车载以太网在智能座舱中的应用与优化

汽车 2024-11-21 00:02 北京

作者 | 海角

出品 | 焉知

随着汽车智能化的发展，智能座舱成为现代汽车的重要组成部分。智能座舱涵盖了多媒体娱乐、信息显示、人机交互等多个方面，为用户提供更加便捷、舒适的驾乘体验。车载以太网以其高带宽、低延迟的特性，成为智能座舱通信的首选技术。研究车载以太网在智能座舱中的应用，可以提升用户体验和系统性能，具有重要的现实意义。

智能座舱

智能座舱是指集成了多种先进技术的汽车驾驶舱，旨在为驾乘人员提供更加智能化、舒适化的驾乘体验。多媒体娱乐功能可以提供高清视频播放、音乐播放等服务；信息显示功能可以显示车辆状态、导航信息等；人机交互功能可以通过语音识别、触摸屏等方式实现与驾乘人员的交互。

消费者希望汽车能够提供更加丰富的多媒体娱乐功能、更加直观的信息显示和更加便捷的人机交互方式。因此，智能座舱成为汽车制造商提升产品竞争力的重要手段。

智能座舱对通信技术的要求非常高，需要具备高带宽、低延迟、高可靠性等特点。高带宽可以满足多媒体传输、信息显示等应用的需求；低延迟可以保证语音识别、信息显示等应用的实时性；高可靠性可以确保系统的稳定性和安全性。

车载以太网技术

技术特点

车载以太网具有高带宽、低延迟、高可靠性和低功耗等技术特点。高带宽可以满足智能座舱中多媒体传输、信息显示等应用的需求；低延迟可以保证语音识别、信息显示等应用的实时性；高可靠性可以确保系统的稳定性和安全性；低功耗可以降低汽车的能耗。

标准与规范

车载以太网的相关标准主要有 IEEE 802.3bw、IEEE 802.3bp 等。这些标准规定了车载以太网的物理层和数据链路层的技术规范，确保了车载以太网的互操作性和兼容性。

应用场景

车载以太网在汽车中的主要应用场景包括智能座舱、自动驾驶、车联网等。在智能座舱中，车载以太网可以实现多媒体传输、信息显示、语音识别等功能；在自动驾驶中，车载以太网可以实现传感器数据传输、车辆控制等功能；在车联网中，车载以太网可以实现车辆与外部网络的通信。

车载以太网在智能座舱中的具体应用

多媒体传输

①应用案例

车载以太网可以实现高清视频播放、多屏互动等多媒体传输功能。例如，在汽车后座安装显示屏，通过车载以太网与前排显示屏进行多屏互动，为乘客提供更加丰富的娱乐体验。

②技术实现

车载以太网采用高速以太网技术，可以实现高带宽、低延迟的多媒体传输。同时，车载以太网还支持多种多媒体格式的传输，如 H.264、H.265 等视频格式和 MP3、WAV 等音频格式。

图1 – BWM i7二排效果

信息显示

①应用案例

车载以太网可以实现数字仪表盘、抬头显示（HUD）等信息显示功能。数字仪表盘可以显示车辆状态、导航信息等；HUD 可以将重要信息投射到挡风玻璃上，方便驾驶员查看。

②技术实现

车载以太网采用高速数据传输技术，可以实现快速、准确的信息传输。同时，车载以太网还支持多种显示技术，如 LCD、OLED 等，为用户提供更加清晰、直观的信息显示。

图2 – 华为AR HUD

语音识别

①应用案例

车载以太网可以实现语音助手、语音导航等语音识别功能。语音助手可以通过语音指令实现多媒体播放、导航等功能；语音导航可以通过语音指令实现目的地设置、路线规划等功能。

②技术实现

车载以太网采用高速数据传输技术，可以实现实时、高效的语音识别。同时，车载以太网还支持多种语音识别技术，如深度学习、自然语言处理等，为用户提供更加准确、便捷的语音识别服务。

