01 核心觀點
數(shù)據(jù)傳輸需求快速增長催化 E/E 架構(gòu)變革。
- 由于車內(nèi) ADAS 及大量的傳感器的數(shù)量提升，智能汽車迎來了從分布式向域集中式過渡階段，從全車 100 余 ECU 到 5 個 DCU，控制功能迅速集中。在域集中式汽車架構(gòu)設(shè)計中，域控制器處于需要強(qiáng)大的計算能力、超高的實時性能以及大量的通信外設(shè)。因此，大量的高速傳輸需求，帶來了車載網(wǎng)絡(luò)通訊的變革，我們認(rèn)為以太網(wǎng)將成為域間控制器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)骨干介質(zhì)，并用于代替現(xiàn)有串行網(wǎng)絡(luò)（如 MOST 和 FlexRay），未來高速總線將以以太網(wǎng)為主。
當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈以海外供應(yīng)商為主，國產(chǎn)化替代空間較大。
- 車載以太網(wǎng)上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括芯片和處理器部分，大多為海外廠商供應(yīng)。隨著國產(chǎn)化需求的逐步提升，以及華為、百度等巨頭對汽車行業(yè)的加碼，國內(nèi)廠商未來有望占據(jù)一席之地。例如，裕太車通和景略半導(dǎo)體均已在 2019 年成功研發(fā)出車載以太網(wǎng) PHY 芯片，并已進(jìn)入量產(chǎn)階段，打破了海外芯片巨頭公司在芯片領(lǐng)域的壟斷。
以太網(wǎng)以新型網(wǎng)絡(luò)的姿態(tài)介入汽車網(wǎng)絡(luò)當(dāng)然無法一蹴而就，在短期內(nèi)是無法取代現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)，因此以太網(wǎng)在進(jìn)入汽車網(wǎng)絡(luò)時考慮分階段、從子系統(tǒng)開始逐步深入，并最終整合汽車網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)過程。
- 第一階段：子系統(tǒng)級別，單獨在某個子系統(tǒng)使用以太網(wǎng)，這一階段的衍生產(chǎn)品目前已經(jīng)在整車上實施，如基于DoIP標(biāo)準(zhǔn)的OBD診斷設(shè)備；或已有示例應(yīng)用，如使用 IP攝像頭的駕駛輔助系統(tǒng)；
- 第二階段：架構(gòu)級別，將幾個子系統(tǒng)功能整合，形成一個擁有功能集合的小系統(tǒng)；
- 第三階段：域級別，以太網(wǎng)為車載網(wǎng)絡(luò)骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個域級別的汽車網(wǎng)絡(luò)。
02 市場分析
// 全球及中國車載以太網(wǎng)市場規(guī)模預(yù)測
車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、域控制器、連接器、雙絞線纜等，各個域控制器均通過車載以太網(wǎng)總線連接網(wǎng)關(guān)的交換機(jī)，車載以太網(wǎng)交換機(jī)用于實現(xiàn)各個域控制器之間的信息交互，網(wǎng)關(guān)將通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換后的執(zhí)行請求通過交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給域控制器，實現(xiàn)各個域控制器之間信號的高效交互。
根據(jù)測算 2020 年單車車載以太網(wǎng)節(jié)點約為 6 個，隨著域控制器需求的增加預(yù)計 2025 年提升至 13 個，2030 年提升至 17-20 個，節(jié)點數(shù)對應(yīng)交換機(jī)需求數(shù)量，另外單車配備一個中央網(wǎng)關(guān)。從車載以太網(wǎng)的滲透率來看，我們預(yù)計2020 年滲透率約為10%，考慮到自動駕駛對車載以太網(wǎng)的需求方面，我們認(rèn)為到 2030 年 L3 級別以上的自動駕駛車輛將以車載以太網(wǎng)技術(shù)為主，滲透率有望達(dá)到 50%。依照以上假設(shè)測算，我們預(yù)計 2030 年全球車載以太網(wǎng)上游網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)市場規(guī)模約為 426 億元，較 2020 年的 10 億元增長超過 40 倍。
// 市場的驅(qū)動因素及趨勢
▎應(yīng)用驅(qū)動：
- 以太網(wǎng)的通用技術(shù)
就目前采用的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，都是難以與外部設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)連接的封閉標(biāo)準(zhǔn)。究其原因，目前占主流的車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)CAN、LIN及FlexRay，以及面向媒體的系統(tǒng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)MOST等都具有濃重的“汽車行業(yè)”色彩，導(dǎo)致其應(yīng)用的局限性，反之以太網(wǎng)是一種簡單、成熟的開放標(biāo)準(zhǔn)，基于以太網(wǎng)的應(yīng)用都極大地降低了應(yīng)用成本。 - 高層應(yīng)用對帶寬的迫切需求
