从百兆到千兆：TE助力智能网联汽车快速发展

作者简介：
徐超
TE Connectivity中国汽车事业部产品经理
——高速数据连接产品线

万物互联的时代已经悄然而至，物联网正在深刻地影响着我们的生活。其中，智能网联汽车是整个智能交通、乃至物联网时代中最具变革的产物。

智能网联汽车从硬件层面由各个传感器、运算器以及执行机构组成，这其中会存在巨大的计算量。原有的CAN总线系统架构已经远远无法适应新的数据传输需求，这时汽车以太网当仁不让，成为新一代汽车主干网络。我们看到，百兆以太网架构已经被绝大部分整车厂所接受和应用，而下一个目标则是从百兆到千兆的升级，这才是汽车以太网真正发挥实力的战场。

如果将智能网联汽车比作一个人，那么汽车以太网将组成新一代的神经网络，为各个脏器传递命令。本文将深度解析汽车以太网在智能网联汽车中的具体应用，以及泰科电子（TE Connectivity，以下简称“TE”）的汽车以太网连接解决方案。



新一代主干网络—为智能网联汽车而生

这几年，两场汽车工业最大的变革正在同时进行，其一是汽车电动化，另一个就是汽车的智能化和网联化。而后者，正是得益于物联网时代的到来。这种互联的意义，已经远远超过了我们熟知的初始阶段：如全球定位、汽车收音机、汽车蓝牙和WiFi连接；而是拔高到了另一个维度，即：汽车本身正成为物联网的一部分，成为一个超级移动终端！

在万物互联的时代，智能网联汽车将会成为一个驰骋在道路上的移动办公室、移动信息娱乐中心，它会和其他的“人-车-路-云”紧密联系在一起。几乎所有的传统汽车公司和新兴科技公司都在为此不懈努力，如：特斯拉、谷歌、蔚来、百度乃至优步、Facebook都置身其中。2018年1月，国家发改委颁布《智能汽车创新发展战略（征求意见稿）》，更体现了来自国家层面对其的重视和信心。

我们先举个例子：为了实现高级驾驶辅助功能，智能网联汽车需要获得远距离的汽车视野以及360度全车身的环境感知，如果仅仅获得和汽车驾驶员相同的视野距离是不够的。一般而言，人类驾驶员需要1-5秒的时间来计划和应对突发事件的发生，如紧急刹车。而高级驾驶辅助系统的主要作用，就是提高驾驶安全性并且减轻驾驶员的负担。由此，智能网联汽车需要尽可能全面地获得信息，以用于预测性判断，这些信息包括：当前交通状况和路况、天气、温度、湿度以及交通管制、限速等因素，然后根据这些信息规划出最佳路线、速度、行车轨迹以及能源使用分配。

智能网联汽车需要进行一系列车内和车外的连接，从而达成上述目的。我们需要通过一系列传感器，诸如：高清摄像头、毫米波雷达、激光雷达等，以及车外天线，如：全球定位天线、4G/5G天线、V2X天线等协同配合，将大量数据传递给域控制器等超高速运算机构进行计算，然后通过中央网关，将各种决策传递给各个执行机构，同时也传递到云端和后台，对整个区域内的汽车和相关设施、甚至行人进行智能管理。

这其中蕴含着整车高速通信架构的革命性变化，也意味着原来的CAN、LIN、MOST或者FlexRay总线架构，已经无法满足这种巨量运算的需求。

那么什么样的汽车主干网络会是智能网联汽车的选择呢？

从百兆到千兆--汽车以太网主干网络

对于新一代的智能网联汽车之主干网络而言，需要满足如下几点要求：

高带宽：目前CAN总线速率只能达到1Mbps，未来总线需要达到100Mbps，甚至1Gbps的速率，并有趋势进一步提升。从百兆到千兆，已成共识。
低延时：新的主干网络需要满足毫秒级的延时表现，保证时间敏感事件可以在最短的时间被传送成功，从而不影响功能表现。
高安全、可靠性：新的总线需要承受汽车严苛的工况环境，在抗冲击、震动、高低温环境中达到汽车级需求，同时对电磁干扰有很强的免疫力。
低成本：相对于CAN总线所使用的非屏蔽双绞线和简单的连接器结构，新主干网系统在成本上不能有明显增加。
轻量化：尽量使用小型化、小线径、轻量化设计，不能过于增加整车重量。此项对于电动汽车而言，尤为关键。

