智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案研究

李云海

（閩江師范高等專(zhuān)科學(xué)校，福建 福州 350018）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)的電子科技技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，人們對(duì)產(chǎn)品的使用性能要求也越來(lái)越高。人們對(duì)汽車(chē)的娛樂(lè)功能需求逐漸提高，汽車(chē)上的電子部件也隨之增多，在促進(jìn)汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展的同時(shí)也導(dǎo)致汽車(chē)各功能之間需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)急劇增加，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)于目前的發(fā)展水平，迫切需要提出更加智能化的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)是智能車(chē)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)聯(lián)合，不僅具有先進(jìn)的車(chē)載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，還充分的融合了現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)與人、車(chē)、路、后臺(tái)等智能信息的交換共享，從而為用戶提供一個(gè)更加安全、舒適、節(jié)能、高效的行駛，甚至最終可替代人來(lái)操作的新一代汽車(chē)，實(shí)現(xiàn)人、車(chē)、網(wǎng)、路、物的互聯(lián)融合與交互則是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)內(nèi)容。

1 汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)介紹

將汽車(chē)上所有電子的傳感器、執(zhí)行器以及電子控制單元進(jìn)行有效連接，構(gòu)成的通信形式稱之為汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)。汽車(chē)上的ECU數(shù)量與汽車(chē)的功能成正比，功能簡(jiǎn)單則ECU數(shù)量較少，且主要通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行通信；功能復(fù)雜則ECU數(shù)量就增多，但是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行通信的方式無(wú)法滿足汽車(chē)多種多樣的功能，進(jìn)而推動(dòng)了車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和進(jìn)步，其中，CAN和LIN車(chē)載網(wǎng)絡(luò)在汽車(chē)中的應(yīng)用最為頻繁，MOST和FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)大多應(yīng)用于高端汽車(chē)中。

2 傳統(tǒng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)傳輸類(lèi)型之間存在的差異，可以將車(chē)載總線分為CAN、LIN、FlexRay以及MOST四種。

其中，CAN是應(yīng)用最廣泛的車(chē)載總線，能夠?qū)ζ?chē)的電子部件、發(fā)動(dòng)機(jī)以及底盤(pán)等有效地進(jìn)行電子控制，并且其成本還相對(duì)較低，對(duì)于錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)和其他智能化的處理機(jī)制都比較可靠，可以傳輸8 Byte數(shù)據(jù)，但是卻受到了總線帶寬的制約。而升級(jí)版的CAN FD總線恰好彌補(bǔ)了這個(gè)缺點(diǎn)。

LIN總線是一種低成本和低速率的主從式串行通信總線，往往使用于電動(dòng)門(mén)窗、電動(dòng)天窗以及座椅調(diào)節(jié)等傳感器信號(hào)采集這種不需要使用CAN總線帶寬和多功能的場(chǎng)合，并且對(duì)CAN總線通信具有一定的補(bǔ)充作用。

FlexRay是一種以時(shí)間觸協(xié)議為基礎(chǔ)的高性能、高可靠性的實(shí)時(shí)總線，其最大特點(diǎn)就是傳輸?shù)木_性和快速性，發(fā)送至目標(biāo)地址只需要1 μs。目前在對(duì)安全實(shí)時(shí)性具有高要求的線控轉(zhuǎn)向和線控剎車(chē)方面有著廣泛的應(yīng)用。

MOST則是一種面向媒體系統(tǒng)的傳輸總線，在導(dǎo)航和CD等娛樂(lè)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，傳輸介質(zhì)主要為光纖，但是傳輸?shù)目煽啃院艿汀?/p>

3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的特點(diǎn)

