車載網(wǎng)絡(luò)正開始從域架構(gòu)向區(qū)域架構(gòu)遷移，這種方法將使用更少的協(xié)議、更少的布線，從而簡化和加速車輛中的通信，并最終降低成本。

區(qū)域架構(gòu)將車輛劃分為更易于管理和靈活的區(qū)域，但實現(xiàn)這一目標需要時間。當今的汽車中有太多的傳統(tǒng)技術(shù)，汽車制造商必須支持一系列協(xié)議。例如，車輛可能支持藍牙、USB、LTE 支持信息娛樂的移動設(shè)備，以及一些內(nèi)部開發(fā)的協(xié)議。對于攝像機來說，MIPI 是主要的協(xié)議。對于 ADAS、ECU 和傳感器融合的實時控制，它們可能會支持控制器局域網(wǎng) (CANs)、本地互連網(wǎng)絡(luò) (LINs)、以太網(wǎng)等。

實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵要素之一是更快的通信。幾年前，93% 的汽車網(wǎng)絡(luò)運行速度低于 100Mbps，而且其中大部分不太可能在一夜之間改變。事實上，10/100/1000BASE-T1 汽車以太網(wǎng)和低速總線（例如 CAN 及其變體）很可能將繼續(xù)為大多數(shù)低速通信提供服務(wù)。但隨著時間的推移，隨著汽車開始根據(jù)各個區(qū)域的輸入做出更重要的決策，數(shù)千兆位的速度將被添加到車輛中以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速移動。

圖 1:各類汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對比。來源:Keysight

是德科技汽車以太網(wǎng)技術(shù)解決方案架構(gòu)師兼規(guī)劃師 Jae Yong 表示:「汽車行業(yè)預計，汽車以太網(wǎng)不會取代所有傳統(tǒng)連接。相反，我們將繼續(xù)看到不同通信協(xié)議和方法的混合。圖 1 右上方的巨大星團是最具活力的，也是很多創(chuàng)新發(fā)生的地方。正如我們從物理學中知道的那樣，更高的波特率會增加電干擾、噪聲源、反射、衰減和其他影響信號和這些信號中攜帶的數(shù)據(jù)的損失。數(shù)據(jù)速率越快，部署前的測試就越具有挑戰(zhàn)性和重要性。我們預計，千兆汽車以太網(wǎng)將推動基于 IEEE 802.3ch 和 IEEE 802.3cy 標準的高速通信需求。例如，IEEE 802.3cz 小組最近發(fā)布了新的多千兆位光學汽車以太網(wǎng)標準。對于汽車聯(lián)網(wǎng)來說，這是一個有趣的時代，我們應(yīng)該期待未來會有許多挑戰(zhàn)和創(chuàng)新。」

其他人也同意這一觀點，認為更快的通信更多地是一種進化方向，而不是一次性的轉(zhuǎn)變。但這種轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢仍然是顯著的。

西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司混合和虛擬系統(tǒng)副總裁 David Fritz 指出，汽車以太網(wǎng)可能是該領(lǐng)域的領(lǐng)導者。「帶寬將很快支持 L4 和 L5 自治的所有實現(xiàn)。此外，CAN 幀可以通過以太網(wǎng)傳輸，允許網(wǎng)關(guān)管理本地 CAN 和 CAN FD 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，支持現(xiàn)有的 ECU。汽車以太網(wǎng)的重量和功率方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的 CAN 網(wǎng)絡(luò)。Can - FD 正逐漸成為以太網(wǎng)的競爭對手，至于誰將勝出，目前還沒有定論。然而，我們可以看到傳感器、執(zhí)行器和 ECU 供應(yīng)商正因為上述特性而直接支持汽車以太網(wǎng)?！?/span>

