如今，汽车与网络通信领域的融合已经成为不可逆转的趋势。在过去，汽车被认为是传统工业的象征，而网络通信则是来自硅谷的新兴力量。然而，现在这两个不同世界正在紧紧相拥，深度融合正在助力汽车科技的进步。
如果说4D毫米波雷达升级了汽车的眼睛，新能源动力系统更换了汽车的心脏，智能驾驶芯片优化了汽车的大脑，那么车载以太网则是改造了汽车的大动脉。
背景
从智能汽车通讯网络承载的功能来看，随着车载子系统增加和摄像头分辨率的提升，传统车载网络如CAN、CAN_FD和FlexRay等，面临着数据共享和传输带宽临的挑战。此外，目前主流车载网络标准相对封闭，难以与外部设备及网络服务连接。为解决这些问题，车载以太网作为更高带宽、更开放的通讯方式应运而生。以太网的灵活星形连接架构使得每条链路都能拥有更高的带宽，大幅降低应用成本，且方便车辆与外部世界的频繁交互，实现多媒体娱乐和远程信息处理的平滑过渡。
从智能汽车电子电气架构发展趋势来看，集中式架构成为主流趋势，而车载以太网技术在集中式架构中扮演着关键角色。随着自动驾驶、智能座舱和电动化趋势的发展，域集中/跨域集中式架构逐渐成为智能驾驶汽车的主流方向，多个域控制器将融合为中央计算单元与多个区域控制器并存的形态。叠加以太网及TSN技术能够最大化满足智能网联汽车发展所需的实时计算与高速传输的软件需求。
图1 EE 架构持续向中央集中式演进
本文将深入探讨车载以太网的基本原理、应用场景和当前落地现状与市场前景。
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基本原理介绍
1)物理层
虽然以太网技术在互联网领域已经非常成熟，但直接将其应用于车载领域并不可行，因为在车载领域，对数据传输的实时性、可靠性以及安全性等方面有更高的要求。汽车的通信网络必须能够确保各个电子器件之间的高效、稳定的数据传输，尤其对于安全关键的系统，如自动驾驶和车辆控制等，则要求更加严格。因此，为满足汽车领域的特殊需求，车载以太网需要进行必要的调整，优化主要集中在物理层，使用一对非屏蔽双绞线进行全双工信息传输，具体修改如图2所示，这样做能降低 80%的连接成本，也减轻了 30%的线缆重量。
图2 基于OSI参考模型的物理层结构
2)通讯协议
为了确保其在各种车辆中都能广泛应用，需要制定一个统一的标准和协议。为适应汽车通讯领域的特殊需求，IEEE组织对IEEE 802.1和IEEE 802.3标准进行了相应的补充和修订。
在众多车载以太网通讯协议中，TSN(Time-Sensitive Networking，时间敏感网络)协议是其中最关键的。TSN是一组用于实时和时间敏感数据传输的网络协议标准，它能够满足汽车对低延迟、高带宽和高可靠性的通讯需求。TSN 的重要之处在于消除了传统以太网因多流并发导致的不确定性，尤其对于那些具有关键时间约束的应用具有重要意义。
图3 TSN技术的原理和优点
为了让汽车内部各个部件能顺利地“交流”，我们需要使用中间件，将各种不同的电子器件语言“翻译”成统一的语言，以实现各电子控制单元(ECU)间的高效数据通信。
目前汽车通讯的软件架构协议中，AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)规范被广泛应用，它定义了汽车电子系统的软件架构及接口。AUTOSAR规范已经包含了车用TCP/UDP/IP协议栈，而SOME/IP和DDS则代表了一些新型的通信中间件。SOME/IP基于AUOTOSAR架构开发，而DDS则是借鉴自其他工业领域，特别适用于对实时性有较高要求的车载应用场景，比如自动驾驶系统。
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应用和现状
1) 车载以太网与其他总线对比
随着多年的发展，传统的车载网络主要以CAN总线为核心，同时也采用了多种并存的总线技术。现阶段，车载使用的总线技术包括CAN、LIN、FlexRay、MOST以及LVDS等，其中以CAN总线为主，而LIN总线则提供辅助功能。
CAN总线主导着车上的数据传输，被广泛应用于现行车载网络技术，而LIN作为低成本的通用串行总线，主要服务于车内的车门、天窗、座椅等控制部分，从而为CAN总线提供支持。然而，CAN、LIN的传输速率较低，难以满足高级智能感知设备(如4D毫米波雷达)的数据传输需求。为此，车载以太网作为下一代智能汽车网络的核心技术应运而生。它提供了高带宽和轻量化线束的解决方案，并具有较高的性价比。
