單一主幹網連接數位/實體世界　10BASE-T1S重塑車用網路架構

一直以來，汽車一直是整個世界複雜性和創新性的縮影。現代的汽車如今已成為高效能的運算平台，能夠處理巨量資料，本質就像車輪上的資料中心。這些汽車控制著眾多子系統，子系統之間又相互依賴訊息，實現高度自動化，並透過各種感測器和執行器與實體世界進行互動。
最初，這些子系統採用針對特定功能優化的通訊技術，即所謂的特定領域專用(Domain-Specific)硬體架構。這種技術使用多個專用匯流排在不同領域之間傳輸資料，因此需要閘道器在各種硬體架構之間轉換訊息。由於需要管理多達二十種網路標準，汽車製造商尋求更精簡的解決方案，也就是為其通訊基礎設施提供一個通用平台。
車輛效能提升的過渡期
汽車產業正在從舊式網路架構邁向基於乙太網的單一主幹網，如圖1所示。這種轉變使得車輛能夠被劃分成不同的區域，進而能夠透過基於IP的、無處不在的乙太網更輕鬆地與集中式運算平台進行互動。車商與IEEE合作，定義了一個實體層，該實體層只需要一對平衡線，而不是之前乙太網安裝中常見的二對或四對線。

向基於乙太網的區域架構的演進，代表著汽車設計和功能的重大躍進。透過採用單一通訊技術，車商可以簡化車輛內部網路，降低維護多種通訊標準所帶來的複雜性和成本。這樣的簡化不僅能提升車輛效能，也為日後導入更先進的功能奠定基礎。
使用通用資料框架的優勢
統一的資料框架使車輛的系統和功能能夠透過軟體定義，進而降低延遲和複雜性。隨著安全需求的不斷成長，標準化機制可以對網路參與者進行身份驗證並根據需求，將訊息加密。以前的通訊匯流排缺乏這些功能，需要採用多種方法來緩解安全威脅。
通用資料框架的優勢遠不止安全性和效率。透過標準化車輛內部的通訊協議，車商可以更輕鬆地整合新技術和功能。由於自動駕駛、電動汽車(EV)和車聯網技術正在不斷進步，汽車產業也跟著持續發展，所以這種靈活性相當重要。通用資料框架確保這些創新能夠無縫融入車輛架構，提供更具凝聚力和整合度的駕駛體驗。
軟體升級過程簡化
使用通用網路可以簡化軟體升級的過程，設計人員使用一種方法就可以部署更新，不需要為不同的資料鏈路各自定義不同的方法。所以，簡化軟體升級的能力會徹底改變汽車產業的格局。隨著汽車越來越依賴軟體驅動，定期更新和增強功能的需求也日益重要。通用網路基礎設施支援OTA無線更新，使汽車製造商無需前往經銷商即可利用網路部署新功能、修復錯誤並提升效能。這不僅提升了客戶體驗，還降低了維護成本和待機時間。
10BASE-T1S乙太網 連接數位和實體世界
乙太網的概念已存在五十年，IEEE規範則在四十年前發佈制定，主要用於在電腦之間傳輸大量資料。然而，數位網路與實體汽車之間的介面仍然依賴硬體連接和特定的領域。為了解決這個問題，10BASE-T1S乙太網因運而生。
10BASE-T1S乙太網是一種多點匯流排，使用單對線纜作為主幹。感測器和執行器直接連接到該線纜，無需使用乙太網交換器連接多個設備。當接收資料並需要發送到更高速的網際網路時，只需一個帶有10BASE-T1S連接埠和其他更高速連接埠的簡單交換器即可。無需特殊的轉換網路閘道，因為乙太網網路上的每個設備都使用相同的乙太網幀格式。
10BASE-T1S乙太網的出現，是汽車網路發展史上的一個重要里程碑。透過提供標準化且高效的感測器和執行器連接方式，10BASE-T1S乙太網銜接了數位世界與實體世界之間的鴻溝。該技術可實現即時資料處理和通訊，使車輛能夠更快、更準確地響應不斷變化的路況。10BASE-T1S乙太網確保車輛各系統之間無縫協作，圖2展示了這個概念的工作原理。

