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車載以太網(wǎng)通信效率問題分析及及其優(yōu)化設計

jf_94040343 ? 來源:jf_94040343 ? 作者:jf_94040343 ? 2025-01-06 14:32 ? 次閱讀

01 現(xiàn)狀和趨勢

在幾年前,各Tire1和OEM紛紛提公布了在整車EEA架構方面的方案,總體還是遵循著由分布式、到域控式、再到中央式的發(fā)展趨勢。當時的整車EEA架構還是以分布式為主,車內總線網(wǎng)絡還是以CAN,LIN總線為主。

經(jīng)過這幾年的發(fā)展,目前大部分乘用車的EEA架構已經(jīng)是域控式,部分已經(jīng)發(fā)展到了中央式。CAN、LIN仍式車內通信的主要網(wǎng)絡,但以太網(wǎng)也已經(jīng)成為車載網(wǎng)絡不可或缺的一部分。

根據(jù)現(xiàn)有資料分析發(fā)現(xiàn),EEA的發(fā)展速度比較快,以太網(wǎng)架構的發(fā)展速度比較慢。大部車內以太網(wǎng)還是點對點的星型網(wǎng)絡,或者叫樹形網(wǎng)絡,這種結構的優(yōu)點是結構清晰、層次分明;缺點是穩(wěn)定性差、實時性低、速率低。

車載以太網(wǎng)主要是近5到10年的產品,2020年發(fā)布MultG的標準,最大速率是10Gbps,但目前車實際應用的最大速率還是1Gbps。

根據(jù)之前行業(yè)內專業(yè)機構預測,在實現(xiàn)L4-L5級別的自動駕駛情況下,車內的網(wǎng)絡帶寬需求在15-25G。這個是包含車內所有類型網(wǎng)絡的需求,但以太網(wǎng)要承擔大部分的通信任務。

車載以太網(wǎng)承接了CAN、LIN等網(wǎng)絡的的部分傳傳輸功能,如車輛研發(fā)階段對車輛參數(shù)的標定數(shù)據(jù)的傳輸,車輛運行過程中行車控制、車身控制和娛樂信息等車控信息的傳輸,售后維修階段車輛的診斷、刷寫數(shù)據(jù)的傳輸。

另外,在車輛智能化方面的功能,比如V2X,數(shù)據(jù)上云,音視頻流等都需要通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

在軟件定義汽車的概念下,以太網(wǎng)已成為車內通信不可少的核心技術。車內以太網(wǎng)相關的應用會越來越多,越來越復雜。

02 關鍵問題

目前車內以太網(wǎng)在應用過程中仍存在一些問題。

首先,以太網(wǎng)的通信速率不足。汽車的功能越來越多、越來越復雜,對以太網(wǎng)速率的需求越來越大。需求是主觀的,沒有客觀規(guī)律,但以太網(wǎng)技術的發(fā)展是要遵循科學規(guī)律的,而且是需要一定的時間投入。需求高和技術發(fā)展慢的矛盾,引發(fā)了速率不足的問題。

其次,以太網(wǎng)的實時性不夠,穩(wěn)定不高。車載應用對網(wǎng)絡的實時性和穩(wěn)定性要求比較高,數(shù)據(jù)的延時或丟失不僅會影響使用感受,更可能會引發(fā)人身安全得問題。

以太網(wǎng)設計之處的主要目標是傳輸信息,重點是把數(shù)據(jù)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方,是一種盡最大努力(best effort)交付得通信技術。設計目的和用應用場景不匹配,引發(fā)了對實時性和穩(wěn)定性方面的擔憂。

總的來說,目前的問題的原因是“資源”與“需求”不匹配造成的,需求太多,資源不夠。

針對這些問題,目前已有一些“開源”的解決方法:

通信速率不足,可以增加鏈路,增加節(jié)點間的帶寬,這樣單位時間內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)變多,從而提高節(jié)點間的傳輸速率。環(huán)形網(wǎng)絡也是增加鏈路這種方法的具體實現(xiàn)。

針對實時性、穩(wěn)定性不高的問題,目前提及最多的是使用TSN技術,TSN技術上提供了豐富的流量管理方法,以確保關鍵的數(shù)據(jù)被準時、穩(wěn)定的傳輸,從而解決實時性、和穩(wěn)定性的問題。

