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2021年2月17日 星期三

How it Works - Car to Cloud




IEEE SPECTRUM


了解 TE Connectivity 如何轉變技術以實現聯網汽車 


啟用聯網汽車的進步令人驚訝。從第一輛 Model T 出廠時起,汽車的功能就基本上沒有變化。當確實發生了進步時,它們大多是機械的:更大的發動機,更高效的變速箱,更安全的製動器等等。


今天,我們目睹了對汽車的徹底改造。連接性的進步,為汽車行業創造了機會。儀表板導航、資訊娛樂系統和支持藍牙的儀表板,是不遠的將來的一瞥。


麥肯錫估計,2015 年聯網汽車的數量,將以每年 30% 的速度成長。到 2018 年,具有聯網功能的汽車幾乎占美國市場的 39%。 Gartner 估計,到 2020 年,將有 2.5 億輛聯網汽車在道路上行駛,「使它們成為物聯網的主要組成部分」。到 2022 年,市場滲透率有望達到 80% 以上。這種成長的大部分將始於高檔汽車,然後技術將滲入價值細分的市場。


雲端的連接,能夠與車輛內外的許多節點,共享數據的天線,可創建更安全、更明智的駕駛體驗的感測器,以及堅固、高速的車載數據網路,對於實現無縫、互聯、功能豐富的汽車,未來的消費者要求很高。TE Con​​nectivity(TE)對嚴格的汽車標準的深刻理解,以及他們在感測器、數據網路、互連和天線技術方面的無與倫比的專業知識,可以幫助汽車製造商,在這個迅速發展的市場中取得成功。


要記住的一件事是,儘管所有汽車都共享許多相同的技術,但聯網汽車和自動駕駛汽車,卻是不同的主題。連通性正在將汽車變成智慧設備,並有可能成為啟用物聯網(IoT)的關鍵要素。自主性意味著汽車具有收集資訊,以進行獨立決策的能力,從而使其能夠自力更生。


感測器:聯網汽車的神經系統

自 1970 年代後期以來,由於美國環境保護署(EPA)的排放法規,要求使用催化轉化器、電子控制感測器,已成為汽車工程不可或缺的部分。該法規推動了對感測器的需求,並幫助創造了性能、安全性和舒適性優勢。車主現在期望擁有先進的駕駛員輔助系統(ADAS)、自適應巡航控制(ACC)、車道偏離警告(LDW)、交通號誌辨識(TSR)、盲點監控(BSM),和具有燈光範圍的智慧遠光燈助手( ILB)。越來越多的車主需要遠端資訊處理模組和其他單元,例如用於收費和即時交通報告的模和,或收集天氣資訊的雨量感測器。


到 2020 年,新型汽車將具有 200 多個感測器,用於測量汽車內部及其周圍環境的數據。據估計,這些汽車每天每輛汽車將產生 4 TB 的數據。 


感知的世界

為了使互聯汽車充分發揮其潛力,關鍵要求是能夠捕獲有關周圍環境的正確和完整的數據。這始於確定車輛當前環境的複雜感測器技術。在收集這些數據方面,將被證明相當重要的技術,包括高解析度的單聲道和立體聲攝影機、雷達,以及能夠精確定位 120 米以內(在一釐米以內)物體的感測器。


當透過高級專用短距離通信(DSRC)天線進行傳輸時,感測器生成的數據,可實現車對所有(V2X)通信,其中包括車對車(V2V)和車對基礎設施(V2I)通信。


當車輛系統中繼感測器生成的數據時,駕駛員可以在遇到這些問題之前,提前收到有關道路狀況和駕駛的危險警報,例如擁擠的道路、公路碎屑或坑窪。當車輛系統連接到道路基礎設施時,感測器生成的數據,可以提供準確的即時交通數據,從而允許製圖程序繪製最有效的路線,從而節省了駕駛員的時間,並最大程度地減少了溫室氣體排放。