Cadence 汽車解決方案集團主管 Robert Schweiger 表示:「我們的目標之一是用盡可能多的標準化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——協(xié)議、控制器和物理設(shè)備——來取代專有解決方案。另一個目標是減少不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多樣性以創(chuàng)建更加同質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為此需要利用汽車以太網(wǎng)，例如 10BASE-T1、100BASE-T1、1000BASE-T1、10G BASE-T1?！?/span>

Schweiger 指出，區(qū)域架構(gòu)的關(guān)鍵將是車載網(wǎng)絡(luò)的整體帶寬和效率的顯著提高，區(qū)域架構(gòu)主要依賴于汽車以太網(wǎng)、ASA Motion-Link/MIPI a - phy、MIPI CSI2、MIPI DSI、POF、CAN 和 LIN。「當然，這可能因 OEM 不同而有所不同，一些專有解決方案仍然存在。」

圖 2：區(qū)域架構(gòu)簡化了傳統(tǒng)的域方法。來源：Marvell

汽車設(shè)計不會在一夜之間發(fā)生變化。設(shè)計周期通常至少持續(xù)幾年，而某些組件和子系統(tǒng)的設(shè)計可能會在市場上停留更長時間。因此，汽車網(wǎng)絡(luò)格局將繼續(xù)是協(xié)議和依賴于應(yīng)用程序的方案的混合體。其中一些將服務(wù)于非實時應(yīng)用，如信息娛樂和車內(nèi)乘員行為監(jiān)控。其他協(xié)議將支持安全和其他實時應(yīng)用。

是德科技 Automotive SerDes Technologies 解決方案架構(gòu)師和規(guī)劃師 Kevin Kershner 指出:「例如，如果駕駛員離開車輛時無人照看兒童或?qū)櫸?，駕駛員將收到警報。OEM 正在努力簡化實時應(yīng)用程序的設(shè)計，同時提高性能和通信速度，特別是在自動駕駛領(lǐng)域?！?/span>

此外，汽車行業(yè)的電氣和電子 (E/E) 架構(gòu)也在不斷發(fā)展，以支持日益復雜的需求，包括基于傳感器的駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動駕駛 (AD) 應(yīng)用的作用。

「車輛內(nèi)部和周圍有豐富的顯示技術(shù)，包括高分辨率儀表板、側(cè)視鏡面板以及與消費電子設(shè)備服務(wù)相當?shù)男畔蕵愤x項，」Kershner 表示，「許多傳感器，包括攝像頭、激光雷達和雷達，都會捕獲高分辨率數(shù)據(jù)，然后將其與其他傳感器數(shù)據(jù)一起傳輸或聚合，以供 ADAS/AD 應(yīng)用程序進一步處理?！?/span>

至于環(huán)視攝像頭系統(tǒng)，多個攝像頭也可以將視頻傳輸?shù)杰噧?nèi)的顯示器?！冈谶@里，應(yīng)用需求推動了 E/E 的選擇，包括傳感器總數(shù)和傳輸數(shù)據(jù)所需的帶寬，」他說?！高@意味著通信技術(shù)的選擇真正取決于應(yīng)用程序?？紤]到高速設(shè)備的成本、復雜性和功耗，低速功能不能使用「過度設(shè)計」的高速總線。某些技術(shù)是點對點的，而其他技術(shù)則支持多點節(jié)點的效率。部分高速鏈路是對稱的，支持大功率計算節(jié)點之間的雙向通信。相比之下，其他設(shè)計是不對稱的，以支持在單一方向上需要高吞吐量的應(yīng)用 (例如，相機輸出下游，命令和控制上游)。

從域架構(gòu)到區(qū)域架構(gòu)

ECU 是車輛的基本構(gòu)建塊。它們控制各種功能，如發(fā)動機運行、變速箱、緊急制動，以及其他監(jiān)控功能，如輪胎壓力和車內(nèi)氣候控制。與區(qū)域架構(gòu)不同，域架構(gòu)將各種功能分組到域中，而不考慮這些域的物理位置。在域架構(gòu)中，支持每個域的 ECU 可能分布在車輛內(nèi)部。因此，可能需要較長的電纜線束來連接到這些域。

