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1 介紹 車內信息娛樂系統設備的快速增長以及先進駕駛輔助系統ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)的興起創造了汽車內部設備間更高效率的互連需求，通過優于其他技術的優勢，以太網是汽車網絡的理想選擇。 塑料光纖(POF, Plastic Optical Fiber)，汽車產業大家所熟知的傳送媒介，現在已經可以提供千兆位的傳輸能力，使得它成為未來汽車以太網絡以及如攝像鏡頭點對點鏈路應用需求的完美解決方案。 2 汽車以太網絡 汽車已經快速成為家庭的延伸，信息娛樂系統越來越成為新推出汽車中連接鄰近設備和其它車輛的基本設備，上網和汽車基礎設施也逐漸成為汽車配備的未來產業標準。 同樣地，駕駛輔助也是提供汽車安全視線無死角，避免交通意外傷亡的主要途徑，因為汽車和基礎設施在設計上可以達到這個目標而不會受到駕駛的錯誤或蓄意影響，ADAS將加入其他的被動和主動系統成為標準的汽車配備。 這些功能豐富的信息娛樂和駕駛輔助系統將大幅度提高通信帶寬的要求，并且增加汽車網絡的復雜度，由于更復雜的汽車網絡會影響可靠性和可維護性，信息娛樂系統和駕駛輔助系統的增加就創造了新網絡解決方案的需求，超越目前無法提供汽車間通信的點對點鏈路或環形拓墣結構。 2.1 以太網提供可擴展性和高靈活性 控制器局域網(CAN, Controller Area Network)總線是一個在過去30年雄霸車用電子架構的通信協議，目前已經無法滿足未來汽車架構的需求，另一方面，以太網則可以提供新一代車內網絡架構需要的可擴展性和靈活性。 對于大多數汽車OEM廠商，可擴展性是一項關鍵的功能，可以藉由平臺方式使用于多個汽車生產線，這個可擴展性通過使用可以允許每部汽車分別進行訂制的網絡技術加以支持。 高靈活性同樣也是允許汽車OEM廠商提供用戶多個車款訂制而不需更改網絡的關鍵功能，網絡配置將自動適配到車內配備的特定設備，汽車制造商不需特別為每個車型進行網絡配置。 2.2 上下通信層的以太網應用 以太網可以做為標準化IP診斷接口的下通信層，由ISO 13400互聯網協議診斷通信(DoIP, Diagnostic Communication over Internet Protocol)制訂，預料將由全球大多數汽車OEM廠商采用。這個基于和互聯網使用相同IP協議的接口可以簡化汽車內系統的診斷，作為下層技術，以太網可以平順地和IP介接，這也是為何它目前普遍應用于互聯網連接網絡的原因之一。 以太網同時也帶來和其它上層協議的無縫連接，舉例來說，它可以協助影音同步或及時信息的安全傳輸，而對于信息娛樂網絡非常重要的影音同步(AVB協議棧、IEEE 802.1 Qav、802.1 AS、1722)則可以確保汽車內不同屏幕和揚聲器間影音的同步。 同樣地，由精確時間協議棧(IEEE 1588v2和1722)成提供的及時信息非常重要，特別是對ADAS，可以確保信息可以到達目的地而沒有延遲，以滿足安全應用的要求。 2.3 分層架構的以太網骨干 所有主要汽車制造商都同意將汽車內分割成不同功能方塊的好處，在這個新的結構上，汽車將由數個不同領域的設備共同工作并分享信息，相關的例子如動力系統、車體控制、傳輸和安全系統等。 在每個領域中，使用的連接形式將基于所需執行的功能以及各領域的需求，典型的跨領域網絡將基于FlexRay、MOST、以太網(第一代基于BroadR-Reach)、CAN或LIN等。 