汽车电子发展迅速，娱乐系统及驾驶辅助系统的市场需求增长，汽车行业内希望引进IEEE802.3以太网技术用于车载设备之间的通信。
本文综述了以太网介入汽车行业的契机及发展过程，对现代车载网络技术做了介绍，阐述了车载以太网的演进过程，并讨论了用于汽车工业的以太网技术。
2现有车载网络面临的问题
处理器运算能力和硬件的高速发展，使得许多创新在汽车环境下得到迅速推进，最明显的体现于越来越复杂和多样的车载电子系统，大量的传感器和处理器被用在车辆的不同系统实现相应的功能。在不断的演进过程中，每增加一个新的传感器或应用程序需要通过增加一个新的独立的电子控制单元（ECU）设备及其关联的传感器电路来实现，这种做法是非常低效的，因为随着点对点链接，需要增加连接的数量与安装在车内的ECU数量呈指数上升。
3以太网在车载网络中的适用性
以太网成为下一代车载网络的发展趋势可以归纳为以下三个方面：
（1）以太网的通用技术
就目前采用的车载网络技术，都是难以与外部设备及网络服务连接的封闭标准。究其原因，目前占主流的车载网络标准CAN、LIN及FlexRay，以及面向媒体的系统传输标准MOST等都具有浓重的「汽车行业」色彩，导致其应用的局限性，反之以太网是一种简单、成熟的开放标准，基于以太网的应用都极大地降低了应用成本。
（2）高层应用对带宽的迫切需求
现在智能电子产品与车载设备的交互越来越多，云概念的兴起，搭载了高级驾驶辅助系统（ADAS）、智能视觉安全应用，如车道偏离检测[11]、驾驶员意图预测[12]，及信息娱乐设备的新型信息平台主导了新一代汽车电子的发展趋势。从功能性的角度，
目前主导车载网络标准的CAN和FlexRay无疑将遭遇发展的瓶颈，在这方面最有竞争力的是MOST。MOST总线目前最大带宽为150Mb/s，但MOST常用架构为多个设备共享带宽。与MOST相比，以太网可以采用更为灵活的星形连接架构，使得每一条链路都可以专享100Mb/s甚至更高的带宽（IEEEP802.3bpRTPGE标准[13]，而RTPGE的目标是用少于4对的信号线实现1Gb/s的传输速度）。
（3）以太网的开放性和互联扩展优势
伴随不断增长的ADAS的复杂性，行业内需求一种简化和标准化的方法，在面对越来越多的互相隔离的子系统时，可以把车载系统看做一个网络去管理和运营，以收获更好的重用性和互操作性。对于车载网络，以太网提供的先决条件就是这种整体性的办法，是适合作为主干网络连接各个应用领域，特别是需求更高带宽的应用。
由于以太网的灵活性及可扩展的带宽，远程信息处理和多媒体娱乐系统、基于IP的WEB应用程序与车载网络的接口过渡变得平滑，车辆与外部世界的交互将会更加频繁，例如近几年兴起的基于Internet的汽车应用和汽车到-X通信概念、V2V和V2I或V2I+I等[14]。
4车载以太网的演进
在汽车行业，以太网以新型网络的姿态介入汽车网络当然无法一蹴而就，在短期内是无法取代现有的车载网络，因此以太网在进入汽车网络时考虑分阶段、从子系统开始逐步深入，并最终统和汽车网络的演进过程。
（1）第一阶段：子系统级别
单独在某个子系统使用以太网，这一阶段的衍生产品目前已经在整车上实施，如基于DoIP标准的OBD诊断设备[9]；或已有示例应用，如使用IP摄像头的驾驶辅助系统[4]。
（2）第二阶段：架构级别
图1车载以太网的演进
将几个子系统功能整合，形成一个拥有功能集合的小系统，如图1给出的第二阶段的车载以太网，将多媒体，驾驶辅助和诊断界面结合在一起，融合了传感器、全景摄像头及雷达等多种数据。因为可以保证更高的带宽和更低的延迟，在涉及安全方面的应用，摄像头可以使用更高分辨率的未压缩的数据传输，从而避免如压缩失真等导致障碍物检测失败的问题。
（3）第三阶段：域级别
前两个阶段专注于一个特定的应用领域，第三阶段使用以太网为车载网络骨干，集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶，真正形成一个域级别的汽车网络。这种网络架构引入了一个新问题：如何组织ECU和网络管理者之间的通信，不可否认的是，这种分层式的架构会造成控制器通过以太网骨干网和交换机通讯时所需的软件内容增加。有研究预计，有望在2020年成为主要的汽车网络技术，预计到2025年可能更换所有其他的车载网络[15]。
