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

郭麗麗+菅少鵬+陳新+陳效華

摘 要：對(duì)傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)總線類型及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)汽車特點(diǎn)智能化和網(wǎng)聯(lián)化、以及智能網(wǎng)聯(lián)汽車對(duì)傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)，提出基于以太網(wǎng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方法、并闡述了應(yīng)用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用推進(jìn)過程、介紹了汽車以太網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議的分類，解決了汽車大數(shù)據(jù)傳輸問題。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；以太網(wǎng)

中圖分類號(hào)：U285，TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）03-0034-05

Research of the network architecture of the intelligent and connected vehicle

GUO Li-li， JIAN Shao-peng， CHEN Xin， CHEN Xiao-hua

（ BAIC Group New Technology Institute， Beijing101300， China ）

Abstract： The traditional auto network types and network architecture characteristics are analyzed in the paper. The characteristics of intelligent and connected of the vehicle and the challenge to traditional auto network architecture are combined with. The Ethernet network architecture， and how to use the Ethernet network architecture in the intelligent and connected vehicle， and the classification of auto Ethernet application protocol are introduced. The problem of amounts of data transmission in intelligent and connected vehicles is solved.

Key Words： the intelligent and connected vehicle； network architecture； Ethernet

汽車電子部件的增多、汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展、用戶對(duì)汽車娛樂系統(tǒng)功能需求的提高，使得汽車上有大量的數(shù)據(jù)需要傳輸，采用傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案已不能滿足需求。

1 汽車網(wǎng)絡(luò)介紹

汽車網(wǎng)絡(luò)，是指將汽車上的所有電子傳感器、電子執(zhí)行器、電子控制單元（ECU）連接在一起的通信形式。汽車功能簡(jiǎn)單、每輛汽車上ECU數(shù)量少的情況下，可通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。隨著汽車功能的增多，汽車上傳感器、執(zhí)行器、ECU數(shù)量增多，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信已不滿足需求。1991年，第一輛取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，通過CAN總線傳輸?shù)能囕d網(wǎng)絡(luò)在奔馳S級(jí)汽車上誕生。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，幾乎每輛汽車上都裝配有車載總線網(wǎng)絡(luò)，車載總線網(wǎng)絡(luò)以CAN、LIN總線網(wǎng)絡(luò)為主，部分高端汽車搭載MOST、FlexRay總線等。

2 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)總線類型

車載總線按照傳輸類型不同分為CAN、LIN、MOST、FlexRay。

CAN（Controller Area Network），汽車最常用的車載總線類型，具有低成本、可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)和處理機(jī)制、基于仲裁式發(fā)送方式、最大傳輸8Byte數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于車身電子部件控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、底盤電子控制等。

CAN FD（CAN with Flexible Data rate）是CAN的升級(jí)，CAN FD總線彌補(bǔ)了CAN總線帶寬的制約缺陷。CAN FD數(shù)據(jù)場(chǎng)部分最大傳輸速率5Mbps，最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度64Byte。

LIN（Local Interconnect Network）總線，是一種低成本、低速率的主從式串行通信總線。在不需要CAN總線帶寬和多功能的場(chǎng)合，如電動(dòng)門窗、座椅調(diào)節(jié)、電動(dòng)天窗、電動(dòng)雨刮、部分傳感器信號(hào)采集等，使用更低成本的LIN總線是對(duì)CAN總線通信的一種補(bǔ)充。

FlexRay起源于“X-By-Wire”的一種基于“時(shí)間觸發(fā)”協(xié)議的高性能、高可靠性實(shí)時(shí)總線。FlexRay報(bào)文最大可傳254Byte數(shù)據(jù)，可以在精確的時(shí)間內(nèi)（可達(dá)1us）發(fā)送至目標(biāo)地址。FlexRay總線傳輸速率可達(dá)10M，主要應(yīng)用于對(duì)安全實(shí)時(shí)性要求較高的線控轉(zhuǎn)向、線控剎車等系統(tǒng)。