為了滿足分層架構帶來的新需求，將需要一個寬帶網絡進行所有領域間的可靠通信，目前以太網看來可能是最好的選擇，然而，千兆位速度的最佳物理層尚在討論之中，基于POF的光學物理層可以提供1Gbps的帶寬需求，滿足目前和新一代系統的要求，同時帶來更低成本和更輕重量的優勢。 圖1為目前使用的集中式架構，在這個架構中，單一中央閘道器(CGW, Central GateWay)提供了CAN連線、LIN連線、FlexRay連線以及MOST連線。 在分布式骨干架構中，汽車次系統被區分為可以擁有單一網絡技術，如CAN或以太網的區域群組，也可混合使用各種技術。 
圖1：集中式架構。
圖2：具有可選冗余路徑的菊花鏈骨干。 通過新基于領域的架構，創造了連接所有領域控制單元(DCU, Domain Control Unit)和每個領域間交換的骨干需求，雖然有數種骨干結構可以選擇，但看起來最有競爭性的是提供可選冗余路徑的菊花鏈骨干。 由于通過單一骨干連接所有領域，它的規模必須依照領域間數據移動量的大小自動調適，對于未來的預估顯示，ADAS和信息娛樂系統加上汽車內原有的每個領域，將需要1Gbps速度的骨干。 3 汽車應用環境的獨特挑戰 汽車網絡使用的網絡技術物理層必須符合汽車環境的獨特挑戰，并且不能大幅度提高成本，系統的最終成本不僅由性能本身決定，也受到汽車環境條件的影響，而這在大多數的案例中則會提高最終成本。 汽車網絡面對的挑戰包括： ●震動 使用的網絡技術必須可以承受汽車在持續行進環境中既有的震動，震動會影響所有的機構配件，特別容易對電連接器造成傷害，因此對電纜和連接器帶來了嚴格的限制。 ●溫度 汽車中不同領域的溫度范圍會因網絡位置而有所不同，大多數汽車領域的最高溫度約為105℃。 ●重量 使用作為網絡媒介物質的重量非常重要，因為它直接影響到油耗和成本，以及相關的碳排放。 ●成本的可預測性 基于銅的物理層因銅價的不可預測性而受到影響，過去10年銅價大幅度上揚，無法穩定地預估成本就成為影響基于銅電纜解決方案的負面因素。 ●電磁兼容性(EMC, ElectroMagnetic Compatibility) 電磁幅射和干擾是汽車網絡面臨的一個重大挑戰，基于電氣的通信，如使用銅作為物理層特別容易受到電磁干擾(EMI, ElectroMagnetic Interference)。 ●長度 汽車網絡的典型長度大約為5米，部分網絡可能延伸到15米，汽車網絡中使用的任何通信技術必須能夠在涵蓋這些長度范圍的同時提供足夠的信噪比(SNR, Signal-toNoise Ratio)裕度。 3.1 汽車網絡的POF骨干 POF為汽車網路的理想骨干，作為光學媒介，POF不會有基于電氣實體層如EMI、重量和成本可預測性的典型限制，相較于其它采用硬包層光纖，因MOST和FlexRay協議而著名于汽車市場的POF更加容易處理并且安裝和維護成本更低，最后，由于KDPOF技術，由VDE和ETSI制訂，POF可以克服現有的光電限制，達到嚴格汽車標準要求的1Gbps性能。 為了滿足汽車環境的獨特挑戰，POF提供了相較于銅纜解決方案甚至硬包層光纖更好的幾個優勢。 ●震動 由于POF為光學技術，不會使用電氣接點，因此可以避免因震動引起的電氣噪聲，而POF的較大核心直徑(1mm)也使它足夠穩固，可以不受震動產生噪聲的影響。 ●溫度 POF是一種相較于銅電纜或硬包層光纖更容易受到溫度影響的聚合物材料，然而，應用于最常見汽車環境高溫范圍的POF解決方案使得POF可以使用于所有目標汽車領域中，另外，雖然光收發器目前的溫度上限為95℃，最新的Avago千兆位級POF收發器已經把目標訂在達到105℃。 ●重量 POF要比銅電纜輕上許多，只有UTP Class 5銅電纜的六分之一，POF較輕的重量擴展到汽車中的所有通信連線后，可以帶來比銅電纜大幅度的重量優勢。 ●價格的可預測性 聚合物是一種不會受到市場價格波動影響的材料，相反的，銅則會有大幅度的價格波動，過去10年來上下浮動超過4倍，如圖3，2002年銅價為每磅USD$1.00，2012年則接近每磅USD$4.00。
