车载以太网硬件方案（万字概览）

随着整车集中式EE架构和自动驾驶的发展，域内数据传输的数据量要求越来越高，车载以太网在主干网通信中的作用愈发显著。

本篇重点介绍车载以太网的硬件方案，主要包括：

1. 主流车载网络技术对比；
2. 车载以太网主要协议和发展趋势；
3. 车载以太网硬件方案：PHY、Switch、硬件接口等；
4. 车载以太网芯片市场和主要玩家；

01 主流车载网络

目前主流车载网络技术的对比如下：

资料来源：裕太微-U 招股书、亿欧智库、中国汽车工业信息网等，山西证券研究所。（注意：基于LVDS的SerDes技术传输速率已经远高于655Mbps）

其中：

1. CAN（Controller Area Network）总线成本低，可靠性高，广泛用于汽车动力系统、底盘和车身电子等领域。CAN 总线具有多主仲裁的特点，不过在每个时间窗口里，只能一个节点赢得控制权发送信息，其他节点都要变为接收节点，因此 CAN 总线只能实现半双工通讯。
2. LIN（Local Interconnect Network）通信技术于 2001 年运用于汽车工业，作为 CAN 网络的一种补充，也属于一种低成本的串行总线技术。相比 CAN 总线，LIN的成本更低，不过带宽仅有不到 20Kbps，多应用于带宽要求不高的舒适系统（车门、天窗、座椅等）。
3. FlexRay 总线是为应对汽车线控技术对数据传输高速、可靠性高和确定性高的要求，由戴姆勒奔驰、宝马等公司 1999 年推出，具备故障容错能力，还具备冗余通信能力，支持各种拓扑结构，常被用于需要持续及高速性能的场景。FlexRay总线重要是线控制动、线控转向等。FlexRay成本与车载以太网差不多，而通讯速率又远低于车载以太网。
4. MOST（Media Oriented Systems Transport）是由德国MOST 合作组在2001年制定的一个针对汽车领域的多媒体应用通信标准。MOST总线最大带宽为150 Mb/s，损耗小、抗干扰性强，多应用于汽车多媒体娱乐系统、汽车 GPS 导航系统、车载电话等。MOST扩展性差，技术开发周期长，专利技术成本昂贵，主要应用于部分中高端车中。
5. 汽车以太网使用非屏蔽的单绞线，成本低，速率高、可靠性高。随着集中式EE架构和自动驾驶技术的发展，车载以太网极具发展潜力。