「很多感測器業務,都是由電子行業推動的。因此,你會看到很多小型化、低功耗的特點。當你談論汽車時,你在談論的是機艙內部的情況,發動機內部的情況,甚至是車外發生的事情。」


TE 感測器解決方案 CTO 副總裁 Byron Hill


感應性能

同樣重要的是內部感測技術。 TE 為汽車應用提供了廣泛的感測器,包括從位置、速度和濕度(機艙內、發動機進氣口)到壓力(制動 HPS、尿素)和溫度的各種感測器。例如,濕​​度感測器旨在提高性能,減少能耗並在溫度影響性能的環境中提高安全性。我們的流體特性感測器,為發動機、燃料系統、選擇性催化還原(SCR)系統、壓縮機、變速器、變速箱和許多其他應用,帶來即時流體監控。發動機、變速箱和製動系統內的感測器,將打開預測性維護時代的大門,在此時代,車輛可以在處理出現問題之前拜訪機械師。 


感知健康

生物感測器技術,將是另一個越來越重要的創新領域。不久之後,臉部、眼睛、聲音或 ECG 技術,將使汽車能夠辨識駕駛員。駕駛員無需抓住鑰匙,或按下無鑰匙啟動按鈕,只需抓住方向盤,嵌入式生物辨識感測器即可啟動汽車。內置在汽車座椅中的電壓感測,將監視心率;而儀表板攝影機,將跟踪頭部的運動,以查看駕駛員是否困倦。醫療設備技術和消費者健康應用(包括健康和健身監測器)方面的專業知識,使 TE 在開發和加固微型感測器方面具有優勢,微型感測器將使駕駛員(和乘客)健康監測,成為互聯駕駛體驗的重要組成部分。


天線:連接的心

在所有有關汽車連接性的討論中,天線可能是人們最想當然的組件。但這是聯網汽車的關鍵組成部分,以及感測器和車載數據網路。


通常,在 1980 年代,汽車只有一個天線:AM / FM 鞭狀天線。隨著 GPS 和蜂窩服務的引入,汽車中的天線數量增加了。到 1980 年代後期,美國的某些汽車,也為 800MHz 蜂窩頻段安裝了另一根天線。隨著 1990 年代 CDMA、PCS 和 GSM 的出現,汽車設計師面臨著挑戰​​,即尋找一種方法,來安裝支援所有蜂窩服務,所需的多個頻段所需的所有天線。如今,典型的汽車中,有超過 20 根天線。有用於 3G、4G 和 4G LTE 蜂窩服務的天線。有藍牙天線,用於 GPS 的衛星天線,輪胎中用於監視輪胎壓力的天線,以及用於車載資訊娛樂系統的天線。尋找將這些天線安裝到車輛中的空間,是一項持續的設計挑戰。


DSRC 天線

很快,汽車將配備更多天線。它們可能有六個僅用於蜂窩服務的天線。為了創建可靠的 V2V 和 V2I 通信,汽車可能需要多達六個 DSRC 天線,以提供足夠的冗餘並增加覆蓋範圍。隨著汽車越來越依賴於雲端,冗餘遠端天線將變得更加重要,以幫助確保持續的連接性,和故障 - 安全可靠性。


5G 的出現

來自感測器的數據呈指數級成長,以及對近乎即時的洞察力的需求,使延遲成為了中心問題。當前 4G 技術的局限性之一,就是無線電波從汽車傳播到蜂窩塔,再到其下方地面上的基地台,從而降低了傳輸速度。 5G 解決了這一問題,它提供的數據速率,是 4G 的 30 到 50 倍,而延遲卻低得多。


5G 網路不是將單獨的無線電發射器,和天線安裝在塔上,而是將兩者都整合在一個稱為有源天線系統(AAS)的單元中。每個 AAS 將包括多達 128 個獨立的天線,並在它們與無線電之間,建立高速同軸連接器。


