車載通信正在面臨變革

車載網絡正開始從域架構向區域架構遷移，這種方法將使用更少的協議、更少的布線，從而簡化和加速車輛中的通信，并最終降低成本。

區域架構將車輛劃分為更易于管理和靈活的區域，但實現這一目標需要時間。當今的汽車中有太多的傳統技術，汽車制造商必須支持一系列協議。例如，車輛可能支持藍牙、USB、LTE 支持信息娛樂的移動設備，以及一些內部開發的協議。對于攝像機來說，MIPI 是主要的協議。對于 ADAS、ECU 和傳感器融合的實時控制，它們可能會支持控制器局域網 (CANs)、本地互連網絡 (LINs)、以太網等。

實現這一轉變的關鍵要素之一是更快的通信。幾年前，93% 的汽車網絡運行速度低于 100Mbps，而且其中大部分不太可能在一夜之間改變。事實上，10/100/1000BASE-T1 汽車以太網和低速總線（例如 CAN 及其變體）很可能將繼續為大多數低速通信提供服務。但隨著時間的推移，隨著汽車開始根據各個區域的輸入做出更重要的決策，數千兆位的速度將被添加到車輛中以實現數據的快速移動。

圖 1:各類汽車網絡技術對比。來源:Keysight

是德科技汽車以太網技術解決方案架構師兼規劃師 Jae Yong 表示:「汽車行業預計，汽車以太網不會取代所有傳統連接。相反，我們將繼續看到不同通信協議和方法的混合。圖 1 右上方的巨大星團是最具活力的，也是很多創新發生的地方。正如我們從物理學中知道的那樣，更高的波特率會增加電干擾、噪聲源、反射、衰減和其他影響信號和這些信號中攜帶的數據的損失。數據速率越快，部署前的測試就越具有挑戰性和重要性。我們預計，千兆汽車以太網將推動基于 IEEE 802.3ch 和 IEEE 802.3cy 標準的高速通信需求。例如，IEEE 802.3cz 小組最近發布了新的多千兆位光學汽車以太網標準。對于汽車聯網來說，這是一個有趣的時代，我們應該期待未來會有許多挑戰和創新。」

其他人也同意這一觀點，認為更快的通信更多地是一種進化方向，而不是一次性的轉變。但這種轉變的優勢仍然是顯著的。

西門子數字工業軟件公司混合和虛擬系統副總裁 David Fritz 指出，汽車以太網可能是該領域的領導者。「帶寬將很快支持 L4 和 L5 自治的所有實現。此外，CAN 幀可以通過以太網傳輸，允許網關管理本地 CAN 和 CAN FD 區域網絡，支持現有的 ECU。汽車以太網的重量和功率方面遠遠優于傳統的 CAN 網絡。Can - FD 正逐漸成為以太網的競爭對手，至于誰將勝出，目前還沒有定論。然而，我們可以看到傳感器、執行器和 ECU 供應商正因為上述特性而直接支持汽車以太網。」

Cadence 汽車解決方案集團主管 Robert Schweiger 表示:「我們的目標之一是用盡可能多的標準化網絡技術——協議、控制器和物理設備——來取代專有解決方案。另一個目標是減少不同網絡技術的多樣性以創建更加同質的網絡架構。為此需要利用汽車以太網，例如 10BASE-T1、100BASE-T1、1000BASE-T1、10G BASE-T1。」

Schweiger 指出，區域架構的關鍵將是車載網絡的整體帶寬和效率的顯著提高，區域架構主要依賴于汽車以太網、ASA Motion-Link/MIPI a - phy、MIPI CSI2、MIPI DSI、POF、CAN 和 LIN。「當然，這可能因 OEM 不同而有所不同，一些專有解決方案仍然存在。」

圖 2：區域架構簡化了傳統的域方法。來源：Marvell

汽車設計不會在一夜之間發生變化。設計周期通常至少持續幾年，而某些組件和子系統的設計可能會在市場上停留更長時間。因此，汽車網絡格局將繼續是協議和依賴于應用程序的方案的混合體。其中一些將服務于非實時應用，如信息娛樂和車內乘員行為監控。其他協議將支持安全和其他實時應用。

是德科技 Automotive SerDes Technologies 解決方案架構師和規劃師 Kevin Kershner 指出:「例如，如果駕駛員離開車輛時無人照看兒童或寵物，駕駛員將收到警報。OEM 正在努力簡化實時應用程序的設計，同時提高性能和通信速度，特別是在自動駕駛領域。」