不同通信方式价格和速率的对比：

资料来源：腾讯云开发者社区

主要应用场景：

图片来源：搜狐网百佳泰检测认证，山西证券研究所

不同通信技术的发展趋势估计：

图片来源: Intrepid Control System, HSBC Qianhai Securities

02 车载以太网简介

以太网诞生于1973年，发展到今天，已经具备技术成熟、高度标准化、带宽高以及低成本等诸多优势，在全球范围内形成了庞大的以太网生态系统。

以太网联盟将以太网的应用分为以下五个大类：

参考来源：Ethernet Alliance

1. 发展历程和特点

2000年，宝马公司率先在其7系轿车上使用了以太网技术，用于车内诊断系统（OBD)。

2008年，博通公司推出了BroadR-Reach技术，实现了在单对非屏蔽双绞线上的100Mbit/s的车载以太网通信，打破了以太网技术在汽车领域的应用障碍。

2010年，单线对以太网联盟（One-Pair EtherNet Alliance，OPEN Alliance)成立，旨在推动车载以太网技术的标准化和普及。

车载以太网在一般以太网技术的基础上，针对车内通信技术需求，进行了许多优化和改良，具体如下：

1. 使用单对双绞线、满足汽车电磁辐射标准等要求。车载以太网使用单对非屏蔽电缆以及更小型紧凑的连接器，使用非屏蔽双绞线时可支持 15m 的传输距离（对于屏蔽双绞线可支持40m），这种优化处理使车载以太网可满足车载EMC要求。
2. “一对数据线供电”PoDL。普通的以太网供电PoE技术通常采用4对电缆提供15.4W的供电功率。为满足汽车轻量化要求，车载以太网开发了PoDL，可在1对线缆上同时支持供电与数据传输，为电子控制单元ECU 的正常运行提供12VDC或者5VDC供电电压。
3. 电缆诊断。电缆诊断功能可以通过分析反射信号的幅度和延迟，来检测电缆的故障位置，实现车载以太网连接的高度可靠性。
4. 高能效以太网。高效能以太网技术可以灵活关闭不在用的网络，以降低耗电量。
5. 时间同步。车载以太网采用IEEE 802.1AS的定时同步标准，该标准用一种更简单快速地方法，确定主时钟，规定了广义的时间协议。
6. 时间敏感网络。车内的许多控制要求通信延迟要在微秒级，IEEE 802.3 工作组开发了一种高优先级的快速包技术，使得快速包可插入到正在处理的包队列中被优先处理，以保证延迟在微秒级范围内。详见《自动驾驶关键技术（一）：时间敏感网络TSN》 

2. 标准化组织

在车载以太网的标准化方面，IEEE 802.3 工作组、汽车开放系统架构联盟 AUTOSAR、OPEN联盟以及 AVnu 联盟 4 个标准化组织或联盟起到了主要的推动作用。

资料来源：中国汽车工业信息网

其中，最重要的组织是OPEN Alliance，该组织是一个由汽车行业和技术行业的领导者组成的非营利组织，旨在推动车载以太网技术的标准化和普及。

3. 主要协议

车载以太网及其支持的上层协议架构如图所示：

图片来源：网络

车载以太网主要涉及OSI的Layer1（PHY物理层）和Layer2（MAC数据链路层）。

图片来源：网络

依据IEEE 802.3以太网通信层次模型，PHY和MAC的包含的子层：

1. PHY 是物理接口收发器，包括xMII接口、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质相关）子层以及MDI接口。
2. MAC（Media Access Control，媒体访问控制），提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。MAC协议主要负责控制与连接物理层的物理介质：
3. 在发送数据的时候，MAC 协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息（封装数据包），最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；
4. 在接收数据的时候，MAC 协议首先判断输入的信息是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息（解析数据包）发送至 LLC 层。

车载以太网物理层采用博通公司的BroadR-Reach技术，该技术可用一对非屏蔽双绞线（UTP）实现100 Mb/s的传输速度。BroadR-Reach的系统框图如下，相对普通百兆以太网，该方案成本明显降低。

资料来源：OPEN ALLIANCE 官网

车载以太网的物理层由OPEN Alliance进行标准化，IEEE在此基础上发布了以下车载以太网标准：

目前应用最广泛的是100BASE-T1和1000BASE-T1。

图片来源: Shujubang.com, HSBC Qianhai Securities

4. 发展趋势

车载以太网技术也不断创新，速率在不断提升，另外还出现一系列的新技术，如时间敏感网络（TSN)、面向服务的车辆诊断（SOVD)、车载以太网供电（PoDL)、车载以太网光纤等。

以太网技术的发展路线：

数据来源：Ethernet Alliance

应用趋势：

数据来源：Ethernet Alliance

未来，考虑到自动驾驶对数据传输的需求，以及为满足车内功能安全的要求、中央与区域控制器之间大量的数据传输迁移以及软件算法的交互，10G车载以太网可能会成为Zonal架构中的数据主干链路。

来源：北汇信息

02 硬件实现方案

从硬件的角度，以太网接口电路主要由物理层接口PHY和数据链路层MAC两部分构成，硬件架构如下图所示：

图片来源：裕太微

1. PHY芯片

PHY芯片实现数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。

PHY芯片是一个复杂的数模混合芯片系统，芯片中包含高性能SerDes、高性能 ADC/DAC、高精度 PLL 等 AFE 设计，同时也包括滤波算法和信号恢复等 DSP 设计。其中，模拟电路主要负责模拟信号与数字信号之间的转换，数字电路负责数字信号的处理，实现降噪、干扰抵消、均衡、时钟恢复等功能。