圖3：1989年到2012年銅價變化趨勢圖。(來源：InfoMine) ●電磁兼容性(EMC) 系統設計工程師較為喜歡如POF等不受電氣噪聲影響的光學解決方案，這就轉化成為更好的噪聲裕度和更為簡單的系統方案，系統測試可以通過更低的開發成本和更短的上市時程而簡化。 ●長度 千兆位POF技術可以延伸典型的汽車15米目標長度達到40米，加上所有線上的連接器，因此可以為巴士和卡車提供新的應用，并在同時符合較短車輛目標的嚴格噪聲裕度。 3.2 低速鏈路用POF 雖然POF技術可以達到1Gbps的帶寬，但也可以應用在現有的100Mbps系統上，這代表了POF不僅可以符合未來汽車網絡應用需要千兆位骨干的需求，也適合現有車內較低速度的通信總線應用。 POF應用于較低速應用的兩個關鍵范例包括混合動力或電動火車以及巴士和卡車，對于EMC有非常高的抗擾度要求，混合動力或電動火車為如POF等可抵抗電氣噪聲解決方案的理想環境，由于在這些環境中使用了相當大的電池，因此重量就成為重要的關鍵，POF較輕的重量提供相較于其他技術的明顯優勢。 對于較大規模的巴士和卡車，基于POF的較低速解決方案可以將網絡延伸到超過40米，甚至超過100米，為巴士和卡車提供新的應用可能。 4 以太網攝像鏡頭應用 汽車市場目前的趨勢是在車上裝載更多的攝像鏡頭，因為安全相關的影像應用已經逐漸成為現今汽車的標準，依諮詢公司TSR預估，集成CMOS傳感器汽車攝像鏡頭的車輛比例已經由2008年的20%大幅度提高到2013超過70%。 車載電子視覺系統的開發對于汽車市場是一個逐漸發展的領域，特別是對駕駛和其它道路使用者，包括弱勢道路使用者如行人安全要求的提升上，汽車攝像系統在設計上可以顯示汽車周圍區域，通常會涵蓋汽車的盲點。 主要汽車市場如歐洲、日本和北美目前已經開始進入立法以協助避免對弱勢道路使用者的傷害，并特別強調視覺系統的使用，這個趨勢目前也快速推動ADAS系統的采用，請參考圖4，先前只在高端車輛中使用，這些新的安全系統會在生產成本大幅度降低后快速被加入較低端汽車上。
圖4：ADAS系統物體檢測。 產業預估，2017年車輛不僅可以在沒有ADAS下達到目標五星級新車評價規程(NCAP, New Car Assessment Program)，因此，領先汽車制造商必須在其時加入至少一個ADAS系統作為標準配備，隨著ADAS系統的大幅度成長，如圖5，將創造能夠連接車內所有攝像鏡頭、電子控制單元(ECU, Electronic Control Unit)和人機界面(HMI, Human Machine Interface)高效率技術的市場需求。
圖5：車載視頻系統的增幅預估。(來源：IMS、Strategy Analytics (SA)、Gartner、ABI Research div、半導體廠商) 作為例子，汽車通常最少會有5個盲區需要數個視覺攝像鏡頭提供區域安全掃描，如圖6，包括左方駕駛座的5個盲區可由圖中看出，盲區的大小則由車輛的設計和鏡子的視角決定。
圖6：大多數汽車的5個典型盲區。(來源：ISVCS 2008 July 22 - 24, 2008，愛爾蘭都柏林) 部分汽車制造商已經推出或計劃推出360度影像系統，采用最少4個攝像鏡頭提供車輛周圍的整合影像，如圖7。