汽车以太网技术能够有效应对上述需求，广大整车厂、系统供应商及芯片厂商都在不遗余力地推广汽车以太网作为新一代汽车主干网络。

汽车以太网是一种用以太网连接车内电子单元的局域网技术。与传统以太网使用2对或者4对非屏蔽双绞线（UTP）来传输不同，汽车以太网的物理层采用了博通公司的BroadR-Reach技术，在物理层只需要一对非屏蔽双绞线即可实现100Mbps甚至1Gbps的传输速率。该技术同时支持了15米的有效传输距离，通过回声抵消技术（Echo Cancellation）实现全双工通信，并且满足了汽车EMC的要求。另外一个巨大优势是，汽车以太网实现了PoDL（Power Over Data Lines）技术，即单对数据线供电，其可在一对双绞线上为设备提供12VDC/300mA的电源，这将帮助车企减少额外的电源传输线束，从而减轻重量、降低成本。

汽车以太网可以支持多种上层通信协议或应用形式，如：TSN，AVB，TCP/IP，DOIP，SOME/IP等。尤其是TSN时间敏感网络（Time Sensitive Networking）协议首次引入了时间触发以太网的相关技术，能高效地实现关键通信信息及时传输，极大提高了安全性和可靠性。相对于传统以太网协议的事件触发机制，其有极大可能造成关键通信延迟，TSN通过时间与同步（IEEE 802.1AS）、流量调度（802.1Qbv）、讯框优先适用（802.3br）、流量控制（802.Qci）等协议，奠定了汽车以太网下一代汽车主干网络的地位。

目前汽车以太网标准化方面存在多个组织，其既相互竞赛，也多有合作，主要有：IEEE 802.1和802.3工作组，OPEN联盟、AVnu联盟以及汽车开放系统架构联盟AUTOSAR。TE也积极参与各个标准的制定工作，比如：在OPEN联盟中，TE就是TC9工作组的主席，参与物理层标准的制定工作。



TE汽车以太网连接解决方案-MATEnet连接系统

为应对市场对于汽车以太网的强烈需求，TE开发了一套专门应对汽车以太网的连接解决方案——MATEnet连接系统。
MATEnet连接产品线是一套全面的以太网连接解决方案，其支持目前百兆乃至将来千兆级别的车内主干网络连接需求，是构建具有中等规模数据吞吐量和低延时传输要求的下一代汽车主干网的最经济、最高效的解决方案。
MATEnet连接产品专为IEEE和OPEN联盟汽车以太网协议要求开发，该产品线依靠汽车级、小型化、久经验证的NanoMQS端子和TE优秀的高频产品设计能力，为客户提供了具备高带宽、高EMC应对灵活性、汽车级可靠性、高性价比、良好的可制造性的丰富解决方案。




1. 高带宽

TE 的MATEnet连接系统符合IEEE（电子和电气工程师协会）802. 3工作组为汽车以太网制定的传输协议和标准。此外，在OPEN联盟中，TE担任TC9技术委员会主席参与制定标准。
根据IEEE802.3bw的100base-T1协议，MATEnet连接系统可以在66MHz频率下提供100Mbps的传输速率；根据IEEE802.3bp的1000base-T1协议，MATEnet连接系统更可以在600MHz频率下提供1Gpbs的传输速率。值得一提的是，这些速率完全可以通过非屏蔽双绞线（UTP）来实现，而非更加昂贵的屏蔽双绞线（STP）。从百兆到千兆，TE已经实现！

