以太网上汽车确保实时性和故障安全性

发布时间：2020-06-30 18:42:53 阅读：次来源：水泥厂家

在消费类产品上已普及的以太网，在汽车领域也开始广泛采用。2008年前后起用于故障自我诊断，而2013年以后，其用途将扩展到周边监控用摄像头系统、运行辅助系统及影像传输领域。将来还有可能用于车载网络的主干网。由于消费类产品的网络技术，汽车世界的“开放化”似有可能加速。

为了将“以太网”用于连接汽车内ECU和电装品的网络，即车载LAN规格，汽车行业开始扭转航向。以太网已于2008年前后在故障自我诊断（OBD）用途上开始实用化。今后将在提高实时性、确保故障安全、削减成本以及提高数据传输速度等的同时，进一步扩大适用范围注1）。

注1）法规的强化等也将推动以太网的普及。例如，据麦瑞半导体日本称，“ISO13400规定，2019年之前，汽车必须配备采用以太网IP的OBD功能”（）。此外，关于车载摄像头，美国有必须要配备后摄像头的动向等。

具体来说，以预定2013年上市的新车周边监控摄像头系统中的利用为契机，2014年车载AV产品的影像传输（信息）系统似也将利用以太网。

2015年以后，以太网的应用范围可能会扩大到将综合了车身系统、控制系统、安全系统及信息系统等的网关连接起来的主干网络（图1）。甚至就控制系统，也“考虑在部分用途采用”（丰田）。

图1：以太网普及的先兆因可确保实时性和故障安全以及削减成本等，以太网在汽车领域的应用似将增加。以太网从2008年开始在OBD用途实现实用化，预计从2013年开始将用于摄像头系统。2014～2015年前后用于影像传输系统，2020年之前有可能导入控制系统和主干网。

端口将达2.7亿

车载以太网可能会与其他已有车载LAN规格一同普及。例如，信息系统将与“CAN”和“MOST”，安全系统将与CAN和“FlexRay”共同被采用（图2）。控制系统方面，制动器和姿势控制等要求极高实时性和可靠性的用途将采用FlexRay和CAN。

据标准化团体“IEEE802.3”下设的RTPGE（Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet） Study Group预测，汽车领域的以太网端口数将在2015年一举激增，到2019年估计会达到2.7亿（图3）。

图2：与其他规格共存车载以太网的应用范围虽然不断扩大，但依用途，可能会与其他已有规格并存。例如，在安全系统中估计会与CAN和FlexRay共同得以采用。（图由《日经电子》根据RTPGE Study Group的资料制作）

图3：2019年端口数将达2.7亿据制定1Gbit/秒车载以太网标准的RTPGE Study Group预测，车载以太网的端口数2019年将达到2.7亿。

变成开放式环境

因以太网车载用途的普及，汽车的环境将向消费类产品靠近。例如，可将高画质数字影像在多台产品上利用、可利用基于移动通信的云服务等。与智能手机和平板终端的联动也会变得容易。

CAN、FlexRay及MOST等以往的车载LAN规格，是汽车行业专门为本行业开发的。因此，是一种难以与外部产品和网络服务连接的“封闭环境”。随着以太网的应用，其有望变成像消费类产品那样的“开放”环境。

实际上，实现标准制定的过程以及参与制定的成员企业都发生了很大的变化。比如，丰田早就以白皮书形式向行业团体提出了其正在讨论的车载以太网标准。这是因为，仅是为与外部产品和服务实现联动，就需要从外部广泛收集意见。

这种事例在汽车行业比较少见。以往的车载LAN规格是由非常有限的企业制定和导入标准后，其他汽车厂商才开始采用的。

而对此次的白皮书，德国宝马、美国通用汽车（GM）及韩国现代汽车等世界各地的汽车厂商都表示了极大的关心，现已开始根据该白皮书讨论标准制定。

参与车载以太网标准制定的企业也不同于以往。除了以前主导标准制定的欧洲企业等汽车行业的企业外，英特尔、思科系统及博通等美国IT企业也参与其中。有了重视开放性的美国企业参与，车载以太网的机制将成为一个更加开放的环境。