從功能性的角度，車載子系統(tǒng)增加，不同的子系統(tǒng)之間對共享數(shù)據(jù)的需求越來越多；另外隨著攝像頭分辨率的提升，顯示需求大量增加，傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)在帶寬上面臨巨大挑戰(zhàn)，目前主導(dǎo)車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的CAN和FlexRay無疑將遭遇發(fā)展的瓶頸，在這方面最有競爭力的是MOST。MOST總線目前最大帶寬為150 Mb/s，但MOST常用架構(gòu)為多個設(shè)備共享帶寬。與 MOST相比，以太網(wǎng)可以采用更為靈活的星形連接架構(gòu)，使得每一條鏈路都可以專享 100 Mb/s 甚至更高的帶寬。 - 以太網(wǎng)的開放性和互聯(lián)擴(kuò)展優(yōu)勢
伴隨不斷增長的ADAS的復(fù)雜性，行業(yè)內(nèi)需求一種簡化和標(biāo)準(zhǔn)化的方法。對于車載網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)提供的先決條件就是這種整體性的辦法，是適合作為主干網(wǎng)絡(luò)連接各個應(yīng)用領(lǐng)域，特別是需求更高帶寬的應(yīng)用。由于以太網(wǎng)的靈活性及可擴(kuò)展的帶寬，遠(yuǎn)程信息處理和多媒體娛樂系統(tǒng)、基于IP的WEB應(yīng)用程序與車載網(wǎng)絡(luò)的接口過渡變得平滑，車輛與外部世界的交互將會更加頻繁。
// 產(chǎn)業(yè)鏈圖譜
當(dāng)前車載以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈以海外供應(yīng)商為主，國產(chǎn)化替代空間較大。上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括芯片和處理器部分，大多為海外廠商供應(yīng)。隨著國產(chǎn)化需求的逐步提升，以及華為、百度等巨頭對汽車行業(yè)的加碼，國內(nèi)廠商未來有望占據(jù)一席之地。例如，裕太車通和景略半導(dǎo)體均已在 2019 年成功研發(fā)出車載以太網(wǎng) PHY 芯片，并已進(jìn)入量產(chǎn)階段，打破了海外芯片巨頭公司在芯片領(lǐng)域的壟斷。
中國企業(yè)和startups主要參與車載以太網(wǎng)中下游產(chǎn)業(yè)鏈，中游主體為軟件協(xié)議棧供應(yīng)商，下游為系統(tǒng)供應(yīng)商、整車廠及測試提供商。從全產(chǎn)業(yè)鏈分析，行業(yè)由國際企業(yè)占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)在芯片、處理器、軟件等多個領(lǐng)域均處于落后地位，仍處于追趕階段。
// 細(xì)分領(lǐng)域市場潛力分析
車載以太網(wǎng)具有大帶寬、低時延等優(yōu)勢，是滿足自動駕駛算力和數(shù)據(jù)傳輸需求的核心技術(shù)。車載以太網(wǎng)起源于汽車新四化快速發(fā)展，即汽車電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化需求提升，使得帶有網(wǎng)絡(luò)接口的 ECU 大幅提升，傳統(tǒng) CAN、LIN、以及 FlexRay 等車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸時延和傳輸帶寬限制等問題凸顯。
從2021年當(dāng)前時間點來看，自動駕駛是驅(qū)動車載以太網(wǎng)滲透率提升的核心要素。主要原因是 ADAS、激光雷達(dá)、智能視覺安全應(yīng)用、V2X 等應(yīng)用帶來算力和數(shù)據(jù)吞吐速率大幅提升。根據(jù) LeadLeo 2020 年 7 月發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，自動駕駛每提升一級，算力將呈現(xiàn)指數(shù)級增長，且高清攝像頭和雷達(dá)傳感器等對于數(shù)據(jù)吞吐速率的要求亦進(jìn)一步提升。車載以太網(wǎng)可利用不同的方式傳輸車輛數(shù)據(jù)，既可以是網(wǎng)絡(luò)接口，也可以是在 1Gbps 下運(yùn)行的高速低延遲傳感器或無線連接，滿足了自動駕駛技術(shù)演進(jìn)對于數(shù)據(jù)帶寬和傳輸時延的高要求。
// 細(xì)分領(lǐng)域的分類
車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線電纜不同，車載以太網(wǎng)在單對非屏蔽雙絞線上可實現(xiàn)100Mbit/s，甚至1Gbit/s的傳輸速率，同時還滿足汽車行業(yè)對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。
車載以太網(wǎng)是車載以太網(wǎng)的協(xié)議分層：車載以太網(wǎng)協(xié)議是一組多個不同層次上的協(xié)議簇，但是通常是被認(rèn)為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)。
最基本的協(xié)議：TCP/IP,簡稱網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是車載以太網(wǎng)的最基本的協(xié)議，是由一系列的交互方式工作的協(xié)議所組成，是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于技術(shù)按及的通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層被認(rèn)為是TCP/IP的核心協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)、傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議（TCP）和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）。
