赫千科技引领“铜退光进”汽车EEA电子电气架构的量产落地

随着汽车技术不断向前发展，用户对智能汽车要求也在不断提高，这就要求制造商向用户提供更多、更好、更新的服务和功能的智能汽车。然而，增加服务和功能将使得车辆EEA的复杂性急剧增加，例如：自动驾驶系统和辅助驾驶系统 (ADAS) 等某些功能的 ECU 需要在车内网络中的多个 ECU 和传感器之间以低延迟和严苛的服务质量 (QoS) 传输大量数据。此外,向车辆添加新的多媒体服务和更快的无线互联网服务进一步增加了车内网络的带宽需求。为了满足智能汽车中不断增长的带宽需求，赫千科技在2014年成立的早期就提出以时间敏感网络 (TSN) 和音频视频桥接 (AVB)的车载以太网骨干网络的车载EEA架构，推动着车载EEA架构从传统的分布式架构向集中式域架构或区域架构转变。

然而, 随着未来的自动驾驶汽车将使用更多的高性能传感器来提高对周围目标的检测能力（千万级像素摄像头、高线程激光雷达、4D毫米波雷达）,其带宽要求将提高到50~100Gbps或更高。赫千科技在产业化过程中发现尽管基于以铜为通信媒介车载以太网EEA通信架构能够提升车内网络中节点数据传输量，但在超大流量的数据传输过程中，基于铜电气互连显示出传输带宽、低延时、电磁兼容性的瓶颈限制。因此，为了克服超大流量数据传输限制,适配ADAS和未来自动驾驶等需求，赫千科技在智能汽车的车内网络中采用光纤作为通信介质的集中式区域EEA架构。如图1所示，基于光模组搭建EEA光通信架构，采用多个光模组和多个区域网关进行连接，区域网关也可以根据实际需要换成其它控制器，如T-box、域控制器等。在硬件设计中，采用BTB连接件将光模组和区域网关进行连接，以MIPI-CSI、SGMII、I2C/SPI、GPIO接口等进行数据和控制信号传输。在车身不同区域放置光模组和区域网关，相近的ECU可以连接至相近的光模组或区域网关，区域网关如果接收到传统的CAN信号、LIN信号，可以将CAN信号和LIN信号传输发送给光模组转成光信号发送至中央计算平台进行处理，不同区域网关可以通过光模组交换数据。光模组主要负责光纤信号的收发、GMSL2摄像头信号和光纤以太网摄像头信号接收、光纤激光雷达信号的接收以及光纤信号的转发等。基于光模组搭建EEA光通信架构能够高速、低延时传输大流量数据并具有有益的EMC性能，同时也能够兼容传统网络。

图1 赫千科技基于光模组搭建EEA光通信架构示意图

相比于铜，采用光互联的车载EE架构能够具备传输超高的带宽、优越电磁兼容性 (EMC) 性能、低延时以及低成本等优势。尽管传统数据中心内部互联的光通信技术发展较为成熟，但是传统光通信中的技术仍然不能直接转移到车内网络通信。与网络数据中心内部的光互联相比，汽车应用需要更广泛的工作温度范围、卓越的可靠性以及特殊可信和安全功能的实施，如图2所示，在波长范围内，在数据中心内部互联中，目前采用850nm的波段进行传输，能够具有较低的链路损耗，另外的原因在于砷化镓的光电探测器与850nm的波长能够很好的兼容。在车内网络中，选择970nm~990nm的波段，如选择980nm的波长在车内进行传输，光源采用VCSEL，VCSEL器件的成本较低，研究发现980nm或更高波长的VCSEL光源在数千小时运行过程中并未见信号的衰退。

图2 比较光模块在车内网络与数据中心内部互联中的技术指标

在光纤选择方面，受制于车内环境的限制，车内网络光纤需要满足弯曲损耗小、抗弯曲性能高、对振动不敏感等要求，而数据中心处于环境良好的静态工作环境中，而无需严格考虑上述性能。鉴于汽车应用的严苛要求，选择性能容易调节的POF光纤用于车内网络较为适合。在光路的物理连接方面，车内网络显然要求更为严格，车辆行驶过程中存在频率小于300Hz的连续振动，它会导致对光模块与光连接器之间的耦合对准产生偏移，从而导致耦合损耗的增加和接收功率变化。另外，路面不平将会造成更大的颠簸会在瞬间产生较大的晃动，从而对光纤连接器提出更高抗振动要求。在工作寿命方面，数据中心光模块一般3-5年寿命即可，然后在车内环境要求使用寿命至少需要长达10年。在工作温度方面，由于汽车是在外部环境应用并且不同区域（南方与北方有较大温差）存在较大温差，要求光模块需要在-40 ~125 ℃都能够正常运行，而数据中心都是室内环境且大部分都有空调，工作温度只需在0~70 ℃即可。可见，光模块要在车内网络中获得应用，其性能指标远比数据中心内部互联光模块要严苛较多，从而对车内网络中光模块的低成本成熟应用提出较大的挑战。

随着车辆技术的不断向前推进，伴着AI大模型、自动驾驶和无人驾驶技术逐渐的走向成熟，对车内EEA电子电气架构中关键节点数据高带宽、低延迟、EMC性能等方面提出更高性能要求。传统以铜线作为通信媒介网络架构势必将难以满足车内网络通信不断发展的需求，而以光纤作为通信媒介的光通信EEA架构因具备低延迟传输超高带宽、优异EMC 性能、可扩展性，能为先进智能汽车车内网络通信提供新的解决方案。但光通信在汽车应用中需要面临恶劣环境，同时还要求低成本、高可靠性，使得车载光互连的成熟应用仍面临诸多挑战。相信未来在赫千科技等优秀企业的推动下对车内光通信技术的不断改进，基于光互联的网络通信架构将会在车辆广泛应用，进一步给用户带来更良好的体验。