當與大規模多輸入多輸出(MIMO)協議結合使用時,這些單元將使車輛能夠在同一無線電信道上,同時共享和接收多個無線電信號。這意味著將要求 AAS 處理內容爆炸。


如果可用,5G 網路的運行速度,將比 4G 快 100 倍。5G 處理的機器對機器連接數,將比 4G 多 100 到 1000 倍。小於 1 毫秒的延遲明顯優於 4G。借助流資訊娛樂系統,車載 VR 系統,以及包括車載軟體更新在內的許多其他應用,這將使即時數據流(無論是往返雲端,還是即時雲端)成為可能。 


由於低延遲的低地球軌道衛星的初期備份系統,5G將鼓勵圍繞衛星天線的創新。


「我們今天使用的某些技術,僅在 20 年前才用於真正的高端軍事應用。有了 5G,原來是笨拙的無源天線,變成了內部具有高速連接的非常複雜的有源天線。」


布魯斯·畢曉普(Bruce Bishop),數據和設備技術研究員


天線面臨的挑戰

隨著天線變得越來越複雜,它們還必須在某些最惡劣的條件下,提供長期可靠性。這意味著使天線能夠承受,高達 185度華氏(85o C)的溫度,但在零度以下天氣下不會變脆。總體而言,道路振動、發動機噪音和速度不會影響性能。


此外,隨著天線數量的增加,汽車製造商尋求減少佈線量,並減少安裝的複雜性,汽車製造商正面臨著重大的設計挑戰:每個天線的尺寸、位置和屏蔽。將天線帶入車內,已經要求天線的小型化。它還要求減少電磁和射頻干擾,這為創新的設計元素創造了機會。為了屏蔽敏感組件,免受多天線無線能量增加,引起的噪聲的影響,TE 開發了具有板級屏蔽(BLS)的產品。


TE 的天線功能

幾十年來,TE 為消費類產品設計和製造了一些,最具創新性的天線解決方案。我們的經驗使我們能夠開發和製造,適合當今高度互聯汽車需求的天線。我們已經開發和製造了車載診斷(OBD)必不可少的天線。我們的資訊娛樂天線和調諧器系統,可以實現廣播服務,以及行動無線電和數據服務的近乎完美的接收。我們最近對 Hirschmann Car Communications 的收購,使我們能夠為你的設計開發,增值解決方案。


Hirschmann Car 通信公司,加深了我們在車輛對車輛,和車輛對基礎設施通信方面的專業知識。 Hirschmann Car 通信公司在高頻(HF)技術,以及發射器和接收器系統的開發和製造,信號檢測和信號處理方面提供了長期的專業知識。


無論他們選擇現成的解決方案,還是客戶特定的應用,我們的客戶都將從我們的跨學科專業知識中受益。憑藉我們對研發的不斷承諾,最先進的測試和測量設備,以及高度的生產靈活性,我們將隨著汽車製造商的需求不斷發展而不斷發展。 


汽車乙太網:連通性的骨幹

隨著汽車內感測器產生的數據量增加,以及 V2V、V2I 以及現在的車對雲(V2C)通信的出現,汽車已成為物聯網的重要組成部分。他們正在變成最終的行動設備。汽車乙太網將在其成功中發揮非常重要的作用。


例如,與其他車輛和基礎設施的即時通信,將為汽車提供最佳的預測計劃數據庫。未來的車輛將「更多」地了解其當前環境和未來路線。ADAS 將根據駕駛員日益成長的這種詳細的環境模型,在駕駛員的支持下,進行操作或立即採取行動。


麥肯錫的一項針對聯網汽車的研究,總結了網路的規模:「當今的汽車具有 20 台現代 PC 的運算能力,具有約 1 億行代碼,每小時可處理多達 25 GB 的數據。隨著汽車運算能力的進一步發展,不僅編程變得越來越複雜,處理速度越來越快,而且技術的整體性質也在發生變化。雖然汽車數位技術曾經專注於優化汽車的內部功能,但如今,電腦技術的發展,正在發展汽車與外界進行數位連接,並增強汽車體驗的能力。」 


