車載通訊技術都有哪些

一、背景隨著整車電子電氣架構朝著域集中再到中央集成的發(fā)展，為支持自動駕駛、車聯網等新技術的應用，在系統(tǒng)的運行過程中對所涉及的大量數據的傳輸速率、安全性、抗干擾性等方面的要求不斷提高，在此背景之下傳統(tǒng)的CAN/LIN等車載網絡通信漸漸無法滿足車載主干通信網絡的要求了。隨之而來的是如CAN-FD、HDBase、CAN-XL、TCP、DDS、SOME/IP、5G等高帶寬、低延時、多冗余、高可靠的新車載網絡技術的應用。表1車載網絡通信技術發(fā)展方向高帶寬低延時CAN-FD（XL）、HDBase、10M-Base-T1、100MBase-T1、1000MBase-T1、2.5/5/10GBase-T1CAN-FD、UDP、TSN高可靠車云協同TCP、SOME/IP、TSN、DDSLTE、LTE-V2X、5G-V2X在當前各主機廠車型的電子電氣架構正處于域/域融合往中央集成發(fā)展的過程中，整車通過以太網為主干網絡形成域之間的信息交互，而域內子網絡由于對數據的要求略低，則仍然采用成本更低的CAN為通信網絡，不過隨著技術及數據要求的提高，CAN通信也正朝著CAN-FD轉變。圖1以太網為主干網絡的域/中央集成電子電氣架構二、CAN/CAN-FD/CAN-XLCAN總線屬于共享式通信，其通信速率相對較低，在汽車傳輸數據量激增的當下，其已經漸漸無法滿足使用需求。而CANFD總線在繼承了CAN總線的絕大多數特性的同時，不僅提高可帶寬同時通信的速率也進一步得以提升，最高通信速率可達8MBit/s，在高帶寬高傳輸速率之下總線負載反而得到了降低，同時CANFD又可很好兼容現有CAN網絡，因此CAN正逐漸朝CAN-FD轉變。在以以太網為主網絡的拓撲架構中，CAN-FD的通信速率雖較之傳統(tǒng)CAN得以提升，但該提升的速率在某一環(huán)境之下仍無法滿足使用要求，但若使用帶寬更高的以太網，則在成本等方面又難以做到最佳，因此一種介于CAN-FD與100BASE-T1以太網之間的新技術即CAN-XL被提出。相較之下CANXL具有如下優(yōu)點：表2CANXL優(yōu)點在上表中我們知道由于CANFD與CANXL兼容，因此在EEA設計時通常可選擇混搭配合使用或者單一使用以達到系統(tǒng)的最優(yōu)。在混合CAN-FD/XL網絡中，可以在同一總線上使用2個數據比特率?？蛇x擇帶寬和價格最優(yōu)化的終端，特點如下：（1）Arbitration-Phase（仲裁段）：500kbit/s；（2）FDData-Phase（CANFD數據段）：2Mbit/s；（3）XLData-Phase（CANXL數據段）：5to8Mbit/s（NOmodeswitch）；（4）ErrorSignaling（錯誤標定）：ENABLED（允許）。圖2混合CAN-FD/XL網絡在純CAN-XL網絡中，所有的CAN-XL節(jié)點都具有相同的比特率，特點如下：（1）Arbitration-Phase（仲裁段）：650kbit/s；（2）FDData-Phase（CANFD數據段）：notused（未使用）；（3）XLData-Phase（CANXL數據段）：12to20Mbit/s；（4）ErrorSignaling（錯誤標定）：DISABLED（不允許）。圖3純CAN-XL網絡CAN總線協議種類有多種，目前于整車中根據不同應用環(huán)境被搭配應用著，這三者之間的規(guī)格對比見下表：表3CAN、CAN-FD、CAN-XL特征對比三、車載以太網由于汽車行業(yè)的發(fā)展，目前在整車通信網絡中，車載以太網是繼CAN之后被普遍應用的一種局域網技術，當前其速率可達到1Gbps（千兆以太網），在整車智能化方面被作為主干網絡使用，其部分特性與傳統(tǒng)總線技術相比如下表：表4各總線技術特性對比目前市面上成熟的車載以太網技術標準包括：百兆帶寬100BASE-T1和千兆帶寬1000BASE-T1。其中1000BASE-T1具有1Gbps的高傳輸速率的同時，還具有高可靠性、低電磁輻射、低功耗、同步實時性等特性。另外該以太網技術還可實現以太網供電（POE）功能和高效節(jié)能以太網（EEE，Energy-EfficientEthernet）功能，POE功能可在發(fā)送數據的同時為網絡的終端設備提供電源，這不僅省去了終端外接供電，還降低了線束的復雜度，同時還符合智能汽車架構的雙環(huán)（供電、數據）網絡拓撲的概念。車載以太網分層協議模型與OSI模型（開放式系統(tǒng)互聯通信參考模型）的對應關系如下圖。圖4

