公尺，足以覆蓋車輛中最長的連結。乙太網路也可以使用IEEE 802.1AS時間戳來啟用感測器資料的時間同步功能，進而實現低延遲。

雖然乙太網路具有極快的速度，但並非在每一種環境下都需要這些速度。例如，與車門控制模組或暖氣、通風和空調系統的通訊不需要100Mbps的資料傳輸速率。對於速度較低、頻寬要求不高的用例，10Mbps乙太網路PHYDP83TD555J-Q1或替代網路協定(例如控制器區域網路(CAN))更為合適，同時可以將更高的速度用於將聚合的攝影機和自動駕駛感測器資料從區域控制模組傳送到中央運算系統。图2展示了在區域架構中何時使用不同速度的乙太網路。

接下來，讓我們仔細看看雷達、光達、攝影機和人體應用所使用的通訊速度。當雷達或光達系統單晶片(SoC)處理資料時，通常是CAN，10Mbps乙太網路或100Mbps乙太網路會在僅發生第一級或第二級資料處理作業時，將光達或雷達資料傳達到區域控制模組，100Mbps至1Gbps乙太網路會將雷達和光達資料傳達到區域模組或中央電腦。將原始光達或雷達資料發送到中央計算系統進行處理，將透過各種感測器的感測器融合提取更多資訊。

傳輸如此大量的原始資料需要更高的頻寬，通常是序列/解串器(SerDes)協定或2.5Gbps加乙太網路。對於相機而言，當ADAS資料量增加，需要使用前置相機的所有原始資料進行後處理時，SerDes(例如Flat Panel Display(FPD)-Link)是最合適的協定。

如果可以壓縮前置鏡頭的資料，並且您不需要如此高水準的ADAS資料，那麼100Mbps乙太網路就是一個替代方案。

車身域模組，例如門把手感測器、車窗升降控制模組和側視鏡控制模組，傳統上使用CAN和本地互連網路(LIN)協定進行通訊，因為這兩種協定都不需要高頻寬。雖然設計人員仍將繼續使用CAN和LIN，但乙太網路在車輛中的日益普及也為10Mbps 10BASE-T1S多點乙太網路創造了空間。傳統上，乙太網路是點對點拓撲結構，但10BASE-T1S乙太網路是第一個支援匯流排拓撲結構的乙太網路標準。

區域架構的潛在演進方向是什麼？它從聚合身體領域資料、整合權力分配和集中計算開始。隨著時間的推移，區域架構將開始聚合來自其他領域(例如ADAS和資訊娛樂系統)的資料。最終目標是將所有域納入區域架構。無論資料屬於哪個域，區域控制模組和中央運算系統仍將使用相同的骨幹通訊網路來傳輸資料。音訊是轉移至區域控制模組的主要目標，因為可以透過音訊視訊橋接標準透過乙太網路傳輸音訊資料。

車身網域功能通常需要10Mbps以下。但隨著ADAS或車內資訊娛樂功能(如雷達，光達，音訊和攝影機)被整合至區域架構中，速度和頻寬需求必須增加及/或乙太網路骨幹拓撲可能會從星狀變更為環狀，以容納關鍵安全和時效性感測器資料量。

音訊每通道產生約1.5Mbps；雷達感測器通常產生0.1Mbps至15Mbps。光達產生20Mbps至100Mbps。攝影機產生的速率最高為500Mbps至3.5Gbps。現今的車輛通常配備四到六個雷達感測器，一到五個光達感測器，12到20個音訊喇叭，12到16個音訊麥克風和六到12個攝影機。表1顯示每種類型生成的資料範圍。

正是由於產生的資料總量不斷增長，促使原始設備製造商(OEM)大力推廣2.5Gbps、5Gbps和10Gbps乙太網路。區域架構需要一個骨幹通訊網路，能夠將ADAS感測器產生的大量資料傳輸到中央運算系統。未壓縮的相機資料已經超出了目前乙太網路的處理能力，而且相機的解析度和像素數量還在不斷提高。隨著車輛不斷向自動駕駛方向發展，感測器的數量將會增加。因此，支援更高相機解析度和感光元件所需的頻寬也將相應增長。

由於將不同功能整合到區域控制模組中的過渡計畫不同，OEM廠商要求的乙太網路速度很可能會有所不同。內部揚聲器上的音訊播放是首批用於以太網主幹的跨域資料類型之一。這可能是由於資料生成較低導致的，因為20個音訊揚聲器通道產生大約30Mbps。現有的100Mbps或1Gbps以太網主幹可以輕鬆適應音訊播放資料的增加。整體而言，區域控制模組中的進階資料功能越多，頻寬需求就越高。