图片来源：裕太微

以太网PHY芯片的技术水平主要体现在几个关键方面：传输速率、传输稳定性、可靠性、抗干扰能力、功耗水平和传输距离。

PHY芯片的研发难度较高，涉及复杂的数模混合系统设计，如高性能SerDes、ADC/DAC、高精度PLL和DSP设计等。模拟电路设计强调高信噪比、低失真和高可靠性。时钟数据恢复（CDR）对于高速串行总线至关重要，需要进行高效的抖动管理，尤其是高频抖动。

2. 集成方案

在传统消费以太网中，MAC与PHY通常集成在一起：

图片来源：网络

而在车载以太网中，考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，一般都将MAC集成在MCU或者Switch中，PHY则采用独立芯片存在。

图片来源：网络

3. 硬件接口

MAC与PHY之间是通过SMI和MII两类接口连接。

• MII（Media Independent Interface，介质独立接口），用于传输数据。
• SMI（Serial Management Interface，串行管理接口），MAC通过该接口对PHY进行控制和管理。SMI接口包括MDIO（数据）和MDC（时钟）两个信号线。

图片来源：知乎Defry

MII接口有许多衍生版本，如RMII、GMII、SGMII、RGMII、XGMII等。不同的前缀含义：

• R：Reduced（精简）
• S：Serial（串行）
• G：Gigabit（千兆位）
• XG：10 Gigabit（万兆位）

1）百兆接口

• MII

基础的MII接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，传输数据需要16根信号线，硬件接口如下：

• RMII

RMII（Reduced Media Independent Interface），相比于MII接口，RMII对于信号线做了裁剪和合并：TXCLK和RXCLK合并为一个时钟信号REFCLK；时钟速率由25MHz上升到50MHz，单向数据由4位变为2位；CRS和RXDV合并为一个信号CRSDV；取消COL信号。

RMII数据传输只需要8根信号线，硬件接口如下：

除了RMII之外，还有SMII、SSMII和SSSMII等接口，此处不再展开，详见参考文献。

2）千兆接口

• GMII

GMII（Gigabit Media Independent Interface），GMII接口的数据速率可达1000Mbps（125MHz时钟频率，8位数据位宽）。GMII向下兼容MII（支持100Mbps和10Mbps的数据速率），需要24个信号线，硬件接口如下：

• RGMII

RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface），对信号线做精简，只需要13个信号线。在1000Mbps模式下，在时钟的上/下边沿均采样数据，在10/100Mbps 模式，数据仅在时钟上升沿采样。

• SGMII

SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface），采用LVDS信号线，进一步减少信号线数量。SGMII接口的收发各1对LVDS信号，再加1对差分时钟，共6根线。如果系统中MAC/PHY包括时钟恢复电路（CDR, Clock and Data Recovery circuitry ），TXCLK还可以省略，此时SGMII接口只需要4根线。

SGMII发送和接收时钟频率均为 625MHz，采用 DDR 模式，数据速率为1.25Gbps。

大多数MAC芯片的SGMII接口都可以配置成SerDes接口（物理上完全兼容），直接外接光模块，而不需要PHY层芯片，此时时钟速率仍旧是625MHz。

3）万兆接口

万兆以太网接口的分层关系和接口如下：

• XGMII

XGMII（10 Gigabit Media Independent Interface），包括32位数据通道（RXD&TXD），两组4位控制通道和两组收发时钟，时钟频率156.25MHz，工作在DDR模式。硬件接口示意图：

其中RXD/TXD信号上的“36”表示32位数据+4位控制信号，其中每8bits数据称为1个Lane，共用1路控制信号。传输速率=156.25MHz 32bits 2=10Gbps。