图2车载以太网域级别架构
车载以太网域级别架构如图2所示。
5.1现有主流车载网络技术
目前商用的车载网络技术主要有：本地互连网络（LIN）、控制器局域网络（CAN）、TTP/C、FlexRay、面向媒体的系统传输（MOST），以及低电压差分信号（LVDS），以上除了LVDS外，都为汽车环境而设计。表1给出各个网络的最大带宽、物理层传输介质和传输协议等[16]。
表1常见车载网络对比
LIN总线[17]是一种低成本通用串行总线，在汽车领域用于车门、天窗、座椅控制等，最大传输速度为20kb/s。CAN[18]是由博世公司开发的汽车专用总线标准，它定义了OSI网络模型的第1层和第2层功能。CAN主要用于车上控制数据传输，目前是车载网络应用最广泛的标准，最大传输速度为1Mb/s。LIN、CAN的带宽太低并不适用于ADAS等应用设计。
MOST[21]主要支持的多媒体流数据传输，MOST150标准的最大带宽为150Mb/s的，它是目前车载多媒体数据传输的首选协议，MOST150支持基于IP的应用程序，由于单一供应商的问题，基础开发成本较高。
LVDS[22-23]是一种电气数字信号系统，通过铜缆双绞线传输高速数据（最高可达850Mb/s，最长传输距离10m），是计算机总线的一部分。在汽车领域LVDS用于屏幕和摄像头之间的数据传输。此外LVDS包含不开放协议，不同厂商的部件不支持数据交换，需要ECU充当网关。
5.2车载以太网物理层技术
（1）适合车辆环境的以太网物理层元件
迈威尔（Marvell）与麦瑞半导体（Micrel）在2012年9月发布了全球首款完全符合IEEE802.3标准的用于车载网络的以太网实体元件[24]，最高可支持100Mb/s的速率，其研究证实如果一款百兆以太网（IEEE802.3100Base-TX）物理层芯片使用超五类线（CAT5e）驱动100m可以通过FCC/TUVB类兼容检测，那么经过低通滤波后仍可满足汽车环境EMC需求，并且驱动长度可以维持在50m以上[25]。
麦瑞半导体推出以太网物理层芯片支持高达125℃的环境温度，目前市场上符合AECQ-100标准的以太网设备也并不单一，而且针对汽车市场的需求加强了ESD保护（静电保护），可以很好地适应汽车环境变化。文献[15]针对车载强实时通讯需求介绍了几种商用以太网硬件和评估分析工具。
（2）BroadR-Reach的100Mb/s汽车以太网解决方案
由于缺少适合用于车辆使用的物理层链路，行业内对以太网作为下一代车载网络持保留态度。BroadR-Reach是博通公司开发的数据传输技术，特点是可用一对UTP（非屏蔽双绞线）实现100Mb/s的传输速度。博通还联合宝马、通用等汽车制造商以及飞思卡尔等半导体公司成立了该项技术的普及促进团体「OPENAllianceSIG」[26]。
图3BroadR-Reach系统图
BroadR-Reach的解决方案适合其在汽车环境的使用，但其想要成为下一代车载网络标准，尚需要开发新的优化组件。图3为BroadR-Reach链接的系统框图，相对普通百兆以太网连接电缆开销已经显著降低。
物理层组件恩智浦的TJA1100[27]作为模拟传输介质和数字MAC控制器之间的接口，决定了链路的鲁棒性和发射性能，满足严格的汽车工业EMC需求，可以支持25m的电缆长度，而通常汽车解决方案的处理的链路长度不超过10m。
在域架构中使用高速骨干网通讯将会大量减少ECU与电缆数量，对于车辆意味着更少的成本，重量和能量消耗。使用单对非屏蔽双绞线电缆的BroadR-Reach技术，使以太网在汽车应用的成本竞争力大大提升。
（3）IEEERTPGE及PoE技术