顧名思義，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的主要特點(diǎn)就是智能化和網(wǎng)聯(lián)化。其最主要的目標(biāo)就是能夠使乘客感到更加舒適，保障乘客的安全問(wèn)題，并且還能為乘客提供更加現(xiàn)代化的汽車(chē)服務(wù)。智能化主要體現(xiàn)在對(duì)外界環(huán)境的感知、路標(biāo)的監(jiān)測(cè)、車(chē)輛的控制以及對(duì)駕駛員的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)等，這些智能化感知都是借助于一系列的智能化探測(cè)設(shè)備完成的。實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛控制的智能化就必須要有大量的控制精準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為參考，而娛樂(lè)系統(tǒng)的智能化則需要借助于高清音視頻數(shù)據(jù)來(lái)完成。網(wǎng)聯(lián)化也要求汽車(chē)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能交通，同時(shí)也意味著要將汽車(chē)行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、車(chē)輛的故障數(shù)據(jù)等傳輸?shù)酵饨缑襟w，這也是時(shí)代發(fā)展的需求，是汽車(chē)網(wǎng)聯(lián)化的必經(jīng)之路。

3.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架受到了前所未有的挑戰(zhàn)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)汽車(chē)，所以，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸總線不能滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的要求，需要使用帶寬更高的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。CANFD和MOST雖然在一定程度上能夠提高傳輸速率，但是由于成本較高限制了使用范圍，因此，為了有效地解決大數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，迫切需要開(kāi)發(fā)出一種既廉價(jià)又可靠的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。

3.3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的以太網(wǎng)總線

以太網(wǎng)智能網(wǎng)線是未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架發(fā)展的重中之重，也是智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展的必然趨勢(shì)，主要承擔(dān)對(duì)汽車(chē)大數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)淖饔?。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中主網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)，子網(wǎng)絡(luò)則為娛樂(lè)系統(tǒng)和輔助駕駛系統(tǒng)，這二者具有傳統(tǒng)動(dòng)力底盤(pán)以及車(chē)身舒適系統(tǒng)的所用性能。因?yàn)橐獙?duì)駕駛?cè)藛T的狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè)，所以，在輔助駕駛系統(tǒng)中應(yīng)該使用民用以太網(wǎng)對(duì)高清的攝像頭以及高精度雷達(dá)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在娛樂(lè)系統(tǒng)中，以太網(wǎng)的主要作用就是對(duì)語(yǔ)音視頻等影音數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。對(duì)于車(chē)輛的行駛狀態(tài)、路標(biāo)的設(shè)置以及雷達(dá)數(shù)據(jù)等與車(chē)輛行駛相關(guān)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)V2X等方式傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)控制中心等。此外，對(duì)于娛樂(lè)設(shè)施的管理和使用可以借助于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及藍(lán)牙，給乘客帶來(lái)更加舒適完美的影院體驗(yàn)效果。

3.4 基于以太網(wǎng)的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用發(fā)展過(guò)程

傳統(tǒng)的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間進(jìn)行通信傳輸?shù)?，但是將以太網(wǎng)應(yīng)用到智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中可以發(fā)現(xiàn)其通信傳輸是點(diǎn)到面的一個(gè)發(fā)展過(guò)程，主要?dú)v經(jīng)了兩代的發(fā)展歷程。其中，第一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要是將以太網(wǎng)引入輔助駕駛系統(tǒng)以及娛樂(lè)系統(tǒng)之中，主要作用就是對(duì)攝像頭、雷達(dá)以及音頻數(shù)據(jù)的傳輸。動(dòng)力底盤(pán)系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。輔助駕駛系統(tǒng)和娛樂(lè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換則借助于中央網(wǎng)關(guān)，中央網(wǎng)關(guān)是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較綜合全面的系統(tǒng)，其功能基本涵蓋了CAN、CAD-FD以及汽車(chē)AVB主干以太網(wǎng)等所具備的功能。而在娛樂(lè)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)還存在著Tele matics模塊，主要作用就是對(duì)4G和5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行收發(fā)，車(chē)載數(shù)據(jù)的上傳和下載也可以借助于該模塊。但是交通功能的實(shí)現(xiàn)就主要基于LTEV2X網(wǎng)絡(luò)的接收處理。而第二代智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與第一代相比，有很大的不同，主要在其基礎(chǔ)上引入了動(dòng)力底盤(pán)域網(wǎng)關(guān)和車(chē)身域網(wǎng)關(guān)。這二者為動(dòng)力系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換提供了一定的基礎(chǔ)，并且動(dòng)力底盤(pán)域網(wǎng)關(guān)和車(chē)身域網(wǎng)關(guān)還具有CAN和CAN-FD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能。而中央網(wǎng)關(guān)的主要作用就是對(duì)Ethernet數(shù)據(jù)的交換功能提供相應(yīng)的支持。