Most （Media Oriented System Transport）是面向媒體系統(tǒng)的傳輸總線，采用光纖作為傳輸介質(zhì)，最大傳輸速率150Mbps，傳輸可靠性低，主要應(yīng)用于娛樂系統(tǒng)（CD/DVD、導(dǎo)航等）。

2.2 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類型

傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以CAN總線為主， LIN總線為輔，如圖1，典型雙CAN網(wǎng)段汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分車身CAN（B-CAN）和動(dòng)力底盤CAN（P-CAN），B-CAN和P-CAN通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，B-CAN選用LIN網(wǎng)絡(luò)作為輔助網(wǎng)絡(luò)。

部分汽車動(dòng)力底盤系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選用FlexRay總線，娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選用MOST總線。如圖2，車輛主網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為車身CAN（B-CAN）、動(dòng)力底盤CAN（P-CAN）和一路MOST總線，P-CAN、B-CAN和MOST網(wǎng)段通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。MOST總線實(shí)現(xiàn)娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)lexRay總線作為動(dòng)力底盤CAN的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向控制功能。

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

3.1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車的特點(diǎn)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的特點(diǎn)是智能化和網(wǎng)聯(lián)化。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的目地是增強(qiáng)乘員的舒適性、優(yōu)化乘員的安全性、提供最現(xiàn)代的信息娛樂服務(wù)及更便利的汽車服務(wù)。

智能化，分為：對(duì)外界環(huán)境感知的智能化（含行人監(jiān)測(cè)、路標(biāo)監(jiān)測(cè)、前方車輛碰撞預(yù)警等）、對(duì)駕駛員狀態(tài)感知智能化（駕駛疲勞監(jiān)測(cè)等）、車輛控制的智能化（自適應(yīng)巡航、自動(dòng)泊車）、娛樂信息系統(tǒng)的智能化、汽車軟件升級(jí)智能化等。感知智能化意味著車輛上配備更多智能化的探測(cè)設(shè)備，如：高清攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)。車輛控制智能化意味著車輛有大量的控制相關(guān)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要交互。娛樂信息系統(tǒng)智能化意味著車輛上有更多高清音視頻數(shù)據(jù)。

網(wǎng)聯(lián)化即車聯(lián)網(wǎng)：可通過網(wǎng)聯(lián)化實(shí)現(xiàn)智能交通、大數(shù)據(jù)、云等。網(wǎng)聯(lián)化意味著將汽車眾多的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、車輛故障數(shù)據(jù)、車輛采集的外界環(huán)境感知數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給外界媒體或云端。3GPP會(huì)議上定義的5G三大場(chǎng)景：eMBB（3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)），mMTC（大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)） 和 URLLC（無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延高可靠連接的業(yè)務(wù)）。以及工信部[2016]450號(hào)文件《關(guān)于同意車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟開展智能交通無線電技術(shù)頻率研究批復(fù)》，中國(guó)將5905-5925MHz作為L(zhǎng)TE-V2X的研究實(shí)驗(yàn)工作頻段。意味著汽車的網(wǎng)聯(lián)之路是必然趨勢(shì)。

3.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車對(duì)傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)

汽車的智能網(wǎng)聯(lián)化意味著車輛上有高于傳統(tǒng)汽車百倍、千倍、萬倍的數(shù)據(jù)需要傳輸，需要更高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)大數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的CAN總線常用傳輸速率500kbps，最大傳輸速率1Mbps；新型CANFD總線最大傳輸速率5Mbps； FlexRay總線，傳輸速率可達(dá)10Mbps，但價(jià)格昂貴，除了奧迪、寶馬，多數(shù)汽車廠商未使用；MOST總線采用價(jià)格昂貴的光纖，僅寶馬等少數(shù)車廠應(yīng)用。急需一種廉價(jià)、可靠、高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)，解決大數(shù)據(jù)傳輸問題。

3.3 應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的新型總線以太網(wǎng)