車載以太網協議模型1）物理層通過BroadR-Reach技術的應用，能夠提供100Mbps及更高的寬帶性能，當前主要應用100BASE-T1及100BASE-TX兩種規(guī)格。其中100BASE-T1多用于車輛內部以太網網絡，而100BASE-TX多用于診斷系統(tǒng)，如DoIP等。該技術的應用可實現30%的線束減重并降低80%的通信連接成本。2）車載時間敏感網絡（TSN）是AVB（以太網音視頻橋接）的進一步拓展，通過引入時間觸發(fā)式以太網的理念，具有精準的流量調度能力，能滿足汽車控制類數據傳輸的超低時延要求，在汽車控制系統(tǒng)中，可以降低給汽車和專業(yè)A/V設備增加網絡功能的成本及復雜性。目前TSN技術在車載以太網中的應用主要包括：底層交換芯片、PHY接口、MAC層控制協議等。同時，還可和上層應用協議（如DDS：DataDistributionService）配合，支持多種QoS策略的高可靠、確定性時延條件下的數據傳輸。TSN相關協議包括IEEE802.x系列化協議簇，涵蓋時間同步、高可靠性、確定時延、場景增強、資源管理等方面。圖5車載以太網協議模型3）上層協議車載以太網上層協議包括TCP/IP、AVB、SOME/IP、DDS等。其中SOME/IP（Scalableservice-OrientedMiddlewarEoverIP）定義了面向服務的通信傳輸方法，一種基于車載以太網協議的、面向服務的靈活中間件，是解決SOA通信的關鍵技術。SOME/IP主要提供以下功能：數據序列化與反序列化（Serialization/Deserialization）：服務通信數據與二進制數據流之間的雙向轉換；可用服務發(fā)現（SD）：管理服務狀態(tài)，發(fā)現和提供服務，動態(tài)配置SOME/IP報文發(fā)送；服務發(fā)布與訂閱（Publish/Subscribe）：管理服務的發(fā)布與訂閱關系；遠程服務調用（RPC）：實現控制器（Client）使用網絡內其他控制器（Server）提供的服務。為在異構平臺的域控制器上實現SOA軟件架構，通過SOME/IP協議的部署實現基于面向服務的通信，如下參考方案：圖6

部署SOME/IP協議的SOA軟件方案在域控制器的應用方案之一DDS（DataDistributionService）是用于數據分發(fā)/訂閱的通信中間件協議和應用程序接口（API）標準，它為系統(tǒng)提供低延遲、高可靠性、可擴展的通信架構標準。中間件的存在簡化了ASW開發(fā)工作，開發(fā)人員只需將精力放在應用程序本身，而無需在不同的應用程序或系統(tǒng)之間的數據傳輸上花費太多精力。圖7DDS架構DDS采用DCPS（Data-CentricPublish-Subscribe，以數據為中心發(fā)布/訂閱）通信機制，為系統(tǒng)提供一個與平臺無關的數據模型。它允許應用程序實時發(fā)布擁有的信息，并訂閱需要的信息，能很好的處理不可靠網絡通信中數據自動發(fā)現、可靠性和冗余性等問題。圖8DD