车载以太网通信效率问题分析及及其优化设计

原创 谈思汽车 2024-12-31 11:06

 智能汽车网络与数据安全新媒体 

01

现状和趋势

在几年前,各Tire1和OEM纷纷提公布了在整车EEA架构方面的方案,总体还是遵循着由分布式、到域控式、再到中央式的发展趋势。当时的整车EEA架构还是以分布式为主,车内总线网络还是以CAN,LIN总线为主。

经过这几年的发展,目前大部分乘用车的EEA架构已经是域控式,部分已经发展到了中央式。CAN、LIN仍式车内通信的主要网络,但以太网也已经成为车载网络不可或缺的一部分。

根据现有资料分析发现,EEA的发展速度比较快,以太网架构的发展速度比较慢。大部车内以太网还是点对点的星型网络,或者叫树形网络,这种结构的优点是结构清晰、层次分明;缺点是稳定性差、实时性低、速率低。

车载以太网主要是近5到10年的产品,2020年发布MultG的标准,最大速率是10Gbps,但目前车实际应用的最大速率还是1Gbps。

根据之前行业内专业机构预测,在实现L4-L5级别的自动驾驶情况下,车内的网络带宽需求在15-25G。这个是包含车内所有类型网络的需求,但以太网要承担大部分的通信任务。

车载以太网承接了CAN、LIN等网络的的部分传传输功能,如车辆研发阶段对车辆参数的标定数据的传输,车辆运行过程中行车控制、车身控制和娱乐信息等车控信息的传输,售后维修阶段车辆的诊断、刷写数据的传输。

另外,在车辆智能化方面的功能,比如V2X,数据上云,音视频流等都需要通过以太网进行数据传输。

在软件定义汽车的概念下,以太网已成为车内通信不可少的核心技术。车内以太网相关的应用会越来越多,越来越复杂。

02

关键问题

目前车内以太网在应用过程中仍存在一些问题。

首先,以太网的通信速率不足。汽车的功能越来越多、越来越复杂,对以太网速率的需求越来越大。需求是主观的,没有客观规律,但以太网技术的发展是要遵循科学规律的,而且是需要一定的时间投入。需求高和技术发展慢的矛盾,引发了速率不足的问题。

其次,以太网的实时性不够,稳定不高。车载应用对网络的实时性和稳定性要求比较高,数据的延时或丢失不仅会影响使用感受,更可能会引发人身安全得问题。

以太网设计之处的主要目标是传输信息,重点是把数据从一个地方传输到另一个地方,是一种尽最大努力(best effort)交付得通信技术。设计目的和用应用场景不匹配,引发了对实时性和稳定性方面的担忧。

总的来说,目前的问题的原因是“资源”与“需求”不匹配造成的,需求太多,资源不够。

针对这些问题,目前已有一些“开源”的解决方法:

通信速率不足,可以增加链路,增加节点间的带宽,这样单位时间内传输的数据变多,从而提高节点间的传输速率。环形网络也是增加链路这种方法的具体实现。

针对实时性、稳定性不高的问题,目前提及最多的是使用TSN技术,TSN技术上提供了丰富的流量管理方法,以确保关键的数据被准时、稳定的传输,从而解决实时性、和稳定性的问题。

增加链路、使用TSN技术,会增加软硬件成本和开发技术难度;特别是使用TSN技术,在整车设计、软件开发和测试上的实现难度比较大,成本也较高。

相对前面提到的“开源”方法,我们发现使用一些“节流”方法以应对当前的问题将会更加有效。

TSN技术的核心是提高网络的确定性,使数据流有规律,减少冲突,从而提高数据传输效率,这也是一种“节流”的方法。

本文将介绍一种在SOA通信设计中,怎样提高以太网通信效率的方法。

03

通信协议

目前车载SOA开发使用的两个重要的协议SOMIP和DDS

SOME/IP协议格式:

DDS-RTPS协议格式:

协议格式被分为两个主要部分:Header 部分和Payload部分。DDS协议比SOME/IP协议有更多的Header数据,因为DDS协议在功能上会比SOMEIP多很多,但DDS协议比SOMEIP在通信效率上会低。

以太网各层协议效率曲线图:

通过上面这张效率曲线图我们可以清晰发现,越是上层的协议,以太网的效率越低

如果在SOA通信设计中我们不认真考虑通信效率的问题,会造成以太网带宽的浪费,使现在以太网应用的问题更加突出。

其实,在SOA通信设计中设计合理负载大小进行通信,就可以提高有效地提高以太网的通信效率。

以SOME/IP为例,进一步分析了该协议的通信效率。如下图:

由曲线清晰可知,负载字节越多,通信效率越高;但此曲线不是直线,说明随着负载字节的增加,效率提升的速率在降低

04

设计方法

以车身服务为例,在传统的SOA通信设计中,车身域控制器作为服务的提供者,将直接部署车身相关的所有原子服务,并对外暴漏所有原子服务的所有接口。

这种部署方法的优点就是部署关系直观清晰,接口都是独立的,获取信息更加灵活;缺点就是通信效率低,另外因为负责直接跟外界通信的服务比较多,服务的管理策略会比较复杂。

为提高网络通信效率,利用分层服务的设计理念,在原子服务下层增加通信服务,专门用于与外部节点进行通信。

通信服务不直接面向功能应用,在服务接口设计上更加灵活,可充分提高以太网传输数据效率。

这种服务设计的优点是通信效率高,服务管理策略简单;缺点是会增加设计、开发和测测试上的复杂度;难点是怎么组合服务,怎么组合接口。

信息的组合在CAN、LIN网络通信中已被成熟的运用,Byte中Bit的组合、PDU中Byte的组合,是CAN、LIN网络设计中必不可少的能力。

以太网相对于CAN网络有更复杂的拓扑结构、更丰富的层间协议、更多样的通信方式,可以实现更为广泛的应用功能,因此它在应用设计中的组合方法也会更加多样,难度也会更加高。针对不同应用场景下的不同需求,组合方法也不近相同。

-  THE END  -



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