车辆内部通信架构图解说明（电子电气架构趋势）

这是NXP有关电子电气架构的一份演讲《OVERCOMING IN-VEHICLE COMMUNICATION CHALLENGES》。

智能汽车的车辆网络需要高性能、安全和可靠的通信连接，这带来了质量服务（QoS）和可靠性方面的挑战，要求车辆通信具备高可用性、低延迟和可靠性，保证车辆内部各系统正常运行。解决方案是采用标准化的方法，利用已有的车辆通信标准，确保通信的性能和安全性。

智能汽车生态系统中的各方合作伙伴也在积极协作，将这些标准方法和最佳实践应用于未来的车辆，共同打造高性能、安全和可靠的车辆通信能力。

图1 汽车通信网络的趋势

● 电子电气架构的进化

智能汽车是地球上最复杂的边缘设备之一，安全性、复杂性、精密传感、软件复杂性、计算要求、网络挑战等一系列复杂的设计要求。通过车辆数据驱动的洞察力可以通过车辆寿命内的OTA来驱动改进，这对提高安全性、效率和用户体验都具有重要意义。

智能汽车需要执行更多功能和应用程序，需要更多的软件、计算能力和电子控制单元，同时也需要更高的安全性和安全性。通过连续集成/连续部署、软件定义车辆和迁移到分区架构等方式，使车辆进化的速度越来越快。从传统的分布式架构到Domain、区域架构和集中化计算平台的演变，智能汽车的架构进化越来越卷。

1）Zonal架构：简化布线和连接

大幅减少线路布置和电缆成本

灵活的数据货币化

易于升级的硬件

2）中央计算平台：

可扩展和集中的软件开发

灵活和可扩展的软件环境高效支持用户定义的车辆

集中式OTA，易于升级的软件

图2 电子电气架构的进化

集中式EE架构实质性的挑战包括：

1. 演进管理旧软件与引入新软件，关注安全性

2. 安全执行关键应用程序，保障通信的安全性

3. 整合旧与新通信方式，混合CAN广播与Ethernet单播

4. 实现过程和通信隔离，确保功能分布与流量混合的隔离性

5. 启动与电源管理，追求快速启动、低功耗和故障安全分发

6. 保持有界的端到端延迟，在多跳网络中重新映射流量

7. 确保操作的可持续性，维持积极的成本效益平衡 

8. 时间感知配置多桥同步网络，具备强大的冗余性

图3 电子电气架构的挑战

● 往前走的解决和思考 

一）管理遗留软件的演进以及新软件的引入：保护旧软件投资，同时融入全生命周期的新软件功能

系统架构师面临的挑战：进行函数位置抽象以便进行物理重构+实现信号到服务的高效抽象

面向服务的架构作为解决方案

组件生成与消耗各种服务、预定义协议对传输媒体进行抽象、简化可组合模块化系统的开发，

二）管理新通信技术和老的网络

采用协议数据单元的形式进行数据传输、使用诸如AUTOSAR、I 1722 AVTP等协议、使用LIN、CAN、FlexRay、以太网等通信技术

高可能性情景：LIN、CAN和FlexRay用于域和区域内通信，以太网用于骨干网以满足速度和带宽需求

系统架构师的跨协议挑战：实现不同传输/通信协议的桥接+处理不同流的控制器角色

解决方案选择：考虑采用协议转换和/或隧道技术进行应对

图4 应对之道 Part 1

三）处理隔离和调度： 任务处理和隔离

在车辆控制中，控制器同时执行多个任务，这些任务源自不同应用程序，具备不同的服务质量（QoS）要求。任务涵盖了车辆的多个方面，如定位、音视频播放、感知、规划、预测、路由等。 系统架构面临多个挑战，其中包括不同任务之间的QoS要求冲突、设计阶段的行为不确定性，以及对处理资源的限制。 

解决方案：可供选择的解决方案有多种，包括提升处理资源和规格、采用先进的任务调度算法、应用硬件加速以及实施任务隔离

四）通信流管理和调度

在控制器输出端口，多个通信流汇聚，这些流涵盖不同应用程序，每个流具备不同的QoS要求。在通信流管理方面，面临诸多挑战，其中包括通信流之间的QoS要求冲突、设计阶段的行为不确定性，以及通信资源的限制。 

解决方案：可选的解决方案包括增加通信资源和其规格、在数据转换为信息的早期阶段进行处理，以及采用先进的通信流调度机制，如IEEE时间敏感网络（TSN）

图5 应对之道 Part2

IEEE TSN标准（时间敏感网络 TSN）是IEEE 802.1工作组的一个活跃分支，旨在提高网络性能，在不断地制定新的标准，为了改进网络的性能，尤其是关注网络中的时间敏感数据传输。TSN标准所包括的流量类型，包括：网络控制流量、音视频流量和流媒体流量。

四）智能汽车车载网络的趋势

OTA服务更新和动态通信模式：支持通过OTA接口的服务更新，同时需要动态调整通信模式，车辆软件和通信系统应具备高度的灵活性和适应性。 

网络组件的编程需求：组件需要编程，以确保正确的路由矩阵、策略和时间敏感网络（TSN）功能，车辆网络的配置和管理变得更加复杂，要求深入的技术知识和工程师的参与。 

不断增加的复杂性：车辆网络的复杂性日益增加，因为网络中存在临界性不同、规模各异以及异构硬件组件的节点。这使得网络的管理和维护变得更加复杂。 

五）软件定义网络（SDN）

全局视图：SDN提供对抽象化网络元素的拓扑和状态的全局视图，使网络管理员能够更好地理解整个网络的结构和性能。 

自动化、弹性和可扩展性：SDN可以实现网络配置和管理的自动化，从而赋予网络弹性（适应需求变化）和可扩展性（满足日益增长的需求）。 

YANG数据模型方法：SDN通常采用YANG数据模型方法，在IT和数据中心领域得到验证，描述和操作网络设备与服务提供了标准化的途径

图6 应对之道 Part3

● 总结

汽车电子的发展比我们想象更快，也需要更多的革新才会有更大的活力！

编辑：黄飞