此外，汽車行業的電氣和電子 (E/E) 架構也在不斷發展，以支持日益復雜的需求，包括基于傳感器的駕駛輔助系統 (ADAS) 和自動駕駛 (AD) 應用的作用。

「車輛內部和周圍有豐富的顯示技術，包括高分辨率儀表板、側視鏡面板以及與消費電子設備服務相當的信息娛樂選項，」Kershner 表示，「許多傳感器，包括攝像頭、激光雷達和雷達，都會捕獲高分辨率數據，然后將其與其他傳感器數據一起傳輸或聚合，以供 ADAS/AD 應用程序進一步處理。」

至于環視攝像頭系統，多個攝像頭也可以將視頻傳輸到車內的顯示器。「在這里，應用需求推動了 E/E 的選擇，包括傳感器總數和傳輸數據所需的帶寬，」他說。「這意味著通信技術的選擇真正取決于應用程序。考慮到高速設備的成本、復雜性和功耗，低速功能不能使用「過度設計」的高速總線。某些技術是點對點的，而其他技術則支持多點節點的效率。部分高速鏈路是對稱的，支持大功率計算節點之間的雙向通信。相比之下，其他設計是不對稱的，以支持在單一方向上需要高吞吐量的應用 (例如，相機輸出下游，命令和控制上游)。

從域架構到區域架構

ECU 是車輛的基本構建塊。它們控制各種功能，如發動機運行、變速箱、緊急制動，以及其他監控功能，如輪胎壓力和車內氣候控制。與區域架構不同，域架構將各種功能分組到域中，而不考慮這些域的物理位置。在域架構中，支持每個域的 ECU 可能分布在車輛內部。因此，可能需要較長的電纜線束來連接到這些域。

傳統上，OEM 在其設計中使用域架構。域架構中使用的主要網絡協議是控制器局域網 (CAN) 和本地互連網絡 (LIN)，這兩種網絡協議已被 OEM 用于執行各種功能的實時控制。CAN (ISO 11898-1:2003) 是一種支持三種不同速度的串行網絡協議:

低速—500 米總線長度（最大）時為 125 Kbps

高速—40 米總線長度（最大）時為 1 Mbps

靈活的數據速率 (CAN FD)—10 米總線長度（最大）時為 15 Mbps

CAN 已被證明是可靠且成本相對較低的，可支持分布式實時控制和多路復用設備，包括 ECU。LIN (ISO 17987-2) 是 CAN 的補充，也是一種串行網絡協議。它支持 19.2 Kbit/s 的較低數據速度，通常用于艙內燈光控制，如調光。

隨著汽車行業整合更多的軟件和電子設備來支持軟件定義車輛和自動駕駛，對高速通信的需求也在增加。雖然意見不一，但一些專家認為，未來的自動駕駛將需要 50Gbps 的數據傳輸速度，以支持各種實時 ADAS 和 ECU 功能。根據以太網聯盟的說法，目前以太網的傳輸速度為 100Gbps，在未來幾年內有可能達到每秒 tera 比特。

隨著新技術和新功能的發展，這種情況可能會發生變化。近年來，汽車網絡已經從基于域的架構發展到基于汽車以太網的區域架構。

Marvell 汽車營銷副總裁 Amir Bar-Niv 表示，電動汽車內電纜線束的總重量僅次于汽車發動機和底盤的重量。減少電纜的長度和數量可以減少車輛的總重量，提高燃油效率 (或電動汽車的續航里程)，并簡化制造過程。

同時也在努力簡化通信。目前，單個網絡必須支持一定范圍的帶寬和各種不同的協議。例如，ADAS 將推動增加網絡協議帶寬的需求。

無線通信可以提供幫助，部分原因是大部分無線通信都是在汽車之外開發和完善的。「由于無線協議通常不是針對汽車的，因此它們將進一步集成，以支持消費電子設備，」Arm 汽車業務部門的汽車合作主管 Bernhard Rill 解釋說。「整個行業都在努力確定如何將這些無線協議用于未來的汽車特定用例。如今，汽車使用了大量的網絡，催生了一種整合通信的趨勢。當涉及到 E/E 架構時，網絡是一個非常重要的關注點。汽車原始設備制造商正在尋找 CAN-FD 和基于以太網的網絡，如 10BASE-T1S。此外，可互操作的 2.5Gbps 骨干以太網需要在大規模生產使用時進行加固，高速連接將使用 PCIe 進行相干芯片設計。」

區域架構與域架構

使用更高速以太網的區域架構的想法正在獲得發展勢頭，因為與域架構相比，它更簡單、更容易制造。該技術方法使用多個區域開關來控制各種功能。

圖 3：在區域架構設計中，使用多個不同速度的區域開關來控制車輛中的各種功能。來源：Keysight

位于操作系統和硬件之間的中間件棧將在區域架構中變得越來越重要，許多自動駕駛功能 (如 ADAS 和緊急制動) 都是由中間件執行的。服務質量是中間件的關鍵，包括優先處理任務關鍵、實時和時間敏感的音樂流。