10BASE-T1S乙太網的實際應用
為了展示10BASE-T1S乙太網的實際應用，有廠商如Microchip開發了一個演示，展示如何使用該技術連接車輛內的各種感測器和執行器。該演示包含壓力、接近、光線和其他感測器，它們可以擷取真實世界的資料，然後由集中式運算平台進行處理。處理後的資料用於控制馬達、風扇、燈光和顯示器，進而與實體世界進行互動，如圖3所示。

這種設置不僅突顯了10BASE-T1S乙太網的多功能性，也突顯了其簡化車輛通訊系統設計的潛力。10BASE-T1S乙太網使用單對多點匯流排，無需乙太網交換器即可連接衆多感測器和執行器。當資料在網路中流動時，一個帶有10BASE-T1S連接埠的簡單交換器即可連接更高速的連接，並且在整個系統中保持乙太網幀格式的一致性。
為車商帶來的便利
使用單一協議實現大多數功能，對於必須要支援多種特定應用標準的汽車製造商來說，具有顯著優勢。每年的車型都會對先進駕駛輔助系統(ADAS)進行強化，這通常需要再次配備新的攝影鏡頭、雷達、超音波感測器和雷射雷達，也要對資通訊娛樂和導航系統進行更新。汽車的其他部件也會逐步增強，有時僅增加新的軟體功能。
如今，車輛可能配備四十種不同的線束、數十甚至數百個電子控制單元(ECU)，以及長達數英里、重達250磅以上的電線。不同應用所需的各種電纜也帶來了電磁相容性(EMC)的挑戰，因為每種應用都有其獨特的要求。
轉向單一協議簡化了車輛的內部架構，減少了線束和ECU的數量。這不僅減輕了重量和複雜性，更提高了可靠性和維護的便捷性。由於需要管理的組件減少，汽車製造商可以專注於提升車輛的效能和功能，進而提供更佳的整體駕駛體驗。
持續發展 滿足未來的需求
為了因應現代車輛日益複雜的特性，感測器、執行器和電子系統數量不斷成長，程式碼行數很快會從目前的一億行再增加到數億行，所以可擴展且高效的網路基礎設施變得至關重要。基於乙太網的區域E/E架構可以提供處理這些系統產生的海量資料所需要的頻寬和彈性，確保車輛保持互聯，平穩且高效地運行。
統一車輛通訊架構最初只是一個概念，如今即將成為現實。目前道路上的一些車輛已經將乙太網作為IT架構，採用了擴展到實體數位介面的全新分區架構的車型也即將投入生產。曾經由硬體定義的功能現在可以透過軟體實現和更新，這種方法不僅簡化了車輛設計，還為軟體驅動的創新開闢了新的可能。
不限於汽車產業，工業應用也開始採用乙太網技術，這得益於工業領域同樣對更高效、可擴展通訊解決方案有所需求。隨著乙太網在汽車以外的領域日益普及，並形成規模經濟，將有助於降低成本，使其更易於普及，並吸引更為廣泛的應用。隨著建構和實施基於乙太網系統的知識不斷擴展，在各個產業開發和部署這些系統將變得更加容易。
從本質來講，乙太網(特別是10BASE-T1S乙太網)的採用，是汽車技術中融合虛擬世界和現實世界的關鍵一步。這項技術不僅能夠使得未來的車輛比過去任何時候都更具智慧、更安全、更互聯互通，還為跨多個領域的更廣泛創新奠定了基礎。
乙太網從IT到汽車應用的演變歷程，充分證明了標準化的力量，以及跨產業合作推動技術進步的潛力。隨著汽車產業的不斷發展，乙太網將在塑造未來汽車方面發揮關鍵作用，開創一個以效率、安全和聯網為核心的全新外出體驗。
(本文作者為Microchip汽車資通訊娛樂系統業務部資深行銷經理)