TE’s MATEnet modular and scalable connectors for automotive Ethernet


「我們提供了所有功能,來實現連接流。因此,無論你選擇哪種感測器,選擇哪種架構,想要將其保留在車上,還是將其帶到雲端,我們都有可幫助你管理系統,體系結構和數據流的連接組件。」


矽谷技術辦公室經理 Dominique Freckmann


一旦汽車成為物聯網的組成部分,汽車中的軟體數量將繼續增加,其範圍也會擴大。預計會影響成長的主要趨勢是網路安全。聯網汽車需要採取保護措施,防止駭客入侵和數據盜竊。為了保護和預防這些事故,車輛軟體將需要透過空中軟體(SOTA)分發,進行定期更新,以安裝可消除薄弱環節的補丁。這些更新將增加到汽車,和汽車內部的數據流量。


利用來自所有這些來源的大量數據,需要高速的車載網路。挑戰不僅是為更大的數據包,提供更大的頻寬,而且要滿足 OEM 廠商,針對車輛電子/電氣架構的不同方法。電磁相容性(EMC)規範,也可能需要不同類型的互連技術。因此,汽車乙太網需要一種智慧互連解決方案,該解決方案必須針對不同的 EMC 要求水準,提供靈活性、經濟性和性能。


MATEnet 互連繫統

TE 的 MATEnet 互連,是對當今和未來車輛連接性要求的積極回應。 MATEnet 模組化和可擴展連接器,是專為 IEEE 汽車乙太網網路開發的。其小型、堅固、汽車級技術;已成功通過嚴格的測試和驗證。


TE 的 MATEnet 依靠 NanoMQS 端子,該端子是微型汽車級觸點,具有極高的抗振性。標準的未密封 NanoMQS 連接器滿足 2 級嚴重振動要求(大約 3g 隨機有效載荷和 30g 衝擊)。密封連接器版本,還可以滿足振動等級 3(「接近動力總成」)和振動等級 4(「發動機安裝」)的要求。 


MATEnet Cable Assembly (UTP/STP): Available cable types: UTP 100 Mbps / UTP 1 Gbps and STP 1 Gbps Possible Configurations: 1 port Frame – 1 port Frame 1 port Frame – 1 port Inline Coupler Female insert – Female insert Female insert – Male insert


但是,高頻、高頻寬數據傳輸,對信號完整性提出了嚴格的要求。滿足單個汽車乙太網應用需求,所需的工作量和成本,通常是晶片中整合的措施,以及進入通道(電纜和連接器)的工作量的產物。


TE 的 MATEnet 目的在,在兩條成本曲線之間,提供最佳的平衡。它具有出色的性價比,因為它既不會給晶片功能(尺寸、功耗)帶來沉重負擔,也不需要高端佈線(材料、工藝、複雜性)。


MATE-AS 射頻互連

ADAS 單元可能有多達 24 個同軸電纜輸入,這些同軸電纜輸入,來自檢測車輛周圍物體,和自由空間所需的許多感測器。同軸電纜為 RF 信號傳輸,提供了經濟且易於處理的物理層。但是,同軸電纜、汽車級互連解決方案(例如FAKRA)可能無法為 ADAS 提供足夠的 RF 性能。


TE 面臨的挑戰是,與 FAKRA 連接器相比,可終結的同軸電纜數量增加了四倍,與高速數據(HSD)差分信號連接器相比,使電纜數量增加了一倍。


MATE-AX 是結果。MATE-AX 為現有和未來的同軸電纜線,提供了一種抗 EMI 的小型互連射頻解決方案。MATE-AX 具有出色的信號完整性,和高達 20 GHz 的長期潛力,可將汽車同軸技術提升到新的性能水準,並促進信號源與 ECU 「伺服器」之間的大型未壓縮數據傳輸。透過提供更高的包裝密度(在 1 個 FAKRA 連接器的空間中,使用 4 條同軸電纜;在 1 個 HSD 連接的空間中,使用 2 條同軸電纜),MATE-AX 端子,可顯著減小尺寸和減輕重量,並為行業帶來堅實的未來 - 證明數位信令路線圖。