- 應(yīng)用層（Layer5-7）：是用戶與網(wǎng)絡(luò)的交互界面，負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)特定細(xì)節(jié)，覆蓋OSI的參考模型的第五層到第七層，應(yīng)用層可為用戶提供多種應(yīng)用協(xié)議，如HTTP、SMTP和FTP等。
- 傳輸層（Layer4）:主要任務(wù)是促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端的通信，為多臺主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。涉及到的協(xié)議是：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP）。
- 網(wǎng)絡(luò)層（Layer3）：包括IP協(xié)議、ICMP協(xié)議以及PGMP協(xié)議。
- 數(shù)據(jù)鏈路層（Layer2）：MAC 層采用IEEE 802.3 的接口標(biāo)準(zhǔn)，無需做任何適配即可支持廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP/IP）。
- 物理層（Layer1）：采用了博通公司的BroadRReach 技術(shù)，BroadR-Reach 的物理層（PHY）技術(shù)已經(jīng)由單線對以太網(wǎng)聯(lián)盟（One- pair Ethernet Alliance，OPEN）標(biāo)準(zhǔn)化，因此有時也稱車載以太網(wǎng)為Broad RReach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。
03 技術(shù)分析
// 技術(shù)迭代分析—數(shù)據(jù)鏈路層MAC
數(shù)據(jù)鏈路層中主要發(fā)展的技術(shù)為TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，本身沒有應(yīng)對實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸問題的解決方案，為解決在車內(nèi)音視頻數(shù)據(jù)的傳輸路徑上存在多個交換器節(jié)點時面臨的多流并發(fā)困。
TSN消除了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于多流并發(fā)導(dǎo)致的不確定性，對于具有關(guān)鍵時間約束的應(yīng)用尤為重要，目前TSN的發(fā)展已經(jīng)可滿足汽車對可預(yù)測延遲和帶寬持續(xù)增長的需求。
TSN交換實現(xiàn)機(jī)制可前向兼容目前標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，在現(xiàn)有民用以太網(wǎng)交換芯片多數(shù)邏輯保持不變的情況下，只需增加時間同步和輸出接口整型邏輯即可實現(xiàn)TSN交換，技術(shù)發(fā)展前景更佳。
目前能夠解決汽車領(lǐng)域以太網(wǎng)對實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸問題的主要有兩種方法，一是TSN技術(shù)（時間出發(fā)以太網(wǎng)首次由Kopetz等人提出的、由TTTech公司開發(fā)的一種基于802.3以太網(wǎng)之上的汽車或工業(yè)領(lǐng)域的實時通信候選網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)通過美國汽車工程師學(xué)會（SAE）的標(biāo)準(zhǔn)化（SAEAS6802）；二是TTEthernet技術(shù)（TTEthernet允許實時的時間觸發(fā)通信與低優(yōu)先級的事件觸發(fā)通信共存，使以太網(wǎng)具備滿足高安全等級的系統(tǒng)要求的同時，依然可承擔(dān)對實時性要求不過分嚴(yán)格但仍然有高帶寬傳輸需求的場景。
TTEthernet技術(shù)建立在以透明時鐘 步固化函數(shù) 壓縮函數(shù)的底層技術(shù)基礎(chǔ)上，通過IEEE以太網(wǎng)802.3再到上層的協(xié)議控制架構(gòu)?？蓪⑵湟怨叫问奖磉_(dá)：TTEthernet=Ethernet 時鐘同步 時間觸發(fā)通信 速率受約傳輸 保證傳輸。
// 技術(shù)迭代分析—PHY物理層
車載以太網(wǎng)的物理層應(yīng)用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù)（由OPEN聯(lián)盟推動）。BroadR-Reach提供標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC層接口，因而能使用與其他以太網(wǎng)類型相同的數(shù)據(jù)鏈路層邏輯及幀格式，并能通過與其他以太網(wǎng)類型相同的方式運(yùn)行高層協(xié)議與軟件，在技術(shù)上具有以下三點優(yōu)勢。
- 共享媒介：物理雙全功接口支持一條鏈路上的兩個車載以太網(wǎng)節(jié)點在同一對雙絞線上同時傳輸和接受數(shù)據(jù)，使得100BASE-T1可降低車輛的整體線纜重量，從而降低材料成本、提高燃料效率。
- 回聲消除：100BASE-T1物理系統(tǒng)集成了混合系統(tǒng)，使用回聲消除來去除自身的發(fā)射信號，并從鏈路伙伴處提取接收到的信息，使各以太網(wǎng)節(jié)點能夠區(qū)分發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)。