增加鏈路、使用TSN技術,會增加軟硬件成本和開發(fā)技術難度;特別是使用TSN技術,在整車設計、軟件開發(fā)和測試上的實現(xiàn)難度比較大,成本也較高。

相對前面提到的“開源”方法,我們發(fā)現(xiàn)使用一些“節(jié)流”方法以應對當前的問題將會更加有效。

TSN技術的核心是提高網(wǎng)絡的確定性,使數(shù)據(jù)流有規(guī)律,減少沖突,從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率,這也是一種“節(jié)流”的方法。

本文將介紹一種在SOA通信設計中,怎樣提高以太網(wǎng)通信效率的方法。

03 通信協(xié)議

目前車載SOA開發(fā)使用的兩個重要的協(xié)議是SOMIP和DDS。

SOME/IP協(xié)議格式:

wKgZPGd7eKWAb8h5AAGKPc1qphw158.png

DDS-RTPS協(xié)議格式:

wKgZPGd7eKqAPwHAAAE9aRVGvU0221.png

wKgZPGd7eK-AZ-W0AAJnOGqZUyQ902.png

wKgZO2d7eLOAaHCxAADzE-2VaV4821.png

協(xié)議格式被分為兩個主要部分:Header 部分和Payload部分。DDS協(xié)議比SOME/IP協(xié)議有更多的Header數(shù)據(jù),因為DDS協(xié)議在功能上會比SOMEIP多很多,但DDS協(xié)議比SOMEIP在通信效率上會低。

以太網(wǎng)各層協(xié)議效率曲線圖:

wKgZPGd7eLeAWIatAADB1JD4fsQ473.png

通過上面這張效率曲線圖我們可以清晰發(fā)現(xiàn),越是上層的協(xié)議,以太網(wǎng)的效率越低。

如果在SOA通信設計中我們不認真考慮通信效率的問題,會造成以太網(wǎng)帶寬的浪費,使現(xiàn)在以太網(wǎng)應用的問題更加突出。

其實,在SOA通信設計中設計合理負載大小進行通信,就可以提高有效地提高以太網(wǎng)的通信效率。

以SOME/IP為例,進一步分析了該協(xié)議的通信效率。如下圖:

wKgZO2d7eLyAYrJHAABxHfi4emU764.png

由曲線清晰可知,負載字節(jié)越多,通信效率越高;但此曲線不是直線,說明隨著負載字節(jié)的增加,效率提升的速率在降低。

04

設計方法

以車身服務為例,在傳統(tǒng)的SOA通信設計中,車身域控制器作為服務的提供者,將直接部署車身相關的所有原子服務,并對外暴漏所有原子服務的所有接口

這種部署方法的優(yōu)點就是部署關系直觀清晰,接口都是獨立的,獲取信息更加靈活;缺點就是通信效率低,另外因為負責直接跟外界通信的服務比較多,服務的管理策略會比較復雜。

wKgZO2d7eMGAEvqDAADY4HJqdfY805.png

為提高網(wǎng)絡通信效率,利用分層服務的設計理念,在原子服務下層增加通信服務,專門用于與外部節(jié)點進行通信。

通信服務不直接面向功能應用,在服務接口設計上更加靈活,可充分提高以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)效率。

wKgZPGd7eMaAGr0GAAJkslF4ZaU118.png

這種服務設計的優(yōu)點是通信效率高,服務管理策略簡單;缺點是會增加設計、開發(fā)和測測試上的復雜度;難點是怎么組合服務,怎么組合接口。

信息的組合在CAN、LIN網(wǎng)絡通信中已被成熟的運用,Byte中Bit的組合、PDU中Byte的組合,是CAN、LIN網(wǎng)絡設計中必不可少的能力。

以太網(wǎng)相對于CAN網(wǎng)絡有更復雜的拓撲結構、更豐富的層間協(xié)議、更多樣的通信方式,可以實現(xiàn)更為廣泛的應用功能,因此它在應用設計中的組合方法也會更加多樣,難度也會更加高。針對不同應用場景下的不同需求,組合方法也不近相同。

審核編輯 黃宇

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