未來的MATEnet

—數據線供電(PoDL)—

當前,汽車中的電子設備,透過單獨的電纜供電。然而,額外的電纜使線束較重、更複雜,並且更難通過車輛內的狹窄通道,饋入線束的各個部分。因此,如果不需要單獨的電源線,將有助於線束的小型化和輕量化。數據線供電(PoDL)的新概念,在車輛應用中支持此策略。它使用 100Base-T1 和 1000Base-T1 接口,在單個非屏蔽雙絞線上,提供與信號平行的電源。 


TE 正在與 MATEnet 一起測試 PoDL,並將在 MATEnet 互連繫統中驗證此選項。到目前為止,測試非常積極,顯示在高達 48 VDC 的情況下,是有益的使用。


—A2B 汽車音頻總線®—


我們的 MATEnet 是由 Analog Devices 開發的汽車音頻總線®(A2B)的潛在互連技術。該數位音訊總線的頻寬高達 50 Mbit(5000 萬比特/秒),目的在減輕汽車高保真佈線的重量,同時顯著減輕現有線束的重量。一種潛在的用途,是在車輛中使用多個麥克風陣列,以實現不同的應用,例如語音辨識、主動降噪和車內通信。


— HDBaseT —


HDBaseT 是一項新興技術,可通過 15m 的鏈路段,提供高達 6Gbps(60 億吉比特/秒)的全雙工數據傳輸,並具有多達 4 個串聯連接器,延遲幾乎為零。它包括各種協議,例如音訊和視訊、乙太網、電源,以及包括 USB 和 HDMI 在內的消費類應用。TE 在 HDBaseT 聯盟中發揮了積極作用,在那裡,汽車利益相關者在各種技術委員會中進行協作,以定義適當的汽車要求和規格。本機網路功能演示了非屏蔽雙絞線電纜的可用性,可以將其與 100 和 1000 個 BASET1 應用進行比較。


為解決多種挑戰,HDBaseT 具有前所未有的頻寬,和對現有的 UTP 佈線系統(如 TE 的 MATEnet)的適用性,是未來車載連接的關鍵推動力。


數據和去中心化的雲

充分利用支持 5G 的雲端的功能,將需要更快、更強大的車載數據網路,以及新一代的 5G 本機天線、接收器和連接器。但是,在未來數十億行動設備,和數萬億物聯網(IOT)行動海量數據的未來中,這也意味著將雲的架構,從集中式模式演變為運算應用、數據和服務的集中式模式。被推到網路的外圍(「邊緣」)。


使用 Edge Computing,速度是關鍵參數。例如,使用行動邊緣運算(MEC),當前的目標是:數據速率高達 6 Gbps,延遲小於 1 毫秒,移動速度為 500 km / hour,終端定位在 1 米以內。實際上,這意味著具有更高可靠性的更高服務連續性。在需要即時運算和響應(就是即時流量報告)的情況下,這些分散的節點將處理數據負載。


諸如自動駕駛之類的運算,也將在此級別上進行。集中式雲端核心仍將處理應用。需要強大的運算能力、數據聚合和數據儲存的應用。


「 TE的數據與設備(D&D)業務處於速度和性能的領先地位。 對於我們來說,100、400 gig 連接,是下一代高速。 我們發現,在聯網汽車中,D&D 核心產品的使用正在增加,例如背板連接器、內部電纜系統或高速 IO。 這將在 TE  Connectivity 的數據和設備部門,與汽車部門之間,創造協同效應。」


TE Communications Solutions 策略與業務開發副總裁Amitabh Passi TE,與領先的企業,和超大規模客戶合作的悠久歷史 - 結合我們在數據和設備方面的經驗 - 為 OEM 提供實用的情報,可幫助他們發展車輛技術,從而為網路情報,創造新的機會。