图4 车载以太网与其他总线对比
那么车载以太网是否能完全替代如CAN、CANFD等传统通讯网络呢?笔者认为不会。
首先，像CAN/CANFD等传统通讯网络已经在汽车领域得到广泛应用，他们具备成熟产业链、低廉的成本，替代成本很高，其次像CAN、CANFD等传统网络虽然带宽不高，但是可靠性非常好，非常适合如底盘域、动力域等对可靠性要求极高的场景，这则是车载以太网所不能具备的。
车载以太网可凭借高带宽、灵活性及较强的通用性，尤其适用于激光雷达和高清摄像头等传感器的高速数据传输，同时，它兼容现有的互联网协议，可以非常方便的通讯。
因此，短期内，两者可能会并行使用，而在未来，尽管车载以太网可能逐渐成为主流通讯技术，但我们仍将在一定程度上依赖传统通讯网络。
2) 应用前景
目前，车载以太网已经崭露头角，成为所有总线中传输速率最快的通信技术，有望率先应用于智能驾驶和智能座舱，并在未来逐步取代大多数现有的车内通信技术。随着汽车智能化的不断发展，车载以太网的发展可分为三个阶段。
图5 AUTOINFO-中国汽车工业信息网公布的车载以太网发展路线
在第一阶段，车载以太网将广泛应用于车载诊断系统和 ECU 软件刷新的 DoIP 协议，同时也会负责高清摄像头的数据传输，以提供更高效的驾驶辅助功能;
在第二阶段，车载以太网将进一步整合多个子系统，以满足智能座舱和智能辅助驾驶的需求。例如，通过将多媒体、驾驶辅助和诊断接口集成在一起，可以提供更便捷、更智能的车内体验;
到达第三阶段时，车载以太网将发挥更重要的作用，成为车载主干网络的关键技术。它将集成动力总成、底盘、车身控制和智能座舱等功能，形成一个跨域的汽车网络。
在新一代的智能汽车电子电气架构中，车载以太网成为主干网络的首选，从经典的五域到三域，再到整车中央计算平台的演变路径中，都可以看出其重要性，具体如下图6和图7所示。
在智能座舱中，车载以太网通过连接各种智能设备，实现智能化功能和实时数据交流。它提供了高带宽和低延迟，确保了音视频传输的流畅性，为乘客带来了更好的体验。
在智能驾驶中，车载以太网将逐渐连接各种传感器和控制单元，提供高速和低延迟的数据传输和，确保实时数据传输，从而提高自动驾驶的准确性和安全性。这些凸显了车载以太网在智能座舱和智能驾驶中的关键作用。
图6 华为智能汽车电子电气架构
图7 长城智能汽车电子电气架构
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产业链
车载以太网的产业链主要包括以下几个部分：原材料供应商、芯片设计和制造、硬件设备制造、软件开发、系统集成、终端应用等环节。在这个复杂的产业链中，各个环节的厂商需要密切合作，才能满足用户的需求。
其中，芯片设计和制造环节扮演着至关重要的角色，特别是车载物理层(PHY)芯片，它是整个产业链中的核心环节。全球以太网物理层芯片的供应商主要集中在海外，市场竞争激烈。欧美和中国台湾厂商凭借资金、技术、客户资源和品牌等优势，占据了市场的主导地位。目前，全球车载以太网PHY芯片的主要供应商包括Marvell、博通、瑞昱、德州仪器、NXP等，这五家厂商几乎控制了市场的全部份额。由于技术门槛高，市场竞争集中，这为国产替代提供了巨大的发展空间。
图8 车载以太网芯片的国内外市场图(%)
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总结
在汽车行业，智能化和网络化的趋势日益明显，车内信息传输量持续增加，域/跨域集中式架构也逐渐成为智能汽车的主流方向。传统通讯网络以CAN总线为主干网络，并同时使用多种总线技术作为辅助。然而，面对汽车智能化带来的挑战，我们需要一种更高效、可靠、低能耗、低延迟、轻量化的数据传输方案，而车载以太网正是这样一种理想的解决方案。车载以太网不仅拥有高速数据传输的能力，还具有出色的可靠性和低功耗/延迟等特性，这些优势使得车载以太网在未来的汽车通信架构中发挥着关键角色。
随着汽车智能化的发展，我们预见车载以太网将率先在智能座舱和辅助驾驶领域得到广泛应用，并有望在未来作为主干通讯网络。
同时，我们也要看到，虽然车载以太网具有众多优势，但其应用的推广和普及仍需要时间，同时也需要产业链上下游各厂商的配合和支持。例如在硬件和软件的设计和制造、系统的集成和应用等环节，都需要多方面的技术支持和协同合作。然而，这也正是我们所期待的，汽车智能化和网络化的趋势将推动车载以太网技术的快速发展，开启智能汽车新的通信时代。