高速性和扩展性出色

以太网导入车载用途的主要原因在于其高速的通信速度及高扩展性（图4）。如果是普通以太网，利用电信号可将速度提高至1Gbit/秒，利用光信号可提高至10Gbit/秒。

图4：着眼于“快速、高扩展性”的特点汽车行业之所以关注以太网，是因为其有望实现高速传输。另外，与外部的连接性以及可支持多种网络拓扑的高扩展性也是以太网的特点。

利用多个高画质摄像头的系统以及利用多台显示器观看高清影像的后座娱乐系统（Rear Seat Entertainment）需要100Mbit/秒、主干网用途需要1Gbit/秒以上的数据传输速度。以太网即使在车载用途也可实现100Mbit/秒的水平。今后的目标是，在车载用途通过电信号实现1Gbit/秒的速度。

关于另一个特点——高扩展性，支持通信产品和消费类产品常用的TCP/IP时，与外部产品和网络服务的联动将变得容易。可支持总线型及星型等多种网络拓扑。

为解决课题积极展开行动

虽然对以太网的期待日益高涨，但车载用途在以下方面还存在课题：（1）实时性、（2）故障安全、（3）导入成本、（4）数据传输速度。其中，要想扩大车载用途，必须解决实时性和故障安全的课题。

消费类用途的以太网在尽力服务（Best Effort）型通信中对延迟时间没有保证（图5）。因此，如果不确保实时性，控制系统自不必说，信息系统也无法应用。故障安全方面，如果从故障中恢复的时间“最大需要数十秒的话，就难以用于车载用途”（某汽车企业的技术人员）。

图5：计划确保实时性和故障安全等要想将以太网用于车载用途，必须对实时性和故障安全采取对策，而且存在成本还比较高等课题。因此，各公司为解决课题各尽所能，目前已经开始考虑用于信息系统。今后还设想用于控制系统，计划进一步加以改善。

以太网在共7层的OSI基本参考模型中，规定下层的物理层和数据链路层两个层。其中，将主要通过数据链路层的改善，来提高实时性和确保故障安全。

课题的解决以思科和英特尔等2009年成立的“AVnu联盟”（图6）为中心推进。该团体为了除家庭以外还在汽车内构筑高品质视听环境，推进了“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”（以下简称Ethernet AVB）的采用。汽车行业着眼于此，就车载用途所需的实时性和故障安全展开了讨论。

图6：汽车行业参加车载以太网的标准制定团体汽车行业的多家企业为制定以太网标准纷纷展开了行动。其中，车载产品厂商哈曼、半导体厂商博通是AVnu联盟和OPEN Alliance SIG两大团体的主导企业。

Ethernet AVB的现有标准有“IEEE802.1AS/Qat/Qav/BA”等4个项目的规格（表1）。根据这些规格，能实现提前为特定用途确保通信带宽的“带宽预约”及时间同步，并将延迟时间控制在7跳点（hop）、2ms以下。

在部分车载用途中，Ethernet AVB的现行标准已经达到实用水平。比如，7跳点、2ms以下的延迟时间“虽然不能一概而论，但满足了车载摄像头系统和信息系统用途的标准”（瑞萨电子）。

该公司试制了Ethernet AVB的IP内核，将其安装于FPGA等，进行了设想用于信息系统的动作演示，并确认可以正常工作（图7）。在展示中，瑞萨电子利用IEEE802.1Qat为影像传输确保了带宽，在影像传输过程中，即使在网上进行其他数据通信也能稳定传输影像数据。

图7：利用Ethernet AVB实现流畅的影像播放瑞萨电子在“人与车科技展2012”上利用Ethernet AVB进行了演示。即使传输影像时在同一网络内与个人电脑和硬盘进行数据交换，也能顺利接收影像数据进行播放。而如果是普通以太网的话会产生延迟，导致影像混乱。