引進(jìn)并改進(jìn)成熟民用以太網(wǎng)，承擔(dān)汽車大數(shù)據(jù)傳輸，成為必然趨勢(shì)。如圖4，未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將以以太網(wǎng)作為主網(wǎng)絡(luò)，娛樂系統(tǒng)和輔助駕駛系統(tǒng)選用以太網(wǎng)充當(dāng)子網(wǎng)絡(luò)，兼容傳統(tǒng)動(dòng)力底盤系統(tǒng)CAN（P-CAN）及車身舒適系統(tǒng)CAN（B-CAN）子網(wǎng)絡(luò)。輔助駕駛系統(tǒng)選用以太網(wǎng)傳輸高清攝像頭、高精度雷達(dá)的大數(shù)據(jù)，娛樂系統(tǒng)選用以太網(wǎng)傳輸音視頻影音數(shù)據(jù)。車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)（車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、道路環(huán)境高清視頻數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)）可通過Telematics模塊或V2X（Car2X）方式等傳輸?shù)酵饨缭贫恕⒒尽?shù)據(jù)控制中心等。車輛的娛樂系統(tǒng)控制器可通過Wi-Fi、藍(lán)牙等方式下載音視頻，使乘客在汽車上就可以享受家庭影院的效果[1] 。

3.4 基于以太網(wǎng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用發(fā)展過程

以太網(wǎng)在汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的引進(jìn)是一個(gè)由點(diǎn)到面發(fā)展的過程，可分兩代進(jìn)行發(fā)展。

第一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示，在輔助駕駛系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)中引進(jìn)汽車以太網(wǎng)，應(yīng)用以太網(wǎng)傳輸高清攝像頭、雷達(dá)、音視頻數(shù)據(jù)，動(dòng)力底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)使用傳統(tǒng)CAN、CAN-FD進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。使用中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行輔助駕駛、娛樂系統(tǒng)、動(dòng)力底盤系統(tǒng)、車身系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互，中央網(wǎng)關(guān)兼有CAN、CAN-FD、Ethernet數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。Telematics模塊布置在娛樂系統(tǒng)域，具有4G、5G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)功能，可通過Telematics模塊下載或上傳車載數(shù)據(jù)。用于實(shí)現(xiàn)智能交通功能的V2X模塊布置在PTCAN，V2X模塊可通過LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)接收基站或其它車輛發(fā)生的DSRC或ITS數(shù)據(jù)。

第二代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示，在第一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上引入動(dòng)力底盤域網(wǎng)關(guān)、車身域網(wǎng)關(guān)。動(dòng)力底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)通過動(dòng)力底盤域網(wǎng)關(guān)、車身域網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)和其它網(wǎng)段、域之間的數(shù)據(jù)交互，域網(wǎng)關(guān)兼有CAN、CAN-FD、Ethernet數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。中央網(wǎng)關(guān)僅需支持Ethernet數(shù)據(jù)交互功能即可。

3.5 汽車以太網(wǎng)傳輸協(xié)議

智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)以太網(wǎng)的應(yīng)用主要在三方面：主網(wǎng)絡(luò)、輔助駕駛、娛樂系統(tǒng)。其中輔助駕駛和娛樂系統(tǒng)主要傳輸AV數(shù)據(jù)（Audio Video數(shù)據(jù)），主網(wǎng)絡(luò)主要傳輸各域、各網(wǎng)段間交互的汽車數(shù)據(jù)。按照OSI參考模型，結(jié)合汽車應(yīng)用特性，智能網(wǎng)聯(lián)汽車以太網(wǎng)應(yīng)用到的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如下，如圖7所示：

