10BASE-T1S 乙太網路如何簡化汽車應用中的分區架構

作者：ADI 系統應用工程師 Andreas Pellkofer 及產品行銷專家 Madhura Deyanda Poonacha


摘要

現代汽車力求提供和家中一樣的舒適性和娛樂功能，因此，業界對電子控制單元(ECU)的需求呈現爆發式成長。然而，傳統的匯流排技術和電氣/電子（E/E）架構已經難以滿足此種需求。本文便將探討乙太網路技術如何革新汽車空間，塑造完全互聯的智慧體驗。

簡介

自從1968年福斯汽車率先將電子控制單元(ECU)應用於汽車以來，此種控制車輛各個零組件運作的裝置便迅速普及。為了讓駕乘者在車內也能享受到如同在家或工作時的舒適和娛樂體驗，現代汽車的功能日益豐富。然而，由於車輛上需要處理的資料量越來越龐大，ECU之間的交互也日益頻繁，大多數匯流排技術和電氣/電子(E/E)架構（其中一些沿用了數十年）已經難以滿足此種需求。

建構更佳的網路架構

目前，車輛ECU按照功能劃分為多個幾乎獨立的區域，例如動力傳動、底盤、資訊娛樂系統和舒適性配置等。感測器和執行器分散在車身各處，電線遍佈整個車輛以連接到各功能域ECU（如圖1所示）。此種設計增加了車輛的複雜性、成本和重量。線束的重量在汽車總重中排名第三，對車輛的續航里程有著顯著的影響。

為了方便各種ECU與簡單感測器或執行器之間的通訊，汽車產業早在幾十年前就導入了控制器區域網路(CAN)、FlexRay和本地互聯網路(LIN)等傳統匯流排技術。相較之下，不同區域之間的通訊則採用高速乙太網路。為了在這些不同的匯流排技術之間傳輸資料，需要在ECU內部使用昂貴的專用匣道器。

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圖1.域架構示例

隨著車輛功能日益豐富，車輛架構的複雜性也正日益增加。無論是擴展現有功能還是導入新功能，都需要大量的開發、實現和測試工作。原始設備製造商(OEM)的目標不僅是在降低成本的同時加快創新步伐，還要透過售後服務和升級等方式創造持續的收入來源。相較於行動通訊設備等其他消費性產品，車輛架構的開發週期更長。因此，許多OEM都致力於打破硬體和軟體之間的固有聯繫，朝著軟體定義汽車的方向發展。

然而，有兩大挑戰阻礙了此一願景：

  1. 靜態功能域架構
  2. 複雜的線束佈線

我們認為理想的車輛架構是基於區域的架構（見圖2）。本地ECU負責所有功能，不再受限於特定域。這些ECU連接到分區控制器，這可以將處理能力集中到車輛的少數單元中。分區ECU和高性能運算單元之間透過高速點對點鏈路進行通訊。大眾汽車集團的子公司CARIAD表示，這種架構能減少二十多個ECU以及總長度超過一公里的線束1。

隨著尖端科技對汽車的設計和性能的持續革新，汽車產業正在經歷一場重大的車輛網路架構轉型。車對車通訊、擴增實境儀錶板和自動駕駛等技術的應用，不僅增加了汽車的複雜程度和製造成本，還需要用到更多的電子設備。預計到2030年時，這些技術將推動汽車電子設備的使用量成長高達45%2。

隨著分區架構的引入，車輛中大量的電氣元件和控制系統被整合並集中到預定的區域內。現在，節點取決於其位置，而不是其功能ECU。網路變得更簡單，車身重量減輕，燃油效率也提高了。此外，此種架構也更便於擴展，無需進行大規模改動即可輕鬆增加新功能和系統。現在，透過車輛的中央運算單元，無線軟體升級也變得更加高效3。OEM現在可以遠端增強車輛功能，例如為客戶提供客製化服務，以及採取售後策略，包括升級和改善先進駕駛輔助系統(ADAS)、自動駕駛系統、舒適性配置以及資訊娛樂系統等。

克服挑戰

傳統匯流排技術缺乏新架構所需的性能能力，例如輸送量和服務品質。現在，另一項成熟的技術「乙太網路」已應用於汽車產業中。

數十年來，乙太網路技術隨著對更高資料速率的需求而不斷發展，主要方式是開發新的實體層(PHY)，進而在提升資料速率的同時，保持較高（協議）層相同或至少相容，甚至可以同樣的線束上實現某些不同的速度等級。網路特性由較高協定層主要以軟體方式實現。

最初，乙太網路並非專門針對汽車環境而設計，缺乏電磁相容性(EMC)和低能效等特性。此外，傳統乙太網路使用兩對或四對導線的遮罩電纜，這與減輕重量的目標相悖。為滿足汽車通訊鏈路的所有需求，汽車產業對單條雙絞線電纜解決方案進行了標準化，進而推動了新型PHY技術的開發。

