乙太網上汽車，確保即時性和故障安全性

masonchung

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2012/08/20 技術在線

       
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提出用於控制系統的標準
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　　Ethernet AVB的現行標準雖然可用於資訊系統，但要想用於控制系統在即時性和故障安全方面「有難度」（豐田）。因此，打算通過預定2014年以後完成制定的新一代標準加以改善（圖8）。


圖8：以用於控制系統為目標制定新一代標準
% C. ]8 L% H+ jEthernet AVB的新一代標準的目標是，確保可用於控制系統的延遲時間及可靠性等。例如，考慮使延遲時間在7跳點時為100μs以下。
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5 Q) F& j! c9 p) n( y　　例如，豐田與瑞薩電子以及AVnu聯盟的主要企業博通于2011年春共同將面向車載用途的要素匯總成白皮書提交給了AVnu聯盟。
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　　該白皮書對延遲時間提出了3跳點、100μs以下的條件。白皮書的內容中，關於即時性已向IEEE802.1提案完畢，可作為「IEEE802.1Qbv」滿足控制系統條件的技術已開始實現標準化。目前正以實現「7跳點、100μs以下」（瑞薩電子）而非3跳點、100μs以下為目標進行討論注2）。

+ {: l+ p- l5 ], N" I  ~注2） IEEE802.1Qbv預定在完成標準制定後成為Ethernet AVB的規格群之一。
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" @" ]7 I. @5 I2 S, I8 Y　　另外，Ethernet AVB的現行標準中「沒有故障安全相關的規定」（瑞薩電子）。因此，首先計劃加進針對故障安全的條件。比如，瑞薩提出了在7跳點網路中，當一個路徑或一個埠發生故障時，在70ms以內恢復的目標。據豐田介紹，在白皮書中，寶馬對故障安全，GM對即時性表示了關心。

3 f) n9 L7 E- ]& n在物理層實現成本削減和高速化

　　在擴大車載用途的應用所面臨的課題中，通過物理層解決導入成本和數據傳輸速度課題的動向日益活躍。
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　　導入成本中，線纜成本的削減成為焦點之一。目前的OBD用途是在汽車處於停止狀態下與外部個人電腦連接進行故障診斷。此時採用像「5類雙絞線（Category 5）」那樣廣泛普及的低價乙太網線纜。

" l6 \! a$ \" ]2 y, `# ?2 {　　而汽車的攝影鏡頭系統、影像傳輸系統、控制系統及主幹網在汽車運行中也利用乙太網，因此必須在車內佈線。此時，「輻射電磁干擾之大是利用以往的乙太網傳輸技術時想像不到的」（某汽車廠商），所以需要使用遮罩線。這樣的話，「不但成本上升，線纜也會變粗，由此導致安裝空間和重量增加，不適合使用」（多家汽車廠商和電裝品廠商）。因此，需要利用無遮罩雙絞線（UTP：unshielded twisted pair）傳輸數據。

利用1對UTP實現100Mbit/秒速度
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. k5 d# {6 }, w# d" M　　為解決上述線纜課題，從事物理層LSI的企業推進了開發。比如博通、美國邁威爾、美國麥瑞等。其中，先行一步的是博通。
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　　博通稱，利用面向車載乙太網開發的數據傳輸技術「BroadR-Reach」，在車載用途要求的數十m的傳輸距離中，能以1對UTP實現100Mbit/秒的速度。不但無需遮罩，在實現100Mbit/秒的數據傳輸速度的同時，與普通的「100Base-TX」的2對信號線相比還能削減佈線，因此得到了汽車行業的關注。
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　　BroadR-Reach之所以能利用1對UTP實現100Mbit/秒的傳輸速度，是因為在改變符號率之上，部分沿用了1Gbit/秒的「1000Base-T」的技術。

* n% R7 X8 I) s　　100Base-TX和1000Base-T的符號率為125MSymbol/秒，而BroadR-Reach約為66.7MSymbol/秒（表2）。這是為了避免傳輸路徑產生的電磁干擾頻率與收音機廣播頻帶的干擾。這樣就無需遮罩了。


　　BroadR-Reach在實現100Mbit/秒的傳輸速度的同時，通信方式利用全雙工方式，調變方式利用PAM（Pulse Amplitude Modulation：脈衝振幅調製），通過應用1000Base-T技術，削減了信號線。

　　不僅是數據信號線，還削減了電源線，利用1對UTP可在傳輸數據的同時供電。現已可以利用1對線纜供給5W左右的電力。能夠驅動一個攝影鏡頭模組。
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% B1 P+ S$ {1 _# X  F% G加盟企業超過50家
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0 v3 A/ Z9 l; g　　BroadR-Reach本來是「面向酒店等的網路系統開發的，而不是車載用途」（熟悉車載乙太網的某技術人員）。數年前，因輻射的電磁干擾小等原因，寶馬開始導入該技術。
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2 g$ }; ]" e1 m# }0 h" J　　之後，寶馬從採購的立場出發希望除博通外還能有其他供貨支援BroadR-Reach的物理層LSI的企業，於是提議開發過CAN和FlexRay的物理層LSI的荷蘭恩智浦半導體開發支援BroadR-Reach的物理層LSI。
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　　因此，寶馬、博通和恩智浦等作為主導的「Promoter」，于2011年11月成立了普及促進團體OPEN Alliance SIG注3）。
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5 Z, @5 e6 q0 M6 t% t注3） OPEN Alliance SIG除了推進以BroadR-Reach為基礎的物理層應用和確保相互連接性之外，還進行旨在制定標準等的討論，目標是使其標準在IEEE實現標準化。另外，利用BroadR-Reach相關的授權費條件等需要與博通單獨簽約。
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　　在OPEN Alliance SIG設立之初只有數家的成員企業到2012年6月已經超過了50家。雖然此前一直以歐美企業為中心，不過現在瑞薩電子也作為Promoter加盟，2012年5月以後，本田及電裝也加入其中，日本企業在不斷增加注4）。

