以太網上汽車，確保實時性和故障安全性（上）

在消費類產品上已普及的以太網，在汽車領域也開始廣泛采用。2008年前后起用于故障自我診斷，而2013年以后，其用途將擴展到周邊監控用攝像頭系統、運行輔助系統及影像傳輸領域。將來還有可能用于車載網絡的主干網。由于消費類產品的網絡技術，汽車世界的“開放化”似有可能加速。

　　為了將“以太網”用于連接汽車內ECU和電裝品的網絡，即車載LAN規格，汽車行業開始扭轉航向。以太網已于2008年前后在故障自我診斷（OBD）用途上開始實用化。今后將在提高實時性、確保故障安全、削減成本以及提高數據傳輸速度等的同時，進一步擴大適用范圍注1）。

注1） 法規的強化等也將推動以太網的普及。例如，據麥瑞半導體日本稱，“ISO13400規定，2019年之前，汽車必須配備采用以太網IP的OBD功能”（）。此外，關于車載攝像頭，美國有必須要配備后攝像頭的動向等。

　　具體來說，以預定2013年上市的新車周邊監控攝像頭系統中的利用為契機，2014年車載AV產品的影像傳輸（信息）系統似也將利用以太網。

　　2015年以后，以太網的應用范圍可能會擴大到將綜合了車身系統、控制系統、安全系統及信息系統等的網關連接起來的主干網絡（圖1）。甚至就控制系統，也“考慮在部分用途采用”（豐田）。

圖1：以太網普及的先兆
因可確保實時性和故障安全以及削減成本等，以太網在汽車領域的應用似將增加。以太網從2008年開始在OBD用途實現實用化，預計從2013年開始將用于攝像頭系統。2014～2015年前后用于影像傳輸系統，2020年之前有可能導入控制系統和主干網。　

端口將達2.7億

　　車載以太網可能會與其他已有車載LAN規格一同普及。例如，信息系統將與“CAN”和“MOST”，安全系統將與CAN和“FlexRay”共同被采用（圖2）。控制系統方面，制動器和姿勢控制等要求極高實時性和可靠性的用途將采用FlexRay和CAN。

　　據標準化團體“IEEE802.3”下設的RTPGE（Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet） Study Group預測，汽車領域的以太網端口數將在2015年一舉激增，到2019年估計會達到2.7億（圖3）。

圖2：與其他規格共存
車載以太網的應用范圍雖然不斷擴大，但依用途，可能會與其他已有規格并存。例如，在安全系統中估計會與CAN和FlexRay共同得以采用。

圖3：2019年端口數將達2.7億
據制定1Gbit/秒車載以太網標準的RTPGE Study Group預測，車載以太網的端口數2019年將達到2.7億。

變成開放式環境

　　因以太網車載用途的普及，汽車的環境將向消費類產品靠近。例如，可將高畫質數字影像在多臺產品上利用、可利用基于移動通信的云服務等。與智能手機和平板終端的聯動也會變得容易。

　　CAN、FlexRay及MOST等以往的車載LAN規格，是汽車行業專門為本行業開發的。因此，是一種難以與外部產品和網絡服務連接的“封閉環境”。隨著以太網的應用，其有望變成像消費類產品那樣的“開放”環境。

　　實際上，實現標準制定的過程以及參與制定的成員企業都發生了很大的變化。比如，豐田早就以白皮書形式向行業團體提出了其正在討論的車載以太網標準。這是因為，僅是為與外部產品和服務實現聯動，就需要從外部廣泛收集意見。

　　這種事例在汽車行業比較少見。以往的車載LAN規格是由非常有限的企業制定和導入標準后，其他汽車廠商才開始采用的。

　　而對此次的白皮書，德國寶馬、美國通用汽車（GM）及韓國現代汽車等世界各地的汽車廠商都表示了極大的關心，現已開始根據該白皮書討論標準制定。

　　參與車載以太網標準制定的企業也不同于以往。除了以前主導標準制定的歐洲企業等汽車行業的企業外，英特爾、思科系統及博通等美國IT企業也參與其中。有了重視開放性的美國企業參與，車載以太網的機制將成為一個更加開放的環境。