Arm 的 Rill 清楚地看到，汽車 E/E 架構將朝著區域方向發展。他指出，Arm 正在積極與生態系統合作伙伴合作，以確定如何使用區域控制器，以及可以在區域控制器上托管哪些功能，包括 ADAS 和數字艙室相關的用例。「考慮到汽車行業漫長的發展周期，向區域架構的過渡將需要時間。」

遺留因素

由于 OEM 目前使用的許多遺留網絡協議，使用以太網轉換到區域架構可能比聽起來要困難得多。在取代遺留協議后，任何新設計都需要至少與舊協議一樣好。真正的挑戰是在不影響新產品推出的情況下實現平穩過渡。因此，OEM 可能有不同程度的區域轉型和時間表。

「大多數應用程序都有延遲和/或有效負載要求，以支持車輛的操作方面，例如實時操作，例如用于高延遲/低負載的 LIN，用于低延遲/高負載的以太網。」英飛凌科技美洲地區車輛用戶體驗部門高級總監 Ray Notarantonio 表示。一般來說，網絡的大小可以滿足這些需求，這支持每個應用程序的最佳性價比。它保證了網絡在設計上既不會過度利用，也不會利用不足。

另一方面，計劃轉向軟件定義汽車的 OEM 將選擇區域架構。NXP 車載網絡高級副總裁兼總經理 Meindert van den Beld 指出:「這種大規模的區域化將包括引入一個多 Gb、高度設計的以太網主干，連接更多面向安全/安全的區域模塊，能夠實現系統的完全隔離，共享相同的物理資源。」

因此，與采用傳統設計的 OEM 相比，初創公司或新 OEM 在采用區域架構方面可能具有更大的靈活性。

瑞薩電子高性能計算、模擬和電源解決方案部門產品營銷總監 Sam Gold 表示:「區域架構的引入很大程度上取決于單個 OEM 的策略。新玩家可以更自由地修改現有架構，甚至可以從頭開始實現新的架構概念。另一方面，成熟的 OEM 可能面臨強烈的傳統依賴，并且擁有各種各樣的汽車模型，具有強烈的相互依賴性。這導致只能應用網絡拓撲結構或體系結構的邊際或漸進變化。降低線束的成本、復雜性和重量是所有 OEM 的共同目標。在這方面，線束的自動化與手工制造也是一個很大的成本因素。」

區域安全問題

安全仍然是汽車領域的一個大問題，雖然理論上區域架構更容易監管，但在 CAN、LIN、以太網和其他技術組合的轉型階段，可能會產生新的漏洞。這意味著 OEM 需要做更多的工作來降低網絡攻擊的風險。

是德科技自動駕駛汽車業務線產品經理 Carrie Browen 表示：「隨著汽車行業不斷適應日益復雜的顯示器和連接需求，復雜性已成為新常態。隨著車輛內的網絡變得更快、更復雜，他們需要更高水平的測試以確保功能的一致性。這不僅僅是一種奢侈，而且是確保每個界面免受網絡威脅的必要條件。例如，隨著汽車中通過 CAN、藍牙、汽車以太網、SerDes、無線、蜂窩等方式的連接越來越多，信息被破壞的可能性也越來越大，并成為潛在的威脅接口。因此，在設計、驗證和生產過程中，必須遵守相關法規 (ISO/SAE 21434 和 UN-R155) 并對網絡本身進行驗證。」

英飛凌的 Notarantonio 對此表示贊同。「網絡安全多年來一直是車輛的標準配置。消息通過安全域中的硬件安全模塊和專用軟件進行身份驗證。CAN 和 CAN-FD 網絡是最先增加安全性的網絡，并且自那時起安全性才不斷擴大。如今，人們正在做出各種選擇來保護新網絡，例如車輛上的以太網，選擇 MACSEC 或 IPSEC，但沒有什么是不安全的。」

與此同時，隨著車輛的連接越來越多，汽車網絡的設計必須具有強制性的網絡安全風險管理。

瑞薩電子的 Gold 表示，「OEM 應該開發縱深防御，但也要實現加密敏捷性。縱深防御應考慮對車輛外部通信 (如 TLS、外部 I/F 認證) 和內部通信 (如 IDS/IPS、TLS、MACsec、IPsec、SecOC) 的保護。車輛安全運營中心可以對上述保護機制的安全日志進行分析，并在必要時通過無線固件部署安全補丁，以減輕對車輛汽車網絡的網絡威脅。由于更長的密鑰長度和/或密碼系統被破壞，應該考慮使用 Crypt 敏捷性來支持汽車網絡協議更新。后量子加密正在被考慮作為下一代算法。應該定義適當的體系結構來防止安全瓶頸 (例如，分布式安全處理)。」