注4） 豐田本著廣泛採集優秀技術的方針，目前還未加盟AVnu聯盟和OPEN Alliance SIG。

/ j3 N- N1 w  g' ?　　在加盟企業增加的同時，各企業還在推進支援產品的開發（圖9）。支援BroadR-Reach的物理層LSI方面，博通已經開始樣品供貨。而作為第二供應商，恩智浦以2014年初實現量產為目標，目前正在開發物理層LSI。

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0 l5 ^. A1 U9 C' M2 s  J圖9：利用BroadR-Reach的提案接連出現
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OPEN Alliance SIG的成員企業相繼提出利用BroadR-Reach的方案。例如，飛思卡爾半導體採用配備該公司BroadR-Reach MCU的攝影鏡頭模組試製了系統（a）。大陸公司利用BroadR-Reach構築了車載網路系統（b）。照片均為「ESEC」上的演示。


以業績為武器推進普及
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9 X$ A$ x3 q# `- B　　與BroadR-Reach對抗的，是面向OBD用途開發物理層LSI的邁威爾和麥瑞。兩公司均計劃以在OBD用途的業績為武器，擴大在攝影鏡頭系統和資訊系統中的應用。麥瑞半導體日本自信地表示，「以歐洲車廠商為中心，在OBD用途已經供貨了數百萬個產品」。
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$ F* m; Y' e. X0 u3 Q　　另外，雙方還強調，以IEEE標準的乙太網為基礎也是一大特點。邁威爾和麥瑞均表示，「因為是標準品，所以價格低」。
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& v0 _4 G! s4 q4 n, K( [8 B# @　　為了從OBD用途擴大到資訊系統等更加廣泛的用途，邁威爾和麥瑞紛紛致力於可利用UTP實現100Mbit/秒數據傳輸的物理層LSI的開發。例如，麥瑞以2012年內實現產品化為目標。邁威爾也已經完成試製，「正由某大型供應商進行評測」（該公司）。
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) x1 d( P  g3 ~) L探討1Gbit/秒傳輸速度
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　　要想普及車載乙太網，還需要提高物理層的數據傳輸速度。目的是應對資訊系統用途的數據容量增大，以及實現在車載LAN主幹網的利用。首要目標是制定1Gbit/秒的標準。消費類產品使用的1000Base-T利用4對信號線實現1Gbit/秒的傳輸速度。直接將4對信號線用於汽車在成本和安裝空間方面都比較難。

7 a% r  ~2 q$ u4 n( Z; Y! z　　因此，IEEE802.3的工作組正在討論能夠以4對以下的信號線實現1Gbit/秒傳輸速度的技術標準。那就是2012年3月成立的RTPGE Study Group。除了從事物理層LSI開發的博通、恩智浦、邁威爾及麥瑞等公司外，大型汽車廠商也加入了該工作組。

　　估計最早將在2014～2015年之前確定該標準。至少在連接器、線纜及電磁干擾對策方面需要比100Mbit/秒的技術進行大幅改善。MAC層也「需要大幅改變」（恩智浦）。
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  Z8 ^- m& p6 ?- D- z) y, f　　在為擴大車載用途的應用而解決乙太網物理層和數據鏈路層課題的過程中，還出現了旨在提高車載乙太網時代安全功能的動向以及開發中介軟體的舉措。
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& u- ]* Y7 g) N/ k7 g7 Q7 H7 `　　提高安全功能是因為，在利用乙太網與外部產品輕鬆聯動的同時，遭到非法訪問的危險性也提高了。例如，由德國政府出資的項目SEIS（Security in Embedded IP-based Systems）除了IP車載網路的安全功能外，還包括中介軟體等的要求事項，目標是用於汽車軟體標準平臺規格「AUTOSAR」注5）。

注5） SEIS的時間為2009年7月～2012年6月。

　　日本方面，行業團體JASPAR內也于2012年4月成立了面向車載乙太網應用的工作組。除安全功能和中介軟體外，還討論了物理層和開發環境等要素。

9 C2 S% V: g" h% p- Z, A) f( \　　除此之外，還開始進行支援車載乙太網的中介軟體開發及標準制定。例如，在AUTOSAR規格中，最新標準「Release 4.0」支援乙太網和TCP/IP等。由汽車廠商等成立的車載資訊產品行業團體「GENIVI聯盟」也在制定資訊系統的中介軟體。（記者：根津 禎，《日經電子》）

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