高速性和擴展性出色

　　以太網導入車載用途的主要原因在于其高速的通信速度及高擴展性（圖4）。如果是普通以太網，利用電信號可將速度提高至1Gbit/秒，利用光信號可提高至10Gbit/秒。

圖4：著眼于“快速、高擴展性”的特點
汽車行業之所以關注以太網，是因為其有望實現高速傳輸。另外，與外部的連接性以及可支持多種網絡拓撲的高擴展性也是以太網的特點。

　　利用多個高畫質攝像頭的系統以及利用多臺顯示器觀看高清影像的后座娛樂系統（Rear Seat Entertainment）需要100Mbit/秒、主干網用途需要1Gbit/秒以上的數據傳輸速度。以太網即使在車載用途也可實現100Mbit/秒的水平。今后的目標是，在車載用途通過電信號實現1Gbit/秒的速度。

　　關于另一個特點——高擴展性，支持通信產品和消費類產品常用的TCP/IP時，與外部產品和網絡服務的聯動將變得容易。可支持總線型及星型等多種網絡拓撲。

為解決課題積極展開行動

　　雖然對以太網的期待日益高漲，但車載用途在以下方面還存在課題：（1）實時性、（2）故障安全、（3）導入成本、（4）數據傳輸速度。其中，要想擴大車載用途，必須解決實時性和故障安全的課題。

　　消費類用途的以太網在盡力服務（Best Effort）型通信中對延遲時間沒有保證（圖5）。因此，如果不確保實時性，控制系統自不必說，信息系統也無法應用。故障安全方面，如果從故障中恢復的時間“最大需要數十秒的話，就難以用于車載用途”（某汽車企業的技術人員）。

圖5：計劃確保實時性和故障安全等
要想將以太網用于車載用途，必須對實時性和故障安全采取對策，而且存在成本還比較高等課題。因此，各公司為解決課題各盡所能，目前已經開始考慮用于信息系統。今后還設想用于控制系統，計劃進一步加以改善。

　　以太網在共7層的OSI基本參考模型中，規定下層的物理層和數據鏈路層兩個層。其中，將主要通過數據鏈路層的改善，來提高實時性和確保故障安全。

　　課題的解決以思科和英特爾等2009年成立的“AVnu聯盟”（圖6）為中心推進。該團體為了除家庭以外還在汽車內構筑高品質視聽環境，推進了“IEEE802.1 Audio/Video Bridging”（以下簡稱Ethernet AVB）的采用。汽車行業著眼于此，就車載用途所需的實時性和故障安全展開了討論。

圖6：汽車行業參加車載以太網的標準制定團體
汽車行業的多家企業為制定以太網標準紛紛展開了行動。其中，車載產品廠商哈曼、半導體廠商博通是AVnu聯盟和OPEN Alliance SIG兩大團體的主導企業。

　　Ethernet AVB的現有標準有“IEEE802.1AS/Qat/Qav/BA”等4個項目的規格（表1）。根據這些規格，能實現提前為特定用途確保通信帶寬的“帶寬預約”及時間同步，并將延遲時間控制在7跳點（hop）、2ms以下。

　　在部分車載用途中，Ethernet AVB的現行標準已經達到實用水平。比如，7跳點、2ms以下的延遲時間“雖然不能一概而論，但滿足了車載攝像頭系統和信息系統用途的標準”（瑞薩電子）。

　　該公司試制了Ethernet AVB的IP內核，將其安裝于FPGA等，進行了設想用于信息系統的動作演示，并確認可以正常工作（圖7）。在展示中，瑞薩電子利用IEEE802.1Qat為影像傳輸確保了帶寬，在影像傳輸過程中，即使在網上進行其他數據通信也能穩定傳輸影像數據。

圖7：利用Ethernet AVB實現流暢的影像播放
瑞薩電子在“人與車科技展2012”上利用Ethernet AVB進行了演示。即使傳輸影像時在同一網絡內與個人電腦和硬盤進行數據交換，也能順利接收影像數據進行播放。而如果是普通以太網的話會產生延遲，導致影像混亂。