Automotive Ethernet

100BASE-T1 et 1000BASE-T1 : ce que les ingénieurs doivent savoir sur l'Automotive Ethernet

L'Ethernet mono-paire (Single Pair Ethernet) apporte un réseau de niveau informatique dans le faisceau du véhicule, pour une fraction du poids de câblage. Tour d'horizon des normes IEEE, de la signalisation PAM-3 sur le fil et de l'annulation d'écho qui permet à deux PHY de dialoguer en même temps sur la même paire.

À l'ère des ADAS, des caméras à vision panoramique et des architectures zonales, les débits requis dans un véhicule dépassent largement ce que les bus embarqués classiques — CAN, LIN, FlexRay — peuvent fournir. Mais la réponse standard du secteur, l'Ethernet classique sur câblage à deux ou quatre paires, est trop lourde, trop volumineuse et trop coûteuse pour un faisceau automobile. La solution : une famille de variantes Ethernet transmettant le trafic full-duplex sur une seule paire torsadée — 100BASE-T1, 1000BASE-T1 et leurs successeurs.

De l'Ethernet de bureau au faisceau du véhicule

L'aventure mono-paire a commencé hors de l'IEEE. En 2011, Broadcom développe une technologie propriétaire à 100 Mbit/s, BroadR-Reach, spécifiquement pour l'embarqué ; BMW l'utilise dès 2013 pour relier des caméras d'aide au stationnement. L'OPEN Alliance SIG est créée pour promouvoir et standardiser l'approche, et l'IEEE la reprend peu après.

En résulte une famille de normes mono-paire. 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw, 2015) délivre 100 Mbit/s. 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp, 2016) applique la même philosophie full-duplex mono-paire à dix fois le débit. Le bas de gamme est couvert par l'IEEE 802.3cg (2019), qui définit le 10BASE-T1S (multidrop courte portée) et le 10BASE-T1L (longue portée industrielle, jusqu'à 1 000 m). Les débits supérieurs relèvent de l'IEEE 802.3ch (2,5/5/10 Gbit/s) et de l'IEEE 802.3cy (25/50 Gbit/s) pour les dorsales ADAS de nouvelle génération.

Le point crucial est ce que ces normes ne changent pas : seule la couche physique du modèle OSI est nouvelle. Au-dessus du PHY, tout reste de l'Ethernet standard inchangé — même MAC, même format de trame, mêmes EtherTypes. Les mêmes piles logicielles, analyseurs (Wireshark), protocoles de haut niveau (TSN, MACsec) fonctionnent sans modification. Pour passer du 1000BASE-T au 1000BASE-T1, un simple convertisseur de média qui échange les PHY suffit. Cette interopérabilité avec l'existant côté informatique est la première raison de l'adoption si rapide du Single Pair Ethernet : il hérite gratuitement de tout l'écosystème logiciel et outillage Ethernet.

SPE vs Automotive Ethernet : clarifier les termes

Les deux appellations sont souvent confondues. Le Single Pair Ethernet (SPE) est strictement une famille de couche physique : toute variante Ethernet qui circule sur une paire torsadée plutôt que deux ou quatre. Les variantes « T1 » — 10BASE-T1S, 10BASE-T1L, 100BASE-T1, 1000BASE-T1 et successeurs multi-gigabit — sont toutes du SPE.

L'Automotive Ethernet est plus large et dépend du contexte. Au sens strict, il désigne les PHY SPE répondant aux exigences de température, CEM et connectique de l'automobile. Dans l'usage courant des constructeurs et équipementiers, il désigne souvent toute la pile qui s'exécute au-dessus de ces PHY : gestion réseau alignée AUTOSAR, communication orientée service SOME/IP, diagnostic DoIP, couches de sécurité comme MACsec. En ce sens, l'Automotive Ethernet est moins un câble qu'un écosystème réseau embarqué complet fondé sur IP. À titre d'exemple, le 10BASE-T1L est du SPE mais n'est pas appelé Automotive Ethernet : il vise le remplacement de bus de terrain industriels, avec une portée de plusieurs centaines de mètres et l'option d'alimentation sur la même paire (PoDL).