• XAUI

XGMII信号线数量较多（74根），该接口的PCB上走线的最大传输距离仅有7cm，因此通常用于芯片内的连接，不适合作为芯片间通信的接口。因此，协议定义XGXS（XGMII eXtender Sublayer）子层以缩减信号数目，简化硬件设计。

XGXS子层主要完成8b/10b编码和不同Lane之间的去偏斜等功能。在MAC和PHY都包括XGXS子层，它们之间的接口是XAUI（10 Gigabit Attachment Unit Interface，10G附属单元接口）。

XAUI接口包括4组发送差分对和4组接收差分对，共16根信号。每组差分对（Lane）的数据速率为3.125Gbps，因此总的数据速率为4 3.125Gbps=12.5Gbps，考虑到8b/10b的效率为80%，因此实际数据速率为12.5Gbps 80%=10Gbps。

XAUI可以将PCB走线的距离增加到50cm，使得布线更为容易。另外还有RXAUI接口，RXAUI是XAUI的精简版，由4个lane（3.125Gbps/line）变成2个（6.25Gbps/line）。

备注：有些芯片只支持XGMII接口，不支持XAUI接口，这时需要用专门的芯片进行XGMII到XAUI的接口转换，如BCM8011等。

• XFI

XFI是10G以太网 PMA（PHYsical Medium Attachment）和PMD（PHYsical Medium Dependent）之间的接口标准，XFI只有两对差分线（收/发，共4根线）。XFI接口速度达到10.3125Gbps，采用64B/66B编码。

4. Switch芯片

Switch芯片是多节点的车载以太网互联的重要器件，Switch将多个设备连接在一起，灵活实现数据的转发和管理。

车载Switch芯片一般集成PHY、MAC和处理器，可以工作在物理层、数据链路层、网络层和传输层，实现丰富的网络交换和管理功能，包括：

1. 面向数据链路层的高性能桥接（二层转发）；
2. 面向网络层的高性能路由（三层路由）；
3. 面向传输层及以下的安全策略技术（ACL）；
4. 数据包的过滤和分类、流量调度和管理；

以太网交换机降低了ADAS和信息娱乐域的摄像头部署成本：

资料来源：OPEN ALLIANCE 官网

以88Q5050为例，Switch一般由CPU子系统和Switch核心组成。

资料来源：知乎，养生飞

Switch将各端口的报文转发到其他端口上，数据流如下所示。

车载Switch芯片正朝高交换容量、多端口配置方向进化。以太网联盟预测，智能汽车单车以太网端口将超过100个。例如，Marvell的Brightlane Q622x系列中央汽车以太网交换机，专为汽车Zonal架构设计，交换容量高达90Gbps。

5. 传输介质

以太网的传输介质主要有光纤和铜双绞线两类。

1. 光纤的传导损耗低、传输距离远，被广泛用于长距离数据传输，例如电信运营商和数据中心等。光纤质地脆、机械强度差、弯曲半径大且光电转换器材成本较高。
2. 铜双绞线机械强度好、耐候性强、弯曲半径小、无需光电转换设备，是数据传输“最后一百米”的最优解决方案，例如智能楼宇、终端设备、企业园区应用、工业控制以及车载。

数据来源：Ethernet Alliance

2023年8月，IEEE 802.3cz-2023 标准即“IEEE 以太网物理层标准修正案 7：多千兆比特玻璃纤维光纤汽车以太网的物理层规格和管理参数”起草完毕，并由 IEEE 标准学会（IEEE SA）最终发布。

该标准规定每信道的速度为 2.5、5、10、25 和 50 Gb/s，最大链路长度为 40m。它符合-40ºC 至+105ºC 的汽车温度要求和 OEM 可靠性要求，在 10 FIT（故障率）下至少运行 15 年。