MATEnet连接系统还有潜力在芯片和线缆的协同进步下达到6Gbps的速率。

同时，根据IEEE802.3bu协议，MATEnet连接系统可以满足PoDL标准，采用一对非屏蔽双绞线中的信号线，平行地对汽车以太网接口供电，实现降本和减重。

2. EMC灵活性

随着汽车的电气化程度越来越高，尤其是新能源汽车的发展和大量智能网联汽车所需高频天线的引入，车内抗电磁干扰问题变得越来越重要。汽车以太网的一大重要特性就是使用非屏蔽双绞线（UTP）来传输中型数据，以节省成本和减重。但是，在一些强电磁干扰位置，如：动力电池、点火线圈或者是鲨鱼鳍天线附近，往往我们需要使用带屏蔽的双绞线（STP）来保证可靠的EMC表现。
TE 的MATEnet连接系统可在同一产品布局下兼容UTP和STP，这一特性为整车厂提供了最大的灵活性。理想情况下，整车厂可以使用简单而成本低廉的UTP电线完成绝大部分汽车以太网的部署联网，同时又可以为严苛工况环境下的连接提供更可靠的STP解决方案。

MATEnet连接系统的这一特性确保了整车厂无需改变板端连接器，而仅仅选择合适的线端连接器塑壳和电线，即可在所需要的系统内实现更高的屏蔽水平。

3. 汽车级可靠性

MATEnet连接系统使用了小型化NanoMQS车用端子作为核心连接端子。这是TE的明星产品，它在车辆实际应用中久经考验，是名副其实的汽车级连接端子。
NanoMQS端子作为小型化的典范，同时具有超高抗震可靠性，其被大量应用在发动机舱、变速箱等严苛环境中。NanoMQS端子采用了双触点、单片压接式设计，方形结构设计能有效保护母端子弹片，同时带有防止误插结构和二次锁结构，使用环境温度更可达到-40°C到105°C。这种端子可压接最小线径0.13mm²的超细导线，为降低线束重量创造了条件；标准版本的NanoMQS连接产品可以满足LV214 S2级抗震动等级，密封型号更可以满足S3级（接近传动系统）和S4级（发动机支架）震动要求。

4. 高性价比

MATEnet连接系统使用了模块化设计概念，每一路以太网链路均使用了相同的核心线束结构，仅需叠加线端塑壳的位数，减少了设计和制造成本。
另一方面，MATEnet连接系统同时兼容UTP和STP线束的特征，可帮助客户按照实际使用环境选择最理想的线材，减少了连接整体成本。

TE中国团队和德国团队共同开发MATEnet产品线家族，且已经在苏州工厂推进国产化，以应对急速增长的客户需求。

5. 产品线丰富

TE根据整车厂实际的以太网系统架构规划以及相关芯片供应商汽车以太网链路交换芯片的开发进度，及时提供了从1路到6路以太网链路的全系列产品，所有相对应的线端产品均可选择UTP和STP产品，这大大满足了客户在不同设备、不同应用上各种需求。

6. 良好的可制造性

汽车以太网线束加工具有其工艺复杂型，为保证非屏蔽双绞线能够满足百兆甚至千兆速率的稳定数据传输，端子和线缆的压接工艺精度非常关键。TE 的MATEnet连接器严格验证和制定了以太网线束压接规范，规定了如：导线开拨长度、端子压接后非绞距离、压接后两根线芯之间距离、扭转角度等等一系列关键工艺参数。
同时，TE和相关线束组装设备制造商进行战略合作，开发了用于生产MATEnet线束的自动组装设备，保证了产品的可制造性和良好的质量。



汽车以太网正在深度影响智能网联汽车的整车系统架构。从百兆到千兆，正是来自TE的有力回应，作为全球领先的汽车连接解决方案供应商，TE为汽车以太网提供了高速、可靠的MATEnet数据连接系统，助力智能网联汽车的快速发展。