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高速数据对联网车辆意味着什么 |千兆以太网和5G背后的技术可以改变运输方式

发布日期:2020-07-10

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千兆以太网和5G背后的技术可以改变运输方式。



互联的汽车细分市场正在快速增长。 业内分析师预测,到2020年,道路上将有2.5亿辆联网汽车和1000万辆无人驾驶汽车,到2025年将有4.7亿辆联网/自动驾驶汽车。


随着联网汽车数量的增加,它们产生,传输和接收数据的程度也将随之提高。 麦肯锡公司(McKinsey&Company)表示,通过连接的车辆(往返云)传输的数据量约为每小时25 GB数据,并预测一旦车辆真正实现自动驾驶,这一数字将提高至近500 GB / hr。


当今的车载网络实际上结合了几种不同的数据联网协议。 其中一些已经存在了数十年。 其中包括处理动力总成和执行器功能的控制器局域网(CAN)。 本地互连网络(LIN),主要处理非时间敏感的应用程序,例如气候控制,环境照明,座椅调整等; 用于信息娱乐的面向媒体的系统传输(MOST); 和FlexRay用于防抱死制动,电子助力转向和车辆稳定性



(图*Statistica的分析师根据麦肯锡公司的数据估算出了这些图表,该数据估计联网汽车每小时可产生多达25 GB的数据。 这相当于可以播放近30个小时的高清视频,并且可以播放一个月以上的24小时音乐流。)


使用不同协议的结果是,车辆网络必须包含网关以在基础架构内传输数据。 这种做法在几个层面上都不是**的,一个方面是每个网络的布线都会增加车辆的重量。 线束是典型车辆的第三重元素(仅引擎和底盘更重)。


当今的汽车网络还集成了许多电子控制单元(ECU),典型车辆中ECU的数量也在增加。 豪华车型配备150个ECU的情况并不少见,而普通车辆可能配备多达90个ECU。



(图*汽车以太网发展的一个例子:具有25 Gbps功能的Molex HSAutoGig互连解决方案的Molex 10 Gb以太网网关。 它支持了汽车传感器,摄像头,网关和交换机所需的信号完整性裕量,这些传感器是未来自动驾驶汽车的重要组成部分。)


汽车设计人员得出的结论是,支持高级驾驶员辅助系统(ADAS)的数据密集型应用无法通过当今使用的那种汽车联网技术来处理。 车载网络的整个方法必须在拓扑结构和基础网络技术方面进行根本性的改变。


如今,车辆中使用的网络结构正在朝着所谓的基于域的架构的变体发展(每个汽车制造商都有自己的架构,但主要概念通常是相似的)。 在较老的车辆网络具有专用ECU和专用总线系统的地方,域架构的特征在于每个关键功能的域不同:一个ECU和网络处理车身控制,一个用于信息娱乐的ECU /网络,一个用于远程信息处理的,一个用于动力总成的 , 等等。 至少到目前为止,这些域通常仍使用不同网络协议(CAN,LIN等)的混合。


随着网络变得越来越复杂,这种基于域的方法的效率越来越低。因此,将会从基于域的体系结构迁移到称为区域体系结构的类型。


区域架构基于ECU在车辆中的位置(区域),将来自不同传统域的数据连接到同一ECU。该方案极大地减少了线束的使用量,部分原因是因为现在使用离散布线处理的许多功能都将转向以太网技术。


与其他车载网络协议不同,以太网具有定义明确的发展路线图以实现更高的速度。相反,传统的汽车协议(如CAN和LIN)正处于计划中的应用超出其功能且无法明确解决此问题的升级途径的时候。


期望大多数车辆内的数据传输将通过以太网。因此,该计划是针对整个车辆的单一同构网络。这种车载网络将具有可扩展性,因此它能够以超低延迟来处理要求更高速度(例如10G)的功能,但也能够处理速度较慢的功能。设计人员将根据带宽需求为特定功能选择以太网物理层(PHY)。因此,诸如雷达和激光雷达之类的数据丰富的图像传感器可能采用1 Gbps接口,而低数据速率传感器可能仅需要10 Mbps连接。


区域体系结构将采用以太网交换机来管理所有不同域活动的数据。不同的数据域将连接到本地交换机,然后以太网主干将聚合数据。这样,网络可以使用相同的核心协议来支持使用不同的速度。



(图* 车载网络的趋势已导致致力于标准化汽车以太网的努力。 汽车版本现在称为IEEE 802.3CH标准,适用于15 m上的高速汽车以太网应用(2.5G,5G和10G的多千兆位汽车以太网)以及可选的PoDL(数据线供电)。 该标准的第一版将于今年年底发布。 它是Multi-Gig汽车以太网工作组(NGAUTO)的产品,该工作组的成立是为了定义特定的性能质量和以2.5 Gbps,5 Gbps和10 Gbps的速度运行。)


车载网络的趋势已导致致力于标准化汽车以太网的努力。当前正在开发的汽车以太网规范是IEEE 802.3CH,适用于超过15 m的高速汽车以太网应用(2.5G,5G和10G的多千兆位汽车以太网)以及可选的PoDL(数据线供电)。该标准的第一版将于今年年底发布。


IEEE还在802.3以太网工作组下成立了一个研究组,以研究10Gbps以上的汽车以太网。这是一个相对较新的发展,可能需要一段时间才能出现10 Gbps以太网的任何标准。


影响互联车辆的另一个趋势是向5G的过渡。大型电信运营商已开始在大都市地区激活第五代(5G)无线网络。5G无线数据的出现可以通过实现更快的数据速率以及安全的车对车(V2V)和车对基础设施(V2X)连接,将智能和自动驾驶提升到一个新的水平。5G计划在几年内被广泛采用,它将需要在强大的网络基础设施和车载处理技术的开发方面不断取得进步,以确保可靠的信号速度和超低延迟带宽。


为了解释5G对汽车连接性的意义,列举目前处于原型阶段的5G功能的真实示例可能会很有用。AutoAir就是这样的一个项目,它正在英国的Millbrook试验场进行测试。那里的研究人员建立了基站,天线和其他硬件,以产生各种场景,其中包括与时速高达160 mph的车辆保持1 Gbps的连接。


日产在CES 2019上介绍了另一种5G实现方案,称为``看不见可见''。它使用快速连接来查看拐角处的情况,并警告乘客潜在的危险,例如道路上的障碍物或被车辆遮挡的行人。同样,福特汽车正在与沃达丰合作开发一种使用5G来警告汽车即将驶入紧急车辆的系统。


这些高速汽车解决方案所需的专业知识和工程技术水平超过许多其他应用程序。许多设计复杂性来自于在占位面积小的连接器,电缆组件和模块中实现更好的性能的推动力。仅凭简单的参数(例如,接触电阻和耐蚀性)就无法表征连接硬件。处理高速数据的硬件必须解决电磁干扰的屏蔽问题,并且必须在衰减,回波损耗,模式转换,串扰,阻抗以及其他可能影响信号传输的问题上进行表征。指定具有能够可靠地向车辆中的每个传感器传递高速,高带宽和高功率信号的连接器的方法很多。


结果,汽车制造商要求供应商为短期创建解决方案,该解决方案可以在现有基础架构上实施,但可以演变为针对未来需求的解决方案。供应商正在努力满足并扩展高速数据功能,以满足汽车制造商对更高级别的连接性(包括V2V,V2X和全自动驾驶)的需求。


作者:Harsh Patel | Molex

来源:microcontroller tips




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