2024-06-25

新世代車載通訊傳輸系統

多年來車內的通訊網路系統主要以CAN / CAN-FD / LIN匯流排為主，但隨著先進的輔助駕駛系統 (ADAS)、各類的感測器、車內娛樂系統、攝影機和車載診斷安全系統、自動駕駛等將會產生大量的資料處理和傳輸數據，未來汽車自動駕駛勢必會連結AI應用，自動學習駕駛者的開車習慣提前介入突發狀況的處置，因此低速的CAN / CAN-FD / LIN通訊界面勢必無法處理如此龐大的資料量，使的我們必須將車內的通訊網路系統提升到高頻寬、低延遲、輕量化、佈建容易等特性，以目前的有線通訊網路系統中可以符合上述特性的非乙太網路(Ethernet)莫屬。

OPEN（One Pair Ether-net）聯盟早已知道新世代的汽車通訊會走向全IP化的設計，取代多年來以CAN/LIN為傳輸介面的汽車通訊架構，並且透過乙太網路來連結各種不同的系統（ADAS、ECU、Infotainment、Camera、Debug…）。

乙太網路的起源是在1973年由Bob Metcalfe (founder of 3Com)所發明。

IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了乙太網路的技術標準，它規定了包括實體層的連線、電子訊號和媒介存取控制的內容。

標準的乙太網路系統已經非常成熟且廣泛的應用在各個領域，包含自動化設備、企業設備、伺服器、交換機等等。它具備了高頻寬、開放式的協定、低維護成本等特性。其缺點為不確定性高(封包碰撞問題)、不可靠性高、沒有優先權等問題。

車用乙太網路(Automotive Ethernet)是專門應用於汽車的傳輸系統，它具備了高頻寬、低延遲、高可靠度以及纜線輕量化等特性，同時也改善了標準乙太網路的缺點，一場汽車通訊傳輸系統的革命正朝大家撲面而來。

乙太網路針對不同的傳輸媒介及傳輸速度分類為 :

10 BASE-T
- 10 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- Two pairs, CAT-3 or better
- 傳輸距離100公尺

100 BASE-TX

- 100 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- Two pairs, CAT-5 or better
- 傳輸距離100公尺

1000 BASE-T
- 1000 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- Four pairs, CAT-5e or better
- 傳輸距離100公尺
10 GBASE-T
- 10 Gigabits, BASEband (single service), Twisted pair
- Four pairs, CAT-7 or better
- 傳輸距離100公尺
10 BASE-T1
- 10 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- One pairs, SPE (Single pair Ethernet)
- 傳輸距離1000公尺
10 BASE-T1S
- 10 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- One pairs, SPE
- 傳輸距離25公尺
100 BASE-T1
- 100 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- One pairs, SPE
- 傳輸距離15公尺
1000 BASE-T1
- 1000 Megabits, BASEband (single service), Twisted pair
- One pairs, SPE
- 傳輸距離40公尺

表一為乙太網路的傳輸速度及分類

圖一為乙太網路的傳輸連接媒介

(表一)乙太網路的傳輸媒介及傳輸速度

(圖一)車用乙太網路連接媒介　(圖片來源：Microchip)

車用乙太網路的優點

高頻寬
低延遲 / 高可靠度
纜線輕量化

高頻寬

LIN Bus的最大傳輸頻寬為20Kb/s(每秒20K bit)，最長傳輸距離為40公尺。

CAN Bus的最大傳輸頻寬為1Mb/s(每秒1000K bit)，最長傳輸距離為40公尺。

CAN FD Bus的最大傳輸頻寬為8Mb/s(每秒8000K bit)，最長傳輸距離為40公尺。

車用乙太網路100 BASE-T1的最大傳輸頻寬為100Mb/s(每秒100M bit)，最長傳輸距離為15公尺。

車用乙太網路1000 BASE-T1的最大傳輸頻寬為1000Mb/s(每秒1000M bit)，最長傳輸距離為40公尺。(參考表二)