傳統(tǒng)上，OEM 在其設(shè)計中使用域架構(gòu)。域架構(gòu)中使用的主要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是控制器局域網(wǎng) (CAN) 和本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN)，這兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已被 OEM 用于執(zhí)行各種功能的實時控制。CAN (ISO 11898-1:2003) 是一種支持三種不同速度的串行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:

低速—500 米總線長度（最大）時為 125 Kbps

高速—40 米總線長度（最大）時為 1 Mbps

靈活的數(shù)據(jù)速率 (CAN FD)—10 米總線長度（最大）時為 15 Mbps

CAN 已被證明是可靠且成本相對較低的，可支持分布式實時控制和多路復用設(shè)備，包括 ECU。LIN (ISO 17987-2) 是 CAN 的補充，也是一種串行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持 19.2 Kbit/s 的較低數(shù)據(jù)速度，通常用于艙內(nèi)燈光控制，如調(diào)光。

隨著汽車行業(yè)整合更多的軟件和電子設(shè)備來支持軟件定義車輛和自動駕駛，對高速通信的需求也在增加。雖然意見不一，但一些專家認為，未來的自動駕駛將需要 50Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸速度，以支持各種實時 ADAS 和 ECU 功能。根據(jù)以太網(wǎng)聯(lián)盟的說法，目前以太網(wǎng)的傳輸速度為 100Gbps，在未來幾年內(nèi)有可能達到每秒 tera 比特。

隨著新技術(shù)和新功能的發(fā)展，這種情況可能會發(fā)生變化。近年來，汽車網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從基于域的架構(gòu)發(fā)展到基于汽車以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)。

Marvell 汽車營銷副總裁 Amir Bar-Niv 表示，電動汽車內(nèi)電纜線束的總重量僅次于汽車發(fā)動機和底盤的重量。減少電纜的長度和數(shù)量可以減少車輛的總重量，提高燃油效率 (或電動汽車的續(xù)航里程)，并簡化制造過程。

同時也在努力簡化通信。目前，單個網(wǎng)絡(luò)必須支持一定范圍的帶寬和各種不同的協(xié)議。例如，ADAS 將推動增加網(wǎng)絡(luò)協(xié)議帶寬的需求。

無線通信可以提供幫助，部分原因是大部分無線通信都是在汽車之外開發(fā)和完善的?！赣捎跓o線協(xié)議通常不是針對汽車的，因此它們將進一步集成，以支持消費電子設(shè)備，」Arm 汽車業(yè)務(wù)部門的汽車合作主管 Bernhard Rill 解釋說?！刚麄€行業(yè)都在努力確定如何將這些無線協(xié)議用于未來的汽車特定用例。如今，汽車使用了大量的網(wǎng)絡(luò)，催生了一種整合通信的趨勢。當涉及到 E/E 架構(gòu)時，網(wǎng)絡(luò)是一個非常重要的關(guān)注點。汽車原始設(shè)備制造商正在尋找 CAN-FD 和基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，如 10BASE-T1S。此外，可互操作的 2.5Gbps 骨干以太網(wǎng)需要在大規(guī)模生產(chǎn)使用時進行加固，高速連接將使用 PCIe 進行相干芯片設(shè)計?！?/span>

區(qū)域架構(gòu)與域架構(gòu)

使用更高速以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)的想法正在獲得發(fā)展勢頭，因為與域架構(gòu)相比，它更簡單、更容易制造。該技術(shù)方法使用多個區(qū)域開關(guān)來控制各種功能。