对于更高的速度，汽车要求要求从铜到光物理数据传输。由于其无与伦比的电磁兼容性、可靠性和低成本，光学以太网连接完美地解决了车辆的挑战和电气干扰：

• EMC：光纤本质上不受电磁干扰，不会发射击干扰，从而节省了大量额外的开发时间和成本。
• 温度：光纤电缆可承受-40ºC 至+125ºC 的极端温度范围，用于环境运行。
• 功耗：更简单的信道允许比铜更低的功耗，这要归功于更简单的 DSP/均衡化，并且不需要回声消除。
• 可靠性/耐用性：980 nm 波长的选择使 VCSEL 设备符合汽车可靠性和寿命。
• 内联连接器：由于不需要屏蔽，连接器更小，机械更坚固。
• 功率开销：与铜相比，在 40 m 的长度上，最多可以插入 4 个内联连接器速度为 25 Gb/s的和 2 个内联连接器速度为 50 Gb/s。使用铜只能插入 2 个内联连接器，最大长度为 11 m和 25 Gb/s。
• 成本效益：OM3 光纤的较低直径可实现显著的成本效益。相比之下，25GBASE-T1 的铜屏蔽差分对（SDP）的线芯是 AWG 26（0.14 mm2）和 AWG 24（0.22 mm2）。作为参考，Cat6A 电缆的线芯通常是 AWG 23。

据报道，2024年初，长飞光纤光缆股份有限公司（以下简称“长飞”）推出智能汽车光纤通信解决方案（https://new.qq.com/rain/a/202...）。

该方案基于车载以太网架构和车规级石英光纤通信标准IEEE802.3cz，通过光电转换模块将汽车自有的电信号转化为光信号，以车载光连接器和车载石英多模光纤光缆作为物理层传输介质进行信号传输，具有高速率、高可靠性、低损耗、无串扰，抗电磁干扰、小体积，易于安装和轻量化的特性。

图片来源：长飞光纤

图片来源：长飞光纤

03 市场和主要玩家

1. 市场情况

1）PHY

据统计，Marvell、博通（Broadcom）、瑞昱（Realtek）、TI和NXP五家企业占据了车载以太网物理层芯片99%以上的市场份额。

2）Switch

车载以太网Switch市场格局高度集中，同样为境外国际巨头主导。

全球汽车以太网交换芯片市场前7强生产商排名及市场占有率(2022年)：

来源：Mouser

根据Mouser提供的数据，在2022年，TOP3厂商（Broadcom、Marvell、Microchip）占有了全球市场约22%的份额。

• 第一梯队：Marvell和博通，都有最高支持 802.3ch 的产品（2.5/5/10GBASE-T1）。博通价格较高，产品线较长；Marvell价格略低，更聚焦汽车和企业网络领域。
• 第二梯队：如Micro Chip、NXP和瑞昱，通过提供特定的解决方案和优化成本效益比来满足市场需求。恩智浦的整体解决方案聚焦于汽车领域，瑞昱则通过高性价比满足大众市场的需求。
• 第三梯队：以中国本土企业为主，国科天迅、裕太微、昆高新芯、物芯科技、盛科通信等。

车载以太网交换芯片部分玩家：

来源：与非研究院

2. 国外玩家

Marvell车载Switch芯片型号众多，包括：88Q2120、88Q5072、88Q6113、88Q5050、88Q5052、88Q5030等等。

其中，Marvell 88Q5050车载以太网交换机结构如下：

另外还推出Brightlane Q6222/3，专门为汽车Zonal架构而设计。

其中，Q6223带宽达90 Gbps。Q6222包含9个60 Gbps端口，其中有五个10G SerDes端口、四个2.5G SerDes端口和两个1000Base-T1 PHY可供选择。

Q6222系统框图：

来源：Marvell

博通（Broadcom）PHY芯片有BCM89810、BCM89811等。

瑞昱（Realtek）千兆PHY芯片有RTL9010，Switch有RTL9068、RTL9047等。

NXP车载百兆PHY有TJA1100、TJA1101等，Switch有SJA1105，5端口汽车以太网交换机，支持IEEE音频视频桥接（AVB）和时间敏感网络（TSN）标准。连接到PHY和主机处理器的系统图：