3.5 汽車(chē)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議

以太網(wǎng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在主網(wǎng)絡(luò)、輔助駕駛以及娛樂(lè)系統(tǒng)三方面。主網(wǎng)絡(luò)的功能是對(duì)各域以及各網(wǎng)段之間交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；輔助駕駛系統(tǒng)和娛樂(lè)系統(tǒng)的主要作用就是對(duì)攝像以及音頻數(shù)據(jù)的傳輸。文章基于OSI參考模型對(duì)汽車(chē)的應(yīng)用性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，對(duì)以太網(wǎng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確。

其中輔助駕駛和娛樂(lè)系統(tǒng)是對(duì)攝像以及音頻影像數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)于要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)還需要進(jìn)行同步處理。這時(shí)候就需要使用汽車(chē)的Audio Video Broadcasting協(xié)議模型和包括Layer1和Layer2的兩層以太網(wǎng)協(xié)議模型。Layer1物理層所選用的是百兆快速以太網(wǎng)，主要應(yīng)用BroadR-Reach技術(shù)采用一對(duì)5類(lèi)非屏蔽雙絞線。而Layer2數(shù)據(jù)鏈路層則使用汽車(chē)Audio Video Broadcasting協(xié)議模型中特有的IEEE 1722、IEEE 802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS協(xié)議，其中，802.Qat流預(yù)留協(xié)議主要是為了解決網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)流量與普通異步TCP流量之間的競(jìng)爭(zhēng)，而IEEE802.1Qav隊(duì)列和相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是為了保證實(shí)時(shí)的音頻數(shù)據(jù)等信息不會(huì)被傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量所干擾。IEEE1722音視頻傳輸協(xié)議為局域網(wǎng)內(nèi)的實(shí)時(shí)音視頻流服務(wù)、A/V的建立控制以及關(guān)閉協(xié)議等進(jìn)行了精準(zhǔn)的定義。而IEEE802.1AS時(shí)鐘同步協(xié)議具有高精度特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn) A/V音視頻流之間的時(shí)鐘同步。

3.6 新型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所面臨的挑戰(zhàn)

構(gòu)建新型的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)需要面臨的挑戰(zhàn)有多種，既要滿足在進(jìn)行傳輸大數(shù)據(jù)的同時(shí)提高傳輸?shù)男剩忠獫M足將更多的電子汽車(chē)部件暴露在汽車(chē)的外部，這樣可以給汽車(chē)內(nèi)部騰出更多的使用空間，使整個(gè)汽車(chē)更加舒適。而且寬闊的汽車(chē)使用空間可以給乘客帶來(lái)更好的體驗(yàn)效果。但是在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中所面臨的最棘手的問(wèn)題，就是對(duì)系統(tǒng)綜合防護(hù)和防護(hù)功能之間進(jìn)行劃分。如何建立完善的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)信息安全管理需求、對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)制定完善的規(guī)章制度和安全測(cè)試規(guī)范保障汽車(chē)的信息技術(shù)安全，以及如何對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的信息安全建立應(yīng)急響應(yīng)體系，這些都是推動(dòng)新型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所要面臨的重要問(wèn)題，需要政府和相關(guān)企業(yè)部門(mén)積極采取措施進(jìn)行解決，從而能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)新型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代不僅僅停留在5G社會(huì)，網(wǎng)絡(luò)速度可能會(huì)變得更快，傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)更加清晰，所以可能會(huì)涉及千兆及千兆以上以太網(wǎng)傳輸，但是千兆以上的以太網(wǎng)對(duì)汽車(chē)的電磁兼容性具有一定的影響，這也是未來(lái)需要研究和解決的重要內(nèi)容。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中會(huì)面臨各種各樣的挑戰(zhàn)和問(wèn)題，但同時(shí)也是這些問(wèn)題推動(dòng)了智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展，促進(jìn)了汽車(chē)科技的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展。不斷地完善汽車(chē)安全法律法規(guī)，促進(jìn)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求，給用戶提供一個(gè)更加舒適和安全的駕車(chē)體驗(yàn)。