圖 3：在區(qū)域架構(gòu)設(shè)計中，使用多個不同速度的區(qū)域開關(guān)來控制車輛中的各種功能。來源：Keysight

位于操作系統(tǒng)和硬件之間的中間件棧將在區(qū)域架構(gòu)中變得越來越重要，許多自動駕駛功能 (如 ADAS 和緊急制動) 都是由中間件執(zhí)行的。服務(wù)質(zhì)量是中間件的關(guān)鍵，包括優(yōu)先處理任務(wù)關(guān)鍵、實時和時間敏感的音樂流。

Arm 的 Rill 清楚地看到，汽車 E/E 架構(gòu)將朝著區(qū)域方向發(fā)展。他指出，Arm 正在積極與生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴合作，以確定如何使用區(qū)域控制器，以及可以在區(qū)域控制器上托管哪些功能，包括 ADAS 和數(shù)字艙室相關(guān)的用例?！缚紤]到汽車行業(yè)漫長的發(fā)展周期，向區(qū)域架構(gòu)的過渡將需要時間?！?/span>

遺留因素

由于 OEM 目前使用的許多遺留網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換到區(qū)域架構(gòu)可能比聽起來要困難得多。在取代遺留協(xié)議后，任何新設(shè)計都需要至少與舊協(xié)議一樣好。真正的挑戰(zhàn)是在不影響新產(chǎn)品推出的情況下實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。因此，OEM 可能有不同程度的區(qū)域轉(zhuǎn)型和時間表。

「大多數(shù)應(yīng)用程序都有延遲和/或有效負載要求，以支持車輛的操作方面，例如實時操作，例如用于高延遲/低負載的 LIN，用于低延遲/高負載的以太網(wǎng)?！褂w凌科技美洲地區(qū)車輛用戶體驗部門高級總監(jiān) Ray Notarantonio 表示。一般來說，網(wǎng)絡(luò)的大小可以滿足這些需求，這支持每個應(yīng)用程序的最佳性價比。它保證了網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計上既不會過度利用，也不會利用不足。

另一方面，計劃轉(zhuǎn)向軟件定義汽車的 OEM 將選擇區(qū)域架構(gòu)。NXP 車載網(wǎng)絡(luò)高級副總裁兼總經(jīng)理 Meindert van den Beld 指出:「這種大規(guī)模的區(qū)域化將包括引入一個多 Gb、高度設(shè)計的以太網(wǎng)主干，連接更多面向安全/安全的區(qū)域模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的完全隔離，共享相同的物理資源。」

因此，與采用傳統(tǒng)設(shè)計的 OEM 相比，初創(chuàng)公司或新 OEM 在采用區(qū)域架構(gòu)方面可能具有更大的靈活性。

瑞薩電子高性能計算、模擬和電源解決方案部門產(chǎn)品營銷總監(jiān) Sam Gold 表示:「區(qū)域架構(gòu)的引入很大程度上取決于單個 OEM 的策略。新玩家可以更自由地修改現(xiàn)有架構(gòu)，甚至可以從頭開始實現(xiàn)新的架構(gòu)概念。另一方面，成熟的 OEM 可能面臨強烈的傳統(tǒng)依賴，并且擁有各種各樣的汽車模型，具有強烈的相互依賴性。這導致只能應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)或體系結(jié)構(gòu)的邊際或漸進變化。降低線束的成本、復雜性和重量是所有 OEM 的共同目標。在這方面，線束的自動化與手工制造也是一個很大的成本因素。」

區(qū)域安全問題

安全仍然是汽車領(lǐng)域的一個大問題，雖然理論上區(qū)域架構(gòu)更容易監(jiān)管，但在 CAN、LIN、以太網(wǎng)和其他技術(shù)組合的轉(zhuǎn)型階段，可能會產(chǎn)生新的漏洞。這意味著 OEM 需要做更多的工作來降低網(wǎng)絡(luò)攻擊的風險。

