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实现极高的汽车网络性能

日期: 2019-10-21
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仅仅在一代人的时间里,电子技术和处理器技术几乎就已经改变了我们生活中的所有方面 – 在车辆工程上最为显著。电子元件、软件和处理能力的范畴不仅改变了车辆的运行方式,而且还改变了我们对车辆的看法 – 车辆现在更像是移动的计算机,而不再是机器。

在 2010 年到 2016 年之间,现代汽车中软件代码的行数 (SLOC) 已经在以 15 为系数不断的扩张,从 1000 万行发展到了约 1.5 亿行。预计对于全部车辆来说,软件的平均份额将以 11% 的年复合增长率发展下去,从当今 D 级车或者更大型汽车的 10%(约为 1,220 美元)增至 2030 年的 30%(5,200 美元左右)。

强大的计算能力、巨大的带宽和速度都是处理形形色色的传感器生成的海量数据的必备条件,从而满足车辆日益实现网络化与自动化的要求。5G 移动网络连接的目标是将我们周围的万事万物全部互连到一个数据网络,该网络可以提供必要的速度与响应时间,从而供完全的利用自动驾驶汽车的各种功能。
半导体公司当前都在开发新型的微处理器,能够为多区域车辆架构(图 1)实现高达 10 Gbps 及以上的高带宽数据传输速率。这就会将车辆从移动的计算机转化成车轮上的数据中心,并且使自动驾驶汽车实时做出复杂的决策。
随着现有的汽车网络已经不足以应对未来汽车的各种需求,以太网现已作为高速数据传输的一种最重要的协议而浮现了出来。对数据速率的需求正在不断的攀升,愈发提升了多层安全措施以及无缝连接起软硬件及互连布线系统所需的各种接口的重要性。以太网是一种成熟、稳定而又久经考验的技术,可以提供极高的速度与安全性,从而成为了一种标准。然而,与大多数传统上的以太网应用相比,以太网架构必须能够在车辆中恶劣的多的条件下良好工作。如此一来,这类网络就必须要更加的稳健,因为它们要接触到极端的温度、湿度、水分、振动和冲击,并且还必须能够耐受极大的电磁干扰 (EMI)。
将车辆的电子元件和电子设备分布到多个区域中,可以使 CAN 和 LIN 之类较老一些的汽车通信协议以及各种新的标准整合到基于以太网的车辆架构之中。专用网关可以构成原有的 ECU 设备与发展中的车载以太网络之间的接口,便于形形色色的协议通信方式融入到更大规模的以太网架构当中。它们可以聚合起传感器数据,然后转发到一个或多个高级驾驶辅助系统 (ADAS)/自动驾驶 (AD) 传感器,在其中做出决策并将相应产生的车辆命令通过高速网络传输到各个区域的网关。在那里,网关会将命令通过以太网或原有的网络转发到控制单元。
各种各样的传感器,例如雷达、激光雷达以及高分辨率摄像头等等,都在不断的收集有关周边环境的数据,并且通过以太网连接到网关。车辆工程师将会依靠高时效网络 (TSN) 来实现域间通信并满足实时的要求。TSN 可以确保为网络流量划分出所需的优先级,从而对于安全性至关重要的各种功能就不会被来自信息娱乐系统方面的数据流之类的其他活动所阻碍。
在后视摄像头的例子中,一个负责检测物体是否阻挡进一步传播的信号会通过 100 兆比特的以太网线缆发送到网关。网关将所有的引入数据聚合到一个大的数据流中,然后通过 10 千兆的以太网链路实时发送到 ADAS/AD 服务器。在那里,软件会对来自后视摄像头的信号做出决策。然后,将向制动控制单元发送一个制动命令,该单元就会相应的启动制动器以使车辆停下。后视摄像头的信号转发会优先处理,这样关键的功能就不会被非关键的网络流量所中断。
多区域网关控制的概念采用了冗余来建立起自动防故障的功能性网络,从而达到所需的极高安全性。

接插件式的连接器和线缆能够在车辆的总寿命期间提供信号上的完整性,对于高速网络连接的可靠性来说,是一个决定性的因素。可靠性不得受到 EMI 或者热过程的影响。

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