摘要
新的IEEE汽車以太網標準不斷涌現，10BASE-T1S以太網是最新標準之一。本文討論汽車行業的發展趨勢，它們反映了汽車電子/電氣(E/E)架構的變化，以及新10BASE-T1S標準如何支持和推動這種新架構的部署。
大趨勢提供新機遇
汽車行業目前正在經歷大變革。汽車制造商需要快速針對幾個大趨勢提供解決方案，例如個性化、電氣化、自動化和全面互連。OEM需要徹底改變他們的E/E架構，以支持新功能。雖然這種變革帶來了重大的技術挑戰，但也為OEM提供了機會，讓他們開始考慮在E/E架構中不再使用基于獨立域的解決方案，因為隨著一代代平臺發布，此類解決方案隨著控制模組的不斷增加而變得笨重不堪。在架構發生這種重大改變后，OEM可以集中精力開發更出色的技術解決方案，同時通過汽車個性化、銷售服務和無線(OTA)升級等功能增加售后收入。該行業正在轉向一種常見的新架構，通常被稱為區域架構，并希望利用其他行業（特別是IT行業）的技術和經驗，使汽車成為車輪上的計算機。
區域架構按實際的物理位置，而不是按功能來決定連接，基于獨立域的架構屬于后者（按功能來決定連接）。這種改變大大減少了汽車中的電子控制單元(ECU)的數量，并且讓線纜總長減少達1 km1。其次，它讓硬件和軟件解耦，提供以服務為導向的架構(SOA)。許多OEM都開始大力投資軟件自主研發，希望能夠提供端到端解決方案，以簡化平臺集成，提供更多跨職能的功能。2這種可擴展的軟件平臺方法可以最大限度減少設計變更，增加新的收入來源，幫助減少長期的研發投資，縮短開發周期，同時支持多個車型系列。
這些革命性的架構變革帶來了很多挑戰，促使許多OEM對整個組織進行重組，從各個部門各自負責特定獨立域功能控制器，轉向集成度更高的跨職能組織。
汽車正快速成為使用以太網設備的主要領域，在汽車中廣泛部署以太網則成為成功推出這些新架構的關鍵基礎之一。以太網帶來了所需的擴展能力，支持多種速率等級，是一種成熟可靠的傳輸媒體，支持基于服務的架構，采用充分開發的安全和防護構建模塊。以太網采用定義明確、易于理解的OSI模型，能夠更輕松的管理整個車輛的復雜網絡。
圖1.汽車的區域架構
汽車領域的獨特需求
雖然可以利用其他行業的許多以太網基本概念，但汽車E/E架構有一些獨特的需求，因此需要開發新技術。對于汽車，一個關鍵因素就是減輕汽車的重量，這會直接影響到汽車的行駛里程。如今使用的電纜線束是汽車中最重的三個子系統之一（重達60千克）。3傳統的以太網電纜使用四個差分對進行數據傳輸，這會增大汽車的重量和布線復雜性，對汽車應用來說不是最佳選擇。為了解決這一問題，開發了新的IEEE標準，支持通過單對雙絞線進行以太網傳輸，此外，還通過區域架構縮短線纜線束的長度，以顯著節省線纜成本并減輕重量。
哪些因素驅動對10BASE-T1S的需求？
隨著基于區域的架構概念不斷發展，為了充分利用這種新架構的優勢，顯然需要將以太網連接擴展到終端傳感器和驅動器。現有的傳統連接技術（例如FlexRay和CAN）通常要求在網關中實現協議轉換，這可能導致成本、復雜性和延時增加。現有的汽車以太網技術（例如100BASE-T1）需要使用點對點交換連接，無法滿足支持終端連接應用向以太網過渡的系統成本要求。所以，IEEE呼吁提供解決此問題的方法。一些關鍵要求包括：4
- 實現比現有技術更快的通信速度；例如，CAN(FD)
- 取代FlexRay等傳統車載網絡技術
- 如果使用100BASE-T1連接ECU不經濟高效，則需要100BASE-T1的替代方案
- 能夠支持簡單、冗余的傳感器網絡連接
什么是10BASE-T1S？
10BASE-T1S規范是IEEE 802.3cg標準的一部分，于2020年2月發布。10BASE-T1S提供汽車以太網生態系統中缺失的一環，支持真正的以太網到邊緣連接，并滿足區域架構的需求。
10BASE-T1S與其他汽車以太網技術不同的一個獨特之處：它支持多點拓撲結構，所有節點都通過同一對非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供一個優化的BOM，只需在每個節點上部署一個以太網PHY，無需采用與其他以太網技術關聯的切換或星型拓撲。該標準規定必須支持至少8個節點（可以支持更多節點），總線長度必須達到25米。
圖2.10BASE-T1S總線拓撲
該標準的另一個新特點是物理層沖突規避(PLCA)，顧名思義，就是避免共享網絡上發生沖突。這種配置確保確定性最大延時主要由網絡的節點數量和要傳輸的數據數量決定。每個節點都會獲得傳輸機會。如果彼時一個節點沒有數據要傳輸，它會將傳輸機會移交給下一個節點，以充分利用可用的10 Mbps帶寬。
由于它是交流耦合系統，所以也支持10BASE-T1S網絡供電。這樣可進一步節省電纜，減小連接器的大小，并因電纜節省和連接器復雜性降低而實現更高的可靠性。數據線供電標準化(PoDL)可用于點對點配置，目前作為IEEE標準改進的一部分，也支持多點拓撲。
10BASE-T1S在汽車領域的應用廣泛多樣，多種傳感器和驅動器在車身領域、舒適性、信息娛樂以及ADAS系統中的跨多個功能應用仍在探討中。
結論
汽車E/E架構正在經歷一場重大變革。向區域E/E架構過渡迫在眉睫。10BASE-T1S提供缺失的鏈路，通過優化的以太網到邊緣連接支持這種過渡。在這個部署過程中，仍然需要克服一些問題，例如以太網連接會增加模塊實施方案的元件成本和復雜性。10BASE-T1S通過降低系統成本，以及提供多種支持不同類型的信號鏈分區的產品選擇來解決這些問題。ADI公司積極參與標準化活動，并與OEM密切合作，以積極推動10BASE-T1S的推廣和部署，確保滿足他們的系統要求。
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參考資料
1 Cariad。2021年5月。
2Ryan Fletcher。“端到端汽車軟件平臺用例。”McKinsey & Company，2020年1月。
3 Dan Scott。“現今汽車領域的線束開發。”西門子公司，2020年7月。
4 呼吁采用10Mb/s單根雙絞線以太網。IEEE 802.3以太工作組。
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