是德科技自動駕駛汽車業(yè)務(wù)線產(chǎn)品經(jīng)理 Carrie Browen 表示：「隨著汽車行業(yè)不斷適應(yīng)日益復雜的顯示器和連接需求，復雜性已成為新常態(tài)。隨著車輛內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)變得更快、更復雜，他們需要更高水平的測試以確保功能的一致性。這不僅僅是一種奢侈，而且是確保每個界面免受網(wǎng)絡(luò)威脅的必要條件。例如，隨著汽車中通過 CAN、藍牙、汽車以太網(wǎng)、SerDes、無線、蜂窩等方式的連接越來越多，信息被破壞的可能性也越來越大，并成為潛在的威脅接口。因此，在設(shè)計、驗證和生產(chǎn)過程中，必須遵守相關(guān)法規(guī) (ISO/SAE 21434 和 UN-R155) 并對網(wǎng)絡(luò)本身進行驗證。」

英飛凌的 Notarantonio 對此表示贊同?！妇W(wǎng)絡(luò)安全多年來一直是車輛的標準配置。消息通過安全域中的硬件安全模塊和專用軟件進行身份驗證。CAN 和 CAN-FD 網(wǎng)絡(luò)是最先增加安全性的網(wǎng)絡(luò)，并且自那時起安全性才不斷擴大。如今，人們正在做出各種選擇來保護新網(wǎng)絡(luò)，例如車輛上的以太網(wǎng)，選擇 MACSEC 或 IPSEC，但沒有什么是不安全的?！?/span>

與此同時，隨著車輛的連接越來越多，汽車網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須具有強制性的網(wǎng)絡(luò)安全風險管理。

瑞薩電子的 Gold 表示，「OEM 應(yīng)該開發(fā)縱深防御，但也要實現(xiàn)加密敏捷性?？v深防御應(yīng)考慮對車輛外部通信 (如 TLS、外部 I/F 認證) 和內(nèi)部通信 (如 IDS/IPS、TLS、MACsec、IPsec、SecOC) 的保護。車輛安全運營中心可以對上述保護機制的安全日志進行分析，并在必要時通過無線固件部署安全補丁，以減輕對車輛汽車網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)威脅。由于更長的密鑰長度和/或密碼系統(tǒng)被破壞，應(yīng)該考慮使用 Crypt 敏捷性來支持汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更新。后量子加密正在被考慮作為下一代算法。應(yīng)該定義適當?shù)捏w系結(jié)構(gòu)來防止安全瓶頸 (例如，分布式安全處理)?！?/span>

OEM 的布局情況

雖然很難預測 OEM 何時會實現(xiàn) 100% 的以太網(wǎng)，但大多數(shù) OEM 都在當前和未來的設(shè)計中使用以太網(wǎng)。Marvell 的 Bar-Niv 表示，在未來幾年，采用率將會加快。

圖 4：區(qū)域架構(gòu)的采用預計將在未來幾年內(nèi)加速。來源：Marvell

寶馬是最早在其車輛中采用以太網(wǎng)的公司之一。2021 年，它在其量產(chǎn)車型 BMW iX 中引入了千兆以太網(wǎng)。如今，以太網(wǎng)已用于所有生產(chǎn)型號。

與其他 OEM 一樣，現(xiàn)代汽車報告稱其使用 CAN 和以太網(wǎng)的混合模型。其 Kona 和 Santa Fe 就是使用以太網(wǎng)支持 OTA 的示例。梅賽德斯-奔馳采用以太網(wǎng)和 CAN/LIN 的結(jié)合。2013 年，其 222 款 (s 級) 車型使用 CAN 和 LIN 2.1 作為大多數(shù)控制，同時使用以太網(wǎng)作為信號燈。到 2020 年，梅賽德斯-奔馳的 223 款 (s 級) 車型已經(jīng)使用以太網(wǎng)在主要領(lǐng)域之間進行通信。從 2024 年開始，奧迪將推出基于分散式 Premium Platform Electric 的全新 E/E 架構(gòu) (E3)，該架構(gòu)將使用包括高速骨干網(wǎng)在內(nèi)的以太網(wǎng)技術(shù)進行擴展。

