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如何确保新一代车载网络的一致性和性能

对比汽车的过去、现在、将来,有一个明显的趋势:汽车已经成为带轮子的数据中心。在每辆汽车内部,来自安全系统、车载传感器、导航系统等的数据流量,以及对这些数据的依赖程度,都在不断迅速增长。

这在速度、容量、可靠性方面给车载网络(IVNs)带来了重大影响,其中的影响之一是,在高速低时延应用中,比如控制区域网(CAN)、FlexRay、本地互连网(LIN)、面向媒体的系统传输(MOST)和单边半波传输(SENT)之类的总线缺少所需的带宽。结果,这些传统标准正逐渐被信息技术(IT)领域的先前已验证的技术所取代。

当前的主要实例是汽车以太网,它覆盖了电气和电子工程师(IEEE)开发的四项标准。目前,汽车以太网将与涵盖各种系统和子系统的多种总线共存。因此,我们需要不同的测试方法,来完成汽车和 IVN 的设计、验证、调试、排障、维护和保养。

发展趋势:更多需求来自数据、以太网、标准化和生命周期。

今天的汽车有超过八十个电子控制单元(ECUs),CAN、LIN、FlexRay、MOST 和 SENT 一直承载着这些 ECU 和各种机载系统之间的信息,比如发动机、传动系统、传输、刹车、车身、悬架、信息娱乐系统等(图 1)。此外,蜂窝和非蜂窝无线技术正把外部数据流传送到信息娱乐系统、导航系统和交通信息系统。

图 1:在汽车系统中,不同的总线和数据速率提供了必要的通信功能。

处理更多的数据

在未来几年中,我们预计每辆汽车中都会看到超过 100 个 ECU,联网的车内网络每天会承载几 TB 数据。我们预计汽车将继续采用 CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay、SENT 和 MOST;但是,当前顶端数据是 FlexRay 的 10 Mbps 及 MOST 的 150 Mbps。当然,想“走得更快”总是说易行难,业界普遍采用 CAN 总线要求进行大规模重新设计,才能提供必要的速度、安全性和向下兼容能力。

随着传感器的数量越来越多,灵敏度越来越高,它们会产生庞大的数据。可以想象,10~20 个摄像头,提供 360 度全景视图,所有摄像头都发送 1080p (现在)或 4K (将来)高清数据流,像素深度从 16 位提高到 20 位甚至 24 位。这些数字正在迅速叠加在一起:一个支持 24 位像素深度的 4K 摄像头以每秒 10-30 帧的速率,生成每帧 199 Mb 的数据。尽管 1 Gbps 速率现在可能足够了,但很快就需要 10 Gbps (图 2)。

图 2:数量越来越多的传感器和 ECU 之间需要更快的数据速率和更宽的带宽。

目前,IVNs 采用预处理硬件,在传感器上执行数据精简(即压缩)。遗憾的是,这会引入时延,影响响应时间,同时还会降低图像质量,从而限制可用的检测距离。一个新兴解决方案是以 2 - 8 Gbps 速率把原始数据传送到集中式片上系统(SoCs)或通用处理单元(GPUs),SoC 或 GPU 可以对输入的实时数据进行压缩。IVNs 正从扁平结构转向域控制器结构,在域控制器结构中,传感器会把原始数据传送到中央处理单元。

所需的通信流量正在不断扩大,并随着汽车到基础设施(V2I)、汽车到汽车(V2V)和汽车到万物(V2X)技术不断演进。所有这些都将在汽车操作和人机交互中发挥重要作用。

转向汽车以太网

在汽车应用中,优化数据利用率要求更快的吞吐量、更低的时延、更高的可靠性及更高的服务质量(QoS),以保证汽车的安全可靠运行。随着速度达到 10 Gbps,汽车以太网将在承载高速数据通信方面发挥越来越大的作用,包括:IEEE 802.3cg, 10BASE-T1, 10 Mbps;IEEE 802.3bw, 100BASE-T1, 100 Mbps;IEEE 802.3bp, 1000BASE-T1, 1 Gbps;以及 IEEE 802.3ch, 10GBASE-T1, 2.5/5/10 Gbps。

考虑到可用的数据速率及对这些性能的需求不断增长,另外需要降低线缆重量,许多业界观察人员在预测汽车以太网的发展及联网的车载节点数量时均非常乐观。

标准化:获得全新商业优势

在整个汽车行业发展史上,长期以来有一种既定的作法没有改变,那就是标准化。这种作法仍将适用,因为标准化提供了许多重要优势,比如加剧了各厂商之间的竞争,降低了元器件成本,保证了互操作能力。

总线拓扑和数据速率对比

在考虑不同的总线时,每种总线对应的最大数据速率及其支持的网络拓扑类型,图 3 汇总了部分数据。汽车以太网还增加了“交换式织物”功能,以在局域网(LANs)中实现有效的性能。它结合使用硬件和软件,使用多台以太网交换机,控制网络节点中的业务。织物网络识别其所有路径、节点、要求和资源。在这种架构内,可用的地址空间为 224 个,可以连接最多 1600 万个节点或设备。

在新一代 IVN 领域,标准化实例包括汽车以太网、MIPI A-PHY 和 HDBaseT 汽车。通过采用 IT 领域经过验证的技术,汽车行业将获得明显的全新商业优势,因为未来的汽车正变成带轮子的数据中心。

图 3:主要汽车总线特别适合特定距离的任务,但其通用性也因此弱于基于以太网的网络。

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