TE 優勢:跨學科智慧

無論 OEM 選擇哪種技術途徑,為互聯汽車進行創新,TE 都會在設計過程的早期,與這些客戶合作,以加快創新速度。透過運用我們在汽車標準,和數十年與客戶合作中累積的知識,我們可以快速滿足汽車行業設計中,不斷發展的挑戰和要求。


如今,有兩項發展推動著汽車工業朝著緊湊,強大的高速通信解決方案發展:不斷提高的數據速率,和對小型化的需求。這些發展面臨的重大挑戰,是設計一種能夠保持信號完整性的技術。


儘管汽車製造商現在開始談論 10 Gbps 數據速率,但自 1990 年代以來,我們已經製造了10 Gbps 產品。我們已經將近 15 年的時間,大量交付了這些高速組件。結合我們對汽車需求的理解,我們正在迅速調整解決方案,以滿足汽車製造商的需求。 


小型化的高速網路,也對熱管理和 EMI 構成了根本性挑戰。 我們在 BLS 和散熱器整合方面的創新,提高了效率和性能。 這些最初是為企業和超大規模數據中心開發的,與汽車製造商比以往任何時候都更加重要。 在汽車中,TE 產品幾乎連接了所有電氣功能 - 從替代電源系統到資訊娛樂和感測器技術。 


Board level shielding EMI shields from TE Connectivity


此外,TE 解決方案有助於滿足汽車行業不斷發展的挑戰和要求:


.數據連接:基於同軸電纜、屏蔽、光學,和無線媒介的技術。


.功率和數據分配:透過連接、切換、保護和感應功能,來實現高可靠性傳輸。


.感測:數據驅動技術,可測量位置、壓力、速度、溫度、濕度和流體品質。


.透過小型化減輕重量:TE Nanos 和 MCON 0.50 互連繫統,可實現電子部件尺寸的減小,導線的尺寸減小,以及連接器總包裝量的減少。


.透過從銅到鋁的轉移來減輕重量:應用於典型的家庭大小的汽車時,向鋁導線和 TE 的 LITEALUM 壓接轉移,可以節省多達兩到三公斤的重量。這種效率減輕了汽車的重量,並以較低的材料成本實現了這一目標。


.可靠性和經驗:幾十年來,TE 一直為全球 OEM 滿足其電氣架構需求,提供了使汽車更安全,更智慧的解決方案,同時又能適應不斷成長的技術要求。


TE 還通過致力於核心連接基礎的研究和開發(R&D),投資於互聯汽車技術的未來,例如:


.更大的功率:具有防電弧和緊急切斷功能的高壓連接


.繼電器和電路保護


.新架構可處理額外的功能、配件和電源需求


.更大、更快的數據管道,可完美地處理車輛內外的指數級成長數據


.光學數據管道(光纖)


.導電數據管道(乙太網)


.無線數據管道(用於 Wi-Fi、藍牙、4G / LTE 的天線,專用的短距離通信)


.從感測器獲取更多資訊,以滿足對閉環控制不斷成長的需求


我們還是材料科學領域的領導者。自 1957 年以來,當我們為 Raychem 產品線開發熱縮管時,TE 便在材料科學研究和創新方面進行了投資。今天,我們將收入的 5% 重新投資於研發。透過與領先的研究機構,和我們的客戶合作,我們的工程師一直在尋找方法,以使解決方案更輕、更環保、更堅固或更導電。


先進材料的案例,包括在航空航太應用中,減輕重量的高性能碳奈米管,使製造工藝更清潔的導電油墨,以及使新一代可穿戴技術,成為可能的微型組件。透過我們的高級開發實驗室,我們正在探索幾代人的技術,同時我們致力於為日益緊密聯繫的世界開發關鍵技術。 


這種機構智慧,為我們針對汽車標準解決方案的所有產品開發提供了資訊。



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