輔助駕駛、娛樂系統(tǒng)傳輸AV數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間需要同步，選用汽車AVB（Audio Video Broadcasting）協(xié)議模型，兩層以太網(wǎng)協(xié)議模型（主要包括Layer1、Layer2）。其中Layer1物理層選用百兆快速以太網(wǎng)，應(yīng)用BroadR–Reach技術(shù)采用一對(duì)5類非屏蔽雙絞線。layer2數(shù)據(jù)鏈路層選用AVB特有的IEEE1722、IEEE802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS協(xié)議。802.1Qat流預(yù)留協(xié)議，解決網(wǎng)絡(luò)中A/V實(shí)時(shí)流量與普通異步TCP流量之間的競(jìng)爭(zhēng)問題。IEEE802.1Qav隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會(huì)干擾到實(shí)時(shí)音視頻流。IEEE1722，音視頻傳輸協(xié)議，定義了局域網(wǎng)內(nèi)提供實(shí)時(shí)音視頻流服務(wù)所需的二層包格式，A/V流的建立、控制及關(guān)閉協(xié)議等。對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的3-7層，用于放置A/V音視頻流數(shù)據(jù)，即IEEE1722數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)內(nèi)容。IEEE802.1AS，高精度的時(shí)鐘同步協(xié)議，實(shí)現(xiàn)A/V音視頻流間的時(shí)鐘同步[2，3，4]。

主網(wǎng)絡(luò)，傳輸各域、各網(wǎng)段間交互的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)。選用七層以太網(wǎng)模型，其中Layer1物理層選用百兆快速以太網(wǎng)，應(yīng)用BroadR–Reach技術(shù)采用一對(duì)5類非屏蔽雙絞線。layer2數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用通用IEEE802.3協(xié)議。Layer3-7不僅應(yīng)用TCP/IP協(xié)議簇中的IPv4、UDP、TCP、ARP、ICPM，還增加了汽車特有的DoIP、SOME/IP、DHCP、UDS、XCP協(xié)議。其中DoIP實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議的診斷通訊，SOME/IP實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)協(xié)議的動(dòng)態(tài)處理及軟件架構(gòu)，DHCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)主機(jī)IP分配，UDS實(shí)現(xiàn)汽車診斷功能，XCP完成基于以太網(wǎng)的標(biāo)定功能。

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

新型汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在滿足大數(shù)據(jù)傳輸需要的同時(shí)，使越來越多的汽車電子部件暴露在外。更廣闊的外延帶來更好的應(yīng)用和體驗(yàn)，也帶來了更多的攻擊入口。如何進(jìn)行系統(tǒng)綜合防護(hù)及防護(hù)功能的劃分，成為汽車網(wǎng)絡(luò)未來需要解決的問題。建立建全智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全管理需求，制定智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息安全測(cè)試規(guī)范，建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全應(yīng)急響應(yīng)體系，成為未來智能網(wǎng)絡(luò)汽車需要長(zhǎng)遠(yuǎn)解決的問題，需要政府、企業(yè)都要積極應(yīng)對(duì)的一場(chǎng)曠日持久戰(zhàn)。

未來更高清視頻數(shù)據(jù)的傳輸，需要采用千兆及千兆以上以太網(wǎng)傳輸，千兆以太網(wǎng)對(duì)汽車電磁兼容性問題是未來汽車技術(shù)需要解決的。

4 結(jié)語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)未來會(huì)迎來眾多挑戰(zhàn)，但任何問題和困難都阻擋不了汽車科技的進(jìn)步與技術(shù)的發(fā)展。相反，挑戰(zhàn)會(huì)促進(jìn)汽車技術(shù)的進(jìn)步、汽車安全法規(guī)的完善，給用戶一個(gè)更舒適、更先進(jìn)的駕車體驗(yàn)和乘車感知。

參考文獻(xiàn)：

[1]Assuring Performance， Quality， Reliability and Security of Automotive Ethernet ， Matthias Montag， SPIRENT Communications.

[2]IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Time-Sensitive Application in Bridged Local Area Networks. IEEE802.1AS.2011.

[3]IEEE Standard for Layer 2 Transport Protocol for Time-Sensitive Application in Bridged Local Area Net-works. IEEE 1722.2011.

[4] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks -Media Access Control （MAC） Bridges and Virtual Bridge Local Area Network. IEEE802.1Q.2005.