雖然大多數(shù) OEM 都在其設(shè)計中融入了以太網(wǎng)，但豐田車型目前還不支持以太網(wǎng)。

與此同時，美國的 OEM 正在轉(zhuǎn)向區(qū)域架構(gòu)。英飛凌的 Notarantonio 表示，「區(qū)域方法的一部分是將高性能計算中心與制造汽車的所有功能連接起來，并通過將更多功能集成到單個區(qū)域來實現(xiàn)。這種集成有助于降低材料成本和線束復雜性?！?/span>

此外，這些 OEM 正在超越簡單地增加一個功能或增加一個 ECU，因為這是線束和軟件復雜性的主要貢獻者。

日本的目標也類似。但在那里，OEM 選擇了基于領(lǐng)域的架構(gòu)來制造他們的汽車?！笩o論哪種情況，它們都允許在中心節(jié)點進行大部分更新，而在區(qū)域或域進行有限的更新，但軟件定義車輛是減少軟件和線束復雜性的未來途徑，」Notarantonio 說。

未來愿景

基于 OEM 目前的做法，可以肯定的是，區(qū)域架構(gòu)將繼續(xù)獲得動力。除了簡化汽車設(shè)計之外，區(qū)域汽車架構(gòu)還為供應(yīng)鏈創(chuàng)造了新的機會。

是德科技自動駕駛汽車業(yè)務(wù)線解決方案支持部門 Mei Ching (Maggie) Lim 指出:「區(qū)域架構(gòu)是降低汽車網(wǎng)絡(luò)復雜性的潛在解決方案，通過將汽車電子系統(tǒng)組織成區(qū)域，讓 OEM 簡化布線和通信路徑，每個區(qū)域處理特定功能，從而節(jié)省成本、提高效率和提高可靠性。主要目標是減少電纜線束的重量和復雜性，這與使用高速通信技術(shù)提高數(shù)據(jù)吞吐量的需求相矛盾。」

此外，使用內(nèi)聯(lián)連接器連接多個網(wǎng)絡(luò)段，要求長距離通信通道操作，對電氣性能提出了嚴格的要求?！高@意味著新興標準必須嚴格定義允許的信道損耗，測試方法必須驗證性能，」Lim 說。「應(yīng)用需求決定了 E/E 架構(gòu)的選擇。將各種傳感器聚合到單個鏈路上以減少電纜重量和成本，從而導致更高的吞吐量要求。提高效率和可靠性以及減輕重量是重要的驅(qū)動因素。然而，區(qū)域架構(gòu)是否會成為主導取決于許多因素，包括技術(shù)進步、行業(yè)采用和汽車生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)展的需求。自主性水平、連接性需求和成本考慮都是影響因素。汽車行業(yè)是動態(tài)的，汽車架構(gòu)的演變將取決于持續(xù)的技術(shù)發(fā)展以及這些概念在實際應(yīng)用中的成功實施?！?/span>

此外，除了 ECU、網(wǎng)絡(luò)和 UTP/STP 布線整合之外，區(qū)域體系結(jié)構(gòu)還保證了可擴展性，與分布式/基于域的體系結(jié)構(gòu)相比，有助于降低總體成本。Cadence 的 Schweiger 補充說:「OTA 軟件升級使 OEM 能夠在車輛生命周期內(nèi)提供額外的功能或服務(wù)，而區(qū)域架構(gòu)將顯著改善 OTA 流程?！?/span>

圖 5：在不久的將來，域架構(gòu)和區(qū)域架構(gòu)將共存。來源：英飛凌

雖然區(qū)域架構(gòu)被廣泛認為是未來的趨勢，但轉(zhuǎn)型需要時間。一些 OEM 正在全速前進，而另一些 OEM 則繼續(xù)支持域架構(gòu)。因此，在可預見的未來，汽車設(shè)計中可能會繼續(xù)使用多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。