- 低成本高速率：BroadR-Reach利用兩組編碼和信令方法將MAC層100Mb/s的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成66Mbaud/s的三元信號，可使100Mb/s的數(shù)據(jù)速率能夠在較低的范圍內(nèi)實現(xiàn)，從而使得BroadR-Reach以較低的布線成本實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。
物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。物理層的芯片稱之為PHY。PHY（Physical Layer，物理層）是IEEE802.3中定義的一個標(biāo)準(zhǔn)模塊，STA（station management entity，管理實體，通常為MAC或CPU）經(jīng)過SMI（Serial Manage Interface）對PHY的行為、狀態(tài)進(jìn)行管理和控制，而具體管理和控制動做是經(jīng)過讀寫PHY內(nèi)部的寄存器實現(xiàn)的。
// 技術(shù)迭代分析—車載以太網(wǎng)組織
- OPEN Alliance（One-Pair EtherNet，OPEN聯(lián)盟）于2011年由NXP、博通和寶馬攜手創(chuàng)建，目前已超340位成員。OPEN Alliance是一個非盈利性開放行業(yè)聯(lián)盟，主要由知名汽車主機(jī)廠和相關(guān)技術(shù)供應(yīng)商組成，目標(biāo)是將基于以太網(wǎng)的通信廣泛應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)。OPEN Alliance成立了14個技術(shù)委員會（Technical Committees），分別致力于制定和統(tǒng)一IEEE 100BASE-T1、1000BASE-T1 及1000BASE-RH等通信方式的物理層、協(xié)議一致性和互操作性等規(guī)范；同時，通過制定線束、交換機(jī)、ECU和其他功能需求及測試規(guī)范，幫助Tier1和汽車制造商完善汽車以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。
- IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會），成立于1980年的IEEE 802.3工作組主要負(fù)責(zé)定義以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制（MAC）部分。隨著汽車以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)已經(jīng)成為IEEE 802.3的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，并成立了多個與汽車以太網(wǎng)相關(guān)的任務(wù)組，負(fù)責(zé)汽車以太網(wǎng)物理層相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。此外，IEEE（802.1工作組）還制定了發(fā)展迅速的AVB/TSN技術(shù)規(guī)范，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)高可靠、低延遲及同步傳輸。
- AVnu AIIiance成立于2009年，它的使命是推動AVB/TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，創(chuàng)建一個開放、安全、低延遲和高度可靠的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。AVnu專注于A/V、工業(yè)、消費電子和汽車行業(yè)，為了保證AVB/TSN互操作性，AVnu聯(lián)盟專門為相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)建了符合市場要求的合規(guī)性和互操作性（C&I)測試集。由此可見，IEEE和AVnu的區(qū)別很明顯：IEEE負(fù)責(zé)制定AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)，AVnu負(fù)責(zé)制定系列測試標(biāo)準(zhǔn)來解決AVB/TSN技術(shù)在某個領(lǐng)域的應(yīng)用。
- AUTOSAR（AUTomotive Open System Architecture，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）聯(lián)盟致力于為汽車工業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)，通過使用統(tǒng)一的軟硬件接口實現(xiàn)不同開發(fā)商軟件模塊的兼容性。Classic AUTOSAR從4.0版本開始支持以太網(wǎng)通信，主要包括Ethernet驅(qū)動、Ethernet接口、TCP/IP、Socket Adaptor、DoIP、UDPNM、SOME/IP等軟件模塊。AUTOSAR的以太網(wǎng)相關(guān)文檔詳細(xì)定義了以太網(wǎng)通信軟件模塊的需求、函數(shù)接口、配置參數(shù)等內(nèi)容。（注意：這些內(nèi)容相應(yīng)的協(xié)議本身，還是由IEEE、IETF等標(biāo)準(zhǔn)組織定義。）
04 Startup Mapping
上游：PHY芯片 傳輸電纜，主要玩家：裕太車通、恩智浦NXP、博通Broadcom、德州儀器。
中游：軟件協(xié)議 測試，主要玩家：經(jīng)緯恒潤、博世、電裝、APTIV。
下游：OEM，主要玩家：奧迪、寶馬、奔馳，蔚來、小鵬。
來源：PLUGANDPLAY