La base de la communication : le codage PAM-3 sur une paire partagée

Le code en ligne des 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 est le PAM-3 — modulation d'amplitude à trois niveaux de tension sur le fil : −1, 0, +1. Pour un lecteur venant du CAN : le CAN pilote la paire différentielle dans l'un de deux états seulement (dominant / récessif), donc chaque symbole vaut un bit et débit binaire et débit de symboles se confondent. Avec le PAM-3, non : chaque symbole ternaire porte plus d'un bit, si bien que le fil « bat » plus lentement que le débit ne le suggère — 100BASE-T1 délivre 100 Mbit/s à seulement 66,67 MBd, et 1000BASE-T1 délivre 1 Gbit/s à 750 MBd.

À débit donné, le 100/1000BASE-T1 fonctionne donc à un débit de symboles plus faible qu'une signalisation binaire de type CAN, ce qui aide à contenir la fréquence fondamentale — et donc les émissions rayonnées. La contrepartie est payée côté récepteur : avec trois niveaux, l'écart entre symboles est plus serré que l'écart dominant/récessif du CAN ; le PHY a donc besoin d'égalisation adaptative, de découpage précis des niveaux et de l'annulation d'écho. Le SPE est plus tolérant aux limites CEM mais moins aux imperfections du canal : bruit, réflexions et désadaptations d'impédance interfèrent directement. C'est pourquoi le 1000BASE-T1 réclame généralement une paire torsadée blindée, là où un bus CAN se contente d'un câble bien plus grossier.

Deux émetteurs, un seul fil : comment éviter le chaos

Le 100BASE-T1 et le 1000BASE-T1 utilisent une seule paire pour les deux sens, simultanément. Les deux PHY pilotent le fil en même temps, avec la même signalisation, sans découpage temporel ni séparation fréquentielle. Sur un oscilloscope, on ne voit que la somme : signal de l'un, signal de l'autre, réponse du canal et réflexions. Impossible, à partir de la seule trace, de distinguer les deux flux.

L'astuce : chaque PHY sait ce qu'il transmet. Ce signal connu — et sa réponse de canal attendue — peut être modélisé puis soustrait de ce que le PHY échantillonne. Tout ce qui ne correspond pas au modèle est, par définition, le signal de l'autre PHY. C'est le rôle d'un filtre numérique adaptatif, l'annuleur d'écho, complété d'un égaliseur (DFE/FFE) qui compense la réponse fréquentielle du câble. Deux conditions rendent cela possible : une horloge bit commune (un côté maître, un côté esclave, l'esclave récupérant la cadence du signal maître) et une phase d'apprentissage au démarrage du lien pour ajuster les coefficients du filtre. En pratique, on configure un participant en Maître et l'autre en Esclave. Sur les PHY qui le supportent, l'auto-négociation (IEEE 802.3 clause 98) peut résoudre automatiquement la vitesse et le rôle maître/esclave.

Forces et limites

Une simple paire torsadée non blindée peut réduire drastiquement le coût de connectivité par rapport à l'Ethernet classique, allège le faisceau et respecte les limites CEM CISPR-25 et constructeur. Et puisque tout, au-dessus du PHY, est identique à n'importe quel Ethernet, toute la chaîne d'outils informatiques s'applique directement : convertisseurs de média vers RJ45 sans traduction de protocole, dissection Wireshark, diagnostic et frameworks de services IP (DoIP, SOME/IP) natifs, piles Linux/AUTOSAR/POSIX sans modification.

Les limites sont réelles : 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 sont strictement point-à-point ; toute dérivation, même un simple stub, exige un commutateur. La portée est automobile : environ 15 m sur câble Type A, avec une variante optionnelle Type B à 40 m pour le 1000BASE-T1. Les spécifications IEEE imposent des limites strictes de qualité de canal (perte d'insertion, perte de retour, conversion de mode) bien plus sévères que tout ce que le câblage CAN doit fournir. Le 1000BASE-T1 est nettement plus sensible à la qualité du canal que le 100BASE-T1 et requiert généralement une paire blindée. Enfin, le démarrage du lien, avec son protocole maître/esclave finement orchestré, rend le débogage de mise en service moins trivial que sur un bus CAN.

Où l'on utilise le 100/1000BASE-T1

Le 100BASE-T1 est devenu le lien par défaut des caméras, connexions infotainment et diagnostics-sur-IP (OBD/DoIP), remplaçant MOST et LVDS. Le 1000BASE-T1 transporte des données ADAS à plus haut débit — caméras frontales, pré-traitement lidar, fusion radar — et sert de dorsale zone-vers-calculateur central dans les architectures E/E modernes. Les variantes 2,5G–10G commencent à apparaître sur les bancs de test et véhicules pilotes, tandis que le 10BASE-T1S occupe le bas de gamme en remplacement multidrop des segments CAN historiques.