3. 国内玩家

1）裕太微

裕太微电子成立于2017年，是中国大陆为数不多的拥有自主知识产权并能够大规模销售以太网物理层芯片的供应商之一。

裕太微电子是国内首家在车载PHY领域通过OPEN Alliance IOP认证的企业，其2.5G PHY芯片已量产，技术实力和规模在国内处于领先地位，2021年市场份额占比为2%。

目前，裕太微车载以太网百兆PHY芯片YT8010和千兆PHY芯片YT8011。

百兆PHY芯片YT8010和友商产品的性能对比：

资料来源：裕太微-U 招股书，山西证券研究所

YT8011系列千兆PHY，拥有完全自主知识产权，采用高速DSP技术、高性能SerDes和AFE设计，能在CAT5E低成本非屏蔽双绞线上传输60米以上的双向数据流，满足车载雷达、环视、自动驾驶等高速数据传输应用需求。

YT8011的应用：

图片来源：裕太微

2）景略

源自Marvell的核心团队，致力于为车载、工业、企业领域提供高性能的以太网PHY、Switch及相关SoC产品。千兆PHY产品有JL3113（兼容88Q2112）。Switch产品有JL3851（兼容BCM89551）

2019年，景略半导体成为国内首家成功流片车载千兆以太网PHY芯片的公司，

2020年，基于EtherNext™技术推出Cheetah™系列车载以太网PHY产品。

2021年世界半导体大会上，展示了BlueWhale™全新一代L2/L2+网络交换机Switch芯片技术。

3）其他

• 傲芯科技，于2021年3月成立，获得小米投资，聚焦于车载通讯芯片（如车载收发器CAN/以太网PHY芯片）的研发设计与销售。
• 昆高新芯，成立于2019年，专注于时间敏感网络（TSN）交换、PHY和网关芯片的研发，旨在为工业互联网、自动驾驶、智能电网、轨道交通等领域提供国产高端芯片解决方案。该公司已与多家车厂、工业互联网厂商等建立合作，推出基于自有TSN交换、PHY和网关芯片的整体解决方案，已完成千兆PHY及网关芯片产品设计及流片。
• 鑫瑞技术，主要从事智能以太网交换及接口芯片的设计，是一家专注于智能以太网领域的芯片设计公司。开发了XR8010车载百兆以太网PHY，以及XR86114和XR86118为千兆以太网PHY等产品。
• 睿普康，主要从事智能物联网终端通信芯片的设计开发，开发RPC8211E/F以太网千兆PHY芯片，RPC8201F以太网百兆PHY芯片。千兆PHY芯片RPC8211E/F性能对标瑞昱的RTL8211，RPC8211E/F兼容1000Base-T、100Base-TX、10Base-T还能支持节能以太网，传输距离在1000Base-T中支持120m的CAT.5电缆。
• 和芯润德，开发SR8201F（I）单口百兆以太网PHY芯片，在通信、物联网领域应用广泛，已经应用到华为海思、安凯微电子、瑞芯微电子、炬力科技、兆易创新、乐鑫、君正等公司的数十款MCU中。
• 楠菲微电子，开发了两款以太网PHY芯片，SF1004和SF1204。两款芯片均为4端口，SF1004为千兆，SF1204为万兆。

如下是与非研究院整理的部分以太网PHY芯片供应商（截止2023）

图片来源：与非研究院整理

本文内容仅代表个人观点，和真实情况有可能有偏差，仅供参考。

参考资料：

1. 知乎Defry，车载以太网，https://zhuanlan.zhihu.com/p/...
   https://zhuanlan.zhihu.com/p/...
   https://zhuanlan.zhihu.com/p/...
2. CSDN，以太网MII接口类型大全 MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XL、RXAUI
3. MAC与PHY之间的接口标准 MII/GMII
4. Marvell车载以太网交换机芯片88Q5050

作者：雪岭飞花
来源：雪岭飞花

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