车载以太网在智能座舱中的挑战

带宽需求

智能座舱中的多媒体传输、信息显示等应用对带宽的需求非常高。例如，高清视频播放需要大量的带宽支持，否则会出现卡顿、模糊等问题。因此，如何满足智能座舱对带宽的高需求是车载以太网面临的一个挑战。

实时性要求

智能座舱中的语音识别、信息显示等应用对实时性的要求非常高。例如，语音识别需要在短时间内完成语音信号的采集、处理和识别，否则会影响用户体验。因此，如何保证智能座舱中数据传输的实时性是车载以太网面临的一个挑战。

系统集成

车载以太网需要与其他系统（如 CAN、LIN）进行集成，这也带来了一些挑战。例如，不同系统之间的通信协议、数据格式等可能不同，需要进行转换和适配。因此，如何实现车载以太网与其他系统的无缝集成是车载以太网面临的一个挑战。

车载以太网在智能座舱中的优化方法

带宽管理

①优化方案

可以通过带宽管理技术（如 QoS、流量控制）优化带宽使用。QoS 可以根据不同应用的需求分配不同的带宽优先级，保证关键应用的带宽需求；流量控制可以避免网络拥塞，提高网络的稳定性和可靠性。

②实际案例

1.NXP车载以太网PHY芯片产品

恩智浦（NXP）提供了车载以太网PHY芯片产品，这些产品支持QoS和流量控制，以优化车载网络中的带宽使用。NXP的解决方案可以帮助避免网络拥塞，提高网络的稳定性和可靠性。

2.Microchip的10BASE-T1S以太网器件LAN8670/1/2系列

Microchip推出的LAN8670/1/2系列以太网器件，可以将低速设备连接到汽车应用中的标准以太网系统上，简化了系统设计。这些器件支持QoS和流量控制，有助于优化带宽使用，尤其是在网络边缘设备的连接中。

实时性保障

①优化方案

可以通过实时性保障技术（如时间敏感网络 TSN）优化数据传输。TSN 可以实现时间同步、流量调度等功能，保证数据传输的实时性和确定性。

②实际案例

TSN技术在车载信息娱乐系统中的应用，可以传输音频、视频等多媒体数据，确保数据的实时传递和同步。例如，高清地图和定位信息通过T-BOX经过中央网关传递给车机HUT和仪表；HUT车机上的多媒体视频流通过网关传输到两个后座的娱乐屏，要求在两个屏上同步播放同一个视频内容。这种应用场景需要大带宽、快速冗余切换和精准时钟同步，因此需要用到802.1AS-Rev、802.1CB、802.1Qci、802.1Qbv等协议来保证数据传输的实时性和确定性

系统集成

①优化方案

可以通过系统集成技术（如混合网络设计）优化车载以太网与其他系统的集成。混合网络设计可以将车载以太网与其他系统进行有机结合，实现优势互补。

②实际案例

1.赫千科技基于车载以太网的区域网关架构

赫千科技展示了基于车载以太网为骨干网络设计的区域网关架构。在这个架构中，传感器采集的数据通过车载以太网传输至对应的TSN区域网关进行数据交换，然后区域网关将对应的数据再通过车载以太网总线传输至中央计算平台进行运算处理。同时，TSN区域网关兼容CAN/CAN-FD通信，通过CAN总线、CAN-FD总线与相应CAN ECU进行信息交换，实现了车载以太网与其他车载网络系统的有机结合。

图3 - 赫千科技全光网络通信架构示意图

2.比亚迪Zonal架构采用千兆双以太网环网

比亚迪在其Zonal架构中采用了千兆双以太网环网技术，通过这种方式，车载以太网与其他系统如CAN、LIN等进行集成，实现了数据的高速传输和处理。这种混合网络设计不仅优化了系统集成，还提高了数据传输的效率和可靠性。

图4 - 比亚迪Zonal架构示意图

3.长城汽车第四代E/E架构中的车载通信

长城汽车在其第四代E/E架构中，通过车载以太网实现信息传输，优化了系统集成。这种架构通过混合网络设计，将车载以太网与其他系统如CAN、LIN等进行有机结合，实现了优势互补。

图5 - 长城汽车下一代全新电子电气架构GEEP4.0

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