OEM 的布局情況

雖然很難預測 OEM 何時會實現 100% 的以太網，但大多數 OEM 都在當前和未來的設計中使用以太網。Marvell 的 Bar-Niv 表示，在未來幾年，采用率將會加快。

圖 4：區域架構的采用預計將在未來幾年內加速。來源：Marvell

寶馬是最早在其車輛中采用以太網的公司之一。2021 年，它在其量產車型 BMW iX 中引入了千兆以太網。如今，以太網已用于所有生產型號。

與其他 OEM 一樣，現代汽車報告稱其使用 CAN 和以太網的混合模型。其 Kona 和 Santa Fe 就是使用以太網支持 OTA 的示例。梅賽德斯-奔馳采用以太網和 CAN/LIN 的結合。2013 年，其 222 款 (s 級) 車型使用 CAN 和 LIN 2.1 作為大多數控制，同時使用以太網作為信號燈。到 2020 年，梅賽德斯-奔馳的 223 款 (s 級) 車型已經使用以太網在主要領域之間進行通信。從 2024 年開始，奧迪將推出基于分散式 Premium Platform Electric 的全新 E/E 架構 (E3)，該架構將使用包括高速骨干網在內的以太網技術進行擴展。

雖然大多數 OEM 都在其設計中融入了以太網，但豐田車型目前還不支持以太網。

與此同時，美國的 OEM 正在轉向區域架構。英飛凌的 Notarantonio 表示，「區域方法的一部分是將高性能計算中心與制造汽車的所有功能連接起來，并通過將更多功能集成到單個區域來實現。這種集成有助于降低材料成本和線束復雜性。」

此外，這些 OEM 正在超越簡單地增加一個功能或增加一個 ECU，因為這是線束和軟件復雜性的主要貢獻者。

日本的目標也類似。但在那里，OEM 選擇了基于領域的架構來制造他們的汽車。「無論哪種情況，它們都允許在中心節點進行大部分更新，而在區域或域進行有限的更新，但軟件定義車輛是減少軟件和線束復雜性的未來途徑，」Notarantonio 說。

未來愿景

基于 OEM 目前的做法，可以肯定的是，區域架構將繼續獲得動力。除了簡化汽車設計之外，區域汽車架構還為供應鏈創造了新的機會。

是德科技自動駕駛汽車業務線解決方案支持部門 Mei Ching (Maggie) Lim 指出:「區域架構是降低汽車網絡復雜性的潛在解決方案，通過將汽車電子系統組織成區域，讓 OEM 簡化布線和通信路徑，每個區域處理特定功能，從而節省成本、提高效率和提高可靠性。主要目標是減少電纜線束的重量和復雜性，這與使用高速通信技術提高數據吞吐量的需求相矛盾。」

此外，使用內聯連接器連接多個網絡段，要求長距離通信通道操作，對電氣性能提出了嚴格的要求。「這意味著新興標準必須嚴格定義允許的信道損耗，測試方法必須驗證性能，」Lim 說。「應用需求決定了 E/E 架構的選擇。將各種傳感器聚合到單個鏈路上以減少電纜重量和成本，從而導致更高的吞吐量要求。提高效率和可靠性以及減輕重量是重要的驅動因素。然而，區域架構是否會成為主導取決于許多因素，包括技術進步、行業采用和汽車生態系統不斷發展的需求。自主性水平、連接性需求和成本考慮都是影響因素。汽車行業是動態的，汽車架構的演變將取決于持續的技術發展以及這些概念在實際應用中的成功實施。」

此外，除了 ECU、網絡和 UTP/STP 布線整合之外，區域體系結構還保證了可擴展性，與分布式/基于域的體系結構相比，有助于降低總體成本。Cadence 的 Schweiger 補充說:「OTA 軟件升級使 OEM 能夠在車輛生命周期內提供額外的功能或服務，而區域架構將顯著改善 OTA 流程。」

圖 5：在不久的將來，域架構和區域架構將共存。來源：英飛凌

雖然區域架構被廣泛認為是未來的趨勢，但轉型需要時間。一些 OEM 正在全速前進，而另一些 OEM 則繼續支持域架構。因此，在可預見的未來，汽車設計中可能會繼續使用多種網絡協議。