10BASE-T1S:車用通訊中缺失的乙太網路連接

作者 : Fionn Hurley,ADI汽車技術部行銷經理

10BASE-T1S提供車用乙太網路生態系統中缺失的一環,支援真正的乙太網路到邊緣連接,並滿足區域架構的需求...

新型IEEE車用乙太網路(Ethernet)標準不斷地湧現,10BASE-T1S Ethernet是最新標準之一。本文將討論汽車產業的發展趨勢,如何反映車用電子/電氣(E/E)架構的變化,以及新的10BASE-T1S標準如何支援並推動這種新架構的佈署。

趨勢提供新機會

汽車產業目前正在經歷大變革。汽車製造商需要快速針對幾個大趨勢提供解決方案,例如個性化、電氣化、自動化和全面互連。OEM需要徹底改變其E/E架構以支援新功能。雖然這種變革帶來了重大的技術挑戰,但也為OEM提供了機會,讓他們開始考慮在E/E架構中不再使用基於獨立域的解決方案,因為隨著一代平台發表,此類解決方案隨著控制模組的不斷增加而變得笨重不堪。

在架構發生這種重大改變後,OEM可以集中精力開發更出色的技術解決方案,同時透過汽車個性化、銷售服務和OTA升級等功能增加售後收入。這一產業正在轉向一種常見的新架構,通常被稱為「區域架構」(zonal architecture),並希望運用其他產業(特別是IT產業)的技術和經驗,使車子成為車輪上的電腦。

區域架構按實際的實體位置,而不是按功能來決定連接,基於獨立域的架構屬於後者(按功能來決定連接)。這種改變大幅減少了汽車中的電子控制單元(ECU)的數量,並且讓線纜總長減少達1 km。其次,它讓硬體和軟體解耦,提供以服務為導向的架構(SOA)。許多OEM都開始大力投資軟體自主研發,希望能夠提供端對端解決方案,以簡化平台整合,提供更多跨職能的功能。這種可擴展的軟體平台方法可以最大限度減少設計變更,增加新的收入來源、幫助減少長期的研發投資、縮短開發週期,同時支援多個車型系列。

這些革命性的架構變革帶來了很多挑戰,促使許多OEM對整個組織進行重組,從各個部門各自負責特定獨立域功能控制器,轉向整合度更高的跨職能組織。

汽車正快速成為使用乙太網路設備的主要領域,在汽車中廣泛佈署乙太網路則成為成功推出這些新架構的關鍵基礎之一。乙太網路帶來了所需的擴展能力,支援多種速率等級,是一種成熟可靠的傳輸媒體,支援基於服務的架構,採用充分開發的安全和防護構建模組。乙太網路採用定義明確、易於理解的OSI模型,能夠更輕鬆的管理整個車輛的複雜網路。

Figure 1. Automotive zonal architectures.

1汽車的區域架構。

汽車領域的獨特需求

雖然可以運用其他產業的許多乙太網路基本概念,但汽車E/E架構有一些獨特的需求,因此開發新技術有其必要性。對於汽車,一個關鍵因素就是減輕汽車的重量,這會直接影響到汽車的行駛里程。如今使用的電纜線束是汽車中最重的三個子系統之一(重達60kg)。傳統的乙太網路電纜使用四個差分對進行資料傳輸,這會增加汽車的重量和佈線複雜性,對汽車應用來說不是最佳選擇。為了解決這一個問題而開發了新的IEEE標準,藉以支援透過單對雙絞線進行乙太網路傳輸,此外,還可透過區域架構縮短線纜線束的長度,以顯著節省線纜成本並減輕重量。

哪些因素驅動對10BASE-T1S的需求?

隨著基於區域的架構概念不斷發展,為了充分利用這種新架構的優勢,顯然需要將乙太網路連接擴展到終端感測器和驅動器。現有的傳統連接技術(例如FlexRay和CAN)通常要求在閘道中實現協議轉換,這可能導致成本、複雜性和延時的增加。由於現有的車用乙太網路技術(例如100BASE-T1)需要使用點對點交換連接,無法滿足支援終端連接應用向乙太網路過渡的系統成本要求。因此,IEEE呼籲提供解決此問題的方法。一些關鍵要求包括:

  • 實現比現有技術更快的通訊速度;例如,CAN(FD)
  • 取代FlexRay等傳統車載網路技術
  • 如果使用100BASE-T1連接ECU不夠經濟高效,則需要100BASE-T1的替代方案
  • 能夠支援簡單、冗餘的感測器網路連接

什麼是10BASE-T1S

10BASE-T1S規範是IEEE 802.3cg標準的一部分,於2020年2月發表。10BASE-T1S提供車用乙太網路生態系統中缺失的一環,支援真正的乙太網路到邊緣連接,並滿足區域架構的需求。

10BASE-T1S與其他車用乙太網路技術不同的一個獨特之處:它支援多點拓撲結構,所有節點都透過同一對非遮罩雙絞線連接。這種匯流排配置提供一個最佳化的BOM,只需在每個節點上部署一個乙太網路PHY,無需採用與其他乙太網路技術關聯的切換或星型拓撲。該標準規定必須支援至少8個節點(可以支援更多節點),匯流排長度必須達到25公尺。

Figure 2. 10BASE-T1S bus topology

210BASE-T1S匯流排拓撲。

該標準的另一個新特點是「實體層衝突規避」(PLCA),顧名思義,就是避免共用網路上發生衝突。這種配置確保確定性最大延時主要由網路的節點數量和要傳輸的資料數量決定。每個節點都會獲得傳輸機會。如果當時一個節點沒有需要傳輸的資料,那麼它會將傳輸機會移交給下一個節點,以充分利用可用的10Mbps頻寬。

由於其為交流耦合系統,因此也支援10BASE-T1S網路供電,如此可進一步節省電纜,減小連接器的大小,並因電纜節省和連接器複雜性降低而實現更高的可靠性。資料線供電標準化(PoDL)可用於點對點配置,目前主要作為IEEE標準改進的一部分,也支援多點拓撲。

10BASE-T1S在汽車領域的應用廣泛而多樣化,而多種感測器和驅動器在車身領域、舒適性、資訊娛樂以及ADAS系統中的跨多個功能應用則仍在探討中。

結論

汽車E/E架構正經歷一場重大的變革,而向區域E/E架構過渡則是迫在眉睫。10BASE-T1S提供缺失的連結,其透過最佳化的乙太網路到邊緣連接支援此種過渡。在這個佈署過程中,仍然有些問題需要克服,例如乙太網路連接會增加模組建置方案的元件成本和複雜性。10BASE-T1S透過降低系統成本,以及提供多種支援不同類型之訊號鏈分區的產品選擇來解決這些問題。ADI則積極參與標準化活動,並與OEM密切合作,將積極推動10BASE-T1S的推廣和部署,以確保滿足系統要求。

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