基於此，xBASE-T1汽車乙太網路標準（T1代表單條雙絞線電纜）應運而生。該標準支援不同資料速率，以滿足ECU互連的需求。此外，由更簡單的設備——交換器，來處理不同速度等級之間的通訊轉換，進而減少了對昂貴閘道器的需求。

分區架構雖然為各種網路技術提供了廣闊的平台，但仍然存在一些挑戰，例如如何適應同質網路架構、縮短引導啟動時間、降低延遲以及提高資料輸送量。大約90%的網路節點以最高10 Mbps的速率運行，許多過去的汽車網路的技術，現在已經無法滿足日益成長的資料傳輸需求4。這些限制阻礙了先進車載系統的順利整合。因此，汽車產業迫切需要創新解決方案，以確保快速回應時間並提升整體性能。

10BASE-T1S的有效建置

將乙太網路擴展到邊緣節點後，系統便擁有了一個穩健的網路，資料封包傳輸變得更加簡單。10BASE-T1S是IEEE 802.3-2022系列乙太網路標準的組成部分，OEM已開始建置這項乙太網路PHY技術，相關車輛計畫在2025年前上路行駛。OPEN（單對乙太網路）聯盟制定了規範來補充IEEE標準，目的在鼓勵汽車產業廣泛採用乙太網路。與其他汽車鏈路技術一樣，10BASE-T1S支援多點模式配置。而為了避免匯流排衝突，10BASE-T1S在有衝突檢測的載波偵聽多路存取(CSMA/CD)機制之上並採用了一種新型匯流排存取技術，即物理層衝突避免(PLCA)。PLCA能夠將延遲控制在可預測的範圍內，同時有效提高輸送量和網路效率。

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圖2.分區架構示例

在一些常見的系統關鍵型應用中使用10BASE-T1S，可以降低系統複雜性，進而更快速、更高效地傳輸車輛內部的資料。由此帶來的更多系統優勢包括：降低成本，增強安全性，無需複雜閘道器的統一通訊機制，以及透過數據線供電的可選功能。這些優勢共同確保了10BASE-T1S能夠順利整合到即將推出的下一代軟體定義汽車中。

ADI的 AD330x 10BASE-T1S元件符合IEEE 802.3-2022標準。AD330x 10BASE-T1S乙太網路-邊緣匯流排(E2B)遠端控制協議(RCP)元件專門為遠端節點模式而設計，無需本地微控制器便能工作，自身便是完整的硬體解決方案，無需在邊緣節點部署軟體。基於乙太網路的E2B協定，結合整合式的低複雜度乙太網路(LCE)硬體加速器，在中央ECU與感測器或執行器之間建立起高效的通訊通道。此種先進的解決方案將軟體集中在分區控制器或中央控制單元中，賦予OEM完全的軟體控制權，進而可以縮短測試和開發時間，最終降低系統成本。ADI E2B收發器同時還支援眾多功能，包括IEEE 802.1AS、OPEN聯盟TC10/TC14 10BASE-T1S睡眠/喚醒、拓撲發現（用來實現整車時間同步的智慧解決方案）、省電模式以及便捷的診斷流程。

結論

從現有基於汽車域的設計到分區架構的轉變，標誌著汽車工業的一次重大進步。分區架構提供了更高的彈性和可擴展性，能夠集中管理軟體、大幅減少車內佈線，進而減輕車身重量、提高燃油效率，同時保持成本優勢。相較於多種技術混用，在整車範圍內統一建置乙太網路可以大幅降低網路複雜性。10BASE-T1S的導入將汽車乙太網路擴展到車輛邊緣，有效減少了對昂貴閘道器的需求。

ADI 10BASE-T1S產品旨在連接邊緣節點，而E2B技術使純硬體節點能夠進一步降低物料(BOM)成本，進而也大幅縮短了測試和開發所需的時間。決策者需要充分瞭解相關的優勢、潛在的成本節約以及對生產永續性的貢獻。採用10BASE-T1S的分區E/E架構，將為下一代車輛網路提供可擴展的軟體平台方案，推動車輛網路技術取得更大進步。

參考資料：

1CARIAD LinkedIn post。2021年。

2Rob Margeit。“Opinion: There’s Too Much Technology in Today’s New Cars”。Drive，2023年11月。

3“Automotive Ethernet: An Overview”。Ixia，2014年5月。

4Eunmin Choi、Hoseung Song、Suwon Kanh、Ji-Woong Choi。“High-Speed, Low-Latency In-Vehicle Network Based on the Bus Topology for Autonomous Vehicles: Automotive Networking and Applications”。《IEEE車輛技術雜誌》，第17卷第1期，2022年3月。