使用乙太網路作為區域架構的骨幹網，可以讓車輛在連接到互聯網或遠端OEM伺服器時，透過車載網路傳輸更多資料。這使得可以透過遠端執行韌體空中升級(FOTA)更新來實現基於訂閱的服務和車輛診斷。FOTA更新允許不同的硬體和軟體更新周期，由於感測器和執行器與中央運算節點的獨立性，這些更新週期可以是非同步的。

FOTA更新還可以推動額外的功能和提升安全性，而不必等待新模型，也不需將車輛送去維修。OEM和客戶都受益，因為OEM可以控制在啟動後更新車輛的附加功能，消費者也不會因為前往經銷商處更新韌體而感到不便。

乙太網路需要使用PHY傳輸和接收高速資料。汽車乙太網路PHY消除許多對乙太網路做為車輛布線骨幹的疑慮，例如在如此不穩定的環境中訊號品質不佳。德州儀器(TI)的乙太網路PHY能夠在-40°C至125°C的溫度範圍內工作，符合汽車電子委員會-Q1001級標準。

乙太網路PHY也必須通過乙太網路合規性標準，確保符合電磁相容性和電磁干擾的特定互通性和可靠性標準，以及開放行動聯盟TC1和TC12標準指定的IEEE一致性，以便於在車輛環境中運作。PHY具備訊號品質指示、時域反射測量和靜電放電感測器等先進的診斷功能，能夠偵測錯誤發生的時間，識別這些故障，並使主機系統能夠主動做出回應。例如，在發生ESD時，PHY會向SoC/媒體存取控制傳送中斷訊號，以向其發出該事件的警示，然後檢查系統中的其他部分。

乙太網路PHY也可以使用開放行動聯盟TC10規範的喚醒和睡眠技術，透過SPE電纜喚醒遠端ECU，無需使用單獨的電線將ECU從睡眠狀態喚醒。IEEE 802.1AE媒體存取控制安全(MACsec)也可能是一項重要的技術，用於實現聯網ECU的身份驗證以及加密/解密資料以避免網路攻擊，因為網路攻擊是汽車網路面臨的最大威脅。

其他乙太網路PHY包括：

• DP83TC812-Q1DP83TC815-Q1DP83TC814-QDP83TC813-Q1德州儀器(TI)的DP83TC812-Q1、DP83TC815-Q1和DP83TC814-Q1 100BASE-T1 PHY具有適用於豪華汽車的下一代功能，而尺寸更小的DP83TC813-Q1 100BASE-T1HY在印刷電路板空間的情況下可能很有吸引力。DP83TG720-Q1和DP83TG721-Q1可將區域模組連接到中央運算系統和遠端資訊處理控制單元等資料密集型功能，從而為在後續型號中添加其他功能留出空間，而無需對線束進行大量更改。這些PHY結合後，為道路上更先進、功能更強大的車輛開啟大門。
• TI的單對乙太網路PHY產品組合專為元件封裝或與TI的100BASE-T1和1000BASE-T1 PHY針腳對針腳相容而設計。單板設計可在未來開發中升級功能集或頻寬，且無需變更硬體。此方法有助於加速開發週期，滿足不同OEM的要求，並縮短上市時間，從而節省R和D成本。
• DP83TD555J-Q1 10BASE-T1S序列週邊設備介面MAC PHY無縫整合至現有乙太網路骨幹網路，在連接傳統CAN/LIN邊緣節點時，免除了協定轉換閘道及其相關延遲與處理負擔。此裝置支援資料線供電，透過單一雙絞纜線傳輸電力和10Mbps資料，進而降低纜線重量和系統成本。內建PHY衝突避免功能可為每個網路節點提供確定性排程，並保證發送機會，以確保可預測的通訊時序。較大的乙太網路訊框酬載可從車輛邊緣的ECU擷取更多資料量和更多樣化的資料類型，促進進階診斷與無線更新，同時維持即時性能。

汽車乙太網路技術的進步將讓汽車製造商能夠為新車輛提供更多功能與功能。實作乙太網路的區域架構，可透過提供支援下一波自動功能的資料容量，幫助加快轉換至軟體定義車輛的速度，在路上打造更安全且更智慧的車輛。