以太网供电技术（PoE）是一种可以通过CAT5线缆传输数据信号的同时为该以太网设备提供直流供电的技术[3]。IEEE802.3af（15.4W）是第一个PoE标准，是现在PoE应用的主流实现标准。IEEE802.3at（25.5W）应大功率终端的需求而诞生，在兼容802.3af的基础上，提供更大的供电需求，可以满足视频监控系统等大功率应用的需求。如果在车载以太网上实现PoE技术，将使线缆数量减少，降低成本开销，并且在电动车上应用前景更为广阔。
2013年7月，IEEE针对汽车及工业设备用途，在IEEE802.3内成立了探讨使用数据线供电（PoDL）及使用一对数据线供电（1PPoDL）工作组[28]，1PPoDL可用于IEEE802.3内正在制定标准的IEEEP802.3bpRTPGE[13]中。消费类产品使用的1000Base-TX利用4对信号线实现了1Gb/s的传输速度，而RTPGE的目标则是利用少于4对的信号线来实现这一速度，未来的RTPGE将为车载以太网提供线束更少，速度更高的以太网链接标准。
5.3车载以太网的链路层协议
以太网的低廉成本和灵活性使它成为汽车互联设备的有力竞争者，因此在讨论车载以太网的文献中有学者使用802.1Q的优先级标记和流量整形来提高性能[29]。
其中AVB标准包括：
在更名为TSN后，对部分原标准进行了修订，同时增添了几个性能改进标准，包括：
图4AVB协议集
AVB协议集如图4所示。
802.1Qa[32]流预留协议（SRP）是对音视频数据流发送端和接收端服务请求的管理协议，多重数据流预留协议（MSRP）目前只支持两种类型数据流，A类或者B类，两者区别体现在帧大小和帧速率上，802.1Qat标准保证这两类数据在7跳内的最大的端至端延迟，A类为2ms，B类为50ms。Queck利用网络演算理论计算了AVB的转发策略在最坏情况下的延迟[33]。
（2）TTEthernet
图5TTEthernet协议控制框架
TTEthernet协议控制框架如图5所示。
TTEthernet在时钟同步机制上引入了IEEE1588V2中的P2P透明时钟（transparentclock）的概念，利用透明时钟、步固化函数（PermanenceFunction）、压缩函数（CompressionFunction）的支持获得精确时钟。在同步时钟的基础上建立全双工交换式网络结构的周期性任务调度表，周期性任务表有静态与动态的两种使用方法[39]。
这三种不同的数据帧都采用标准的以太网帧格式，只是type域的值有所不同。TTEthernet的主要优点是TTEthernet交换机允许被抢占，TT消息在整个系统传输中具有最高优先级，也就是低优先级的消息被中断并存储在交换机的缓冲区，让TT消息优先发送，因此类似于以太网AVB，为了使用该系统，内网交换机必须实现TTEthernet标准。
图6TTEthernet数据流
TTEthernet数据流如图6所示。
基于上述分析可以了解TTEthernet在汽车应用可能出现的情况有：
表2TSN和TTE对比
6车载以太网拓扑
车载以太网常见的拓扑结构有星型（star-based），菊花链型（daisy-chain）和树型（tree-structure）[43]。这些结构在交换式以太网中支持IEEE802.3和IEEE802.1Q标准。
图7星型
星型拓扑结构（图7）管理方便，极易扩展，安装维护成本低，但由于要专用的网络设备（如交换机）作其核心节点，对核心设备的负担较重，可靠性要求高，各站点的分布处理能力较低。
图8菊花链型
菊花链型结构（图8）由星型结构的基础网络构成，通过菊花链或串行的方式增加下一个节点。菊花链型拓扑结构容易扩展，各站点可以分布处理，网络设备的负担相对较轻，但节点之间的通讯相对较复杂，安装维护成本较高。
图8树型结构
结合以上两种拓扑结构实现了树型结构[44]，在汽车网络中权衡了良好的分布处理性能和安装维护成本。图9为一种树型结构车载以太网实施方法。
7总结
通过文献研究和显著的行业内兴趣可以预见，以太网是最有可能也最有前途成为下一代汽车网络的标准。并且由于以太网是一种广泛使用和认可的IEEE标准，汽车行业将受益于它的持续发展和改进，包括带宽的改善，节约成本以及提高实施的灵活性。