現今的輔助駕駛系統、車內娛樂系統、攝影機和車載診斷安全系統等都需要進行大資料量的傳輸以及低延遲的物理特性，目前我們可以知道現今汽車廣泛使用的CAN或LIN的傳輸網路都無法負荷或進行如此大量的資料處理與傳輸。1000BASE-T1的車用乙太網路傳輸速度是CAN的100倍以上，能夠有效率的處理龐大的資料量傳輸，甚至於現今蓬勃發展的AI(人工智慧)技術，也必須建構在高頻寬的傳輸網路上，而乙太網路高頻寬的特性正適合應用於汽車傳輸骨幹網路系統中。

(表二)車用網路的傳輸種類及傳輸速度

低延遲 / 高可靠度

標準的乙太網路系統具有不確定性高(封包碰撞問題)、不可靠性高、沒有優先權等缺點，然而在車用乙太網路系統上則不允許這樣的問題發生，所以車用乙太網路需要支援AVB (音訊視頻橋接)與TSN(Time-Sensitive Networking時間敏感網路)傳輸協議，透過TSN-IEEE 802.1AS(協議簡稱精確時鐘協議Precision Timing Protocol - PTP)實現車用乙太網路裝置之間共享時間戳記(Time Stamping)解決了乙太網路時間同步的問題。透過TSN-802.1Qbu & 802.1Qbv協議確保優先等級較高的資料有最大的傳輸頻寬跟最低的傳輸延遲時間，改善資料傳輸延遲問題。以確保各項輔助駕駛系統運行時遇到突發事件時，車載安全系統可以立即處置及介入，避免因傳輸延遲而造成任何危害的發生。

圖二為TSN(Time-Sensitive Networking時間敏感網路)的發展時程，TSN是建構在IEEE 802.1 Audio Video Bridging(AVB) Task Group所於2005年所制定的標準上，當時主要應用於影音設備和汽車音響等，但是IEEE802.1 AVB無法完全符合工業4.0相關規格及應用，所以在2012年重新定義為IEEE 802.1 Time Sensitive Networking TG，並在2015年正式定義TSN(Time-Sensitive Networking)架構及規範。

(圖二) TSN發展時程 (圖片來源：https://1.ieee802.org/tsn/)

纜線輕量化

汽車產業經過多年的發展，各家汽車功能越來越多所以內部需要安裝的零件也持續增加，導致汽車內部的電纜線束也越來越複雜，因此汽車內的電纜線束也是整個製造過程中最複雜的單元。現在的車輛每台大約至少需要100~150個ECU(電子控制單元)，其搭配的電纜線束總長度加總可長達數公里長，除了車輛內部已經沒有足夠的空間來容納這些纜線佈建外也造成整體車輛重量的提升，汽車纜線的總體積和複雜的纜線佈建都導致其成本居高不下。

車用乙太網路佈建纜線只需要使用一對未屏蔽雙絞線，傳輸頻寬介於10Mb/s ~ 1000Mb/s之間，不僅可以降低連接成本也大幅的減輕傳輸線材重量與複雜性，除了降低生產成本以外還可以改善續航里程，也為電動車提供了更好的續航能力。

由圖三可以看到傳統的汽車網路建置是屬於Domain(網域)架構，不同Domains之間的裝置不能互相連結，導致汽車內部的電纜佈建非常複雜及昂貴，而現今改用Zones(區域)架構，原本不同Domains之間的裝置可以透過乙太網路互相連結，不僅簡化了汽車內部複雜的電纜佈建也降低的電纜佈建的時間與成本。

(圖三)汽車從Domain向Zonal架構轉型　(圖片來源：Marvell)

自動駕駛

隨著汽車智能化的發展，自動駕駛預計於2030年實現Level 5(5級自動駕駛)，將使得汽車駕駛人或乘客可以完全仰賴汽車系統來監控周遭環境及自動駕駛。自動駕駛總共分為6個等級，目前市售新車所標榜的自動駕駛功能皆屬於Level 2等級，未來AI等相關技術的加入，自動駕駛功能的等級勢必朝Level 5方向更進一步的發展。