圖7：360度影像系統示例。 5 互連替代方案 汽車攝像鏡頭目前并沒有單一標準接口，專用串行鏈路是目前最常見的攝像鏡頭接口。 攝像鏡頭和影像處理單元(IPU, Image Processing Unit)或顯示屏間的接口決定了同一系統內不同攝像鏡頭互連的方式，例如LVDS就是一個僅允許鏡頭和IPU或顯示屏點對點連接的接口。 如果系統由多個攝像鏡頭和一個影像處理單元組成，那幺只可以使用每個鏡頭與中央單元間直接連接的拓墣，當汽車具有多個ADAS并且每個ADAS都由數個互連攝像鏡頭組成時，那幺直接連接的方式就會造成無法接受的接線長度以及連接器和接口數量。 如果使用以太網作為攝像鏡頭接口取代LVDS專用鏈路，那幺就可簡化網絡，雖然使用如LVDS一樣的點對點接口，以太網采用封包交換方式，可以在不需重新配置系統軟件和硬件的條件下任意擴展或縮減，網絡拓樸更為簡化，圖8為以太網較為簡化布局與LVDS的比較。
圖8：以太網和LVDS在連接4個攝像鏡頭到影像處理單元(IPU)時的比較。 專用直接連線可以帶來可預測數據到達時間的好處，因為在連線上并沒有封包交換，因此不會有非預期的延遲，以太網可以通過在上層使用如影音橋接(AVB, Audio Video Bridging)等協議達到相同的預測性，不過這需要更復雜的計算。 總的來說，在直接連線、簡單連接和基于以太網連接間會有取舍，對于簡單的單一攝像鏡頭系統，直接連線是最好的選擇，然而當使用復雜的ADAS系統時，以太網接口和拓墣就成為最適合的技術。 5.1 POF作為物理層 在ADAS系統中連接攝像鏡頭和影像處理單元或顯示屏的物理層可以使用KDPOF的1Gbps POF技術搭配Avago的光收發器，如圖9，由Yazaki公司實現于小尺寸連接器系統中，如圖10。
圖9：Avago的光收發器對。
圖10：Yazaki公司的小尺寸連接器系統。 KDPOF專用標準產品(ASSP, Application Specific Standard Product)可以直接連接專用數據鏈路如DVP或通過原生以太網連接端口如RGMII或SGMII進行介接，這代表不管是LVDS型式或基于以太網的ADAS系統都可以簡單地以KDPOF產品架構完成。 5.2 POF相較于銅電纜系統的優勢 圖11顯示了一個ADAS應用中KDPOF千兆位POF技術的實際范例，圖中顯示的原型機由2個通過POF連接到IPU的攝像鏡頭以立體模式組成，顯示屏顯示經過形狀識別和深度計算的影像，作為如碰撞警告，行人檢測或智能定速控制等駕駛支持的功能輸入，攝像鏡頭以1280 x 800像素大小進行30fps幀采樣，取得的二進串流為960Mbps。
圖11：采用立體配置連接的2個車用攝像鏡頭，接口通過POF送出1Gbps數據到IPU。 攝像鏡頭的起始配置可由兩個方式完成，第一個選擇為基于雙工POF，使用一條光纖作為上行鏈路，另一條作為下行鏈路，第二個選擇則使用單工POF將影像數據傳送到IPU，使用并行簡化且低成本的LIN型銅電纜對作為送出啟動配置到攝像鏡頭的通道，這個并行通道同時也可以用來遠程提供攝像鏡頭電源，節省額外的電纜對，圖12描述了這兩種選擇。
圖12：以太網POF攝像鏡頭控制的不同作法。 結論 隨著信息娛樂網路和ADAS系統日益增長的需求，轉移到新骨干拓樸的趨勢也越來越明顯，以太網的優勢，加上使用KDPOF 1Gbps塑料光纖ASSP、Avago光收發器和Yazaki公司小尺寸光連接器的組合，提供了一個可以滿足汽車網絡不斷變化需求的高擴展性和靈活性解決方案。 安華高科技供稿 |
