摘要

自主駕駛和聯網汽車的趨勢已將基于域控制器的網絡中線束的可擴展性推向了極限。一種解決方案是將線束和ECU組織在空間區域的分區架構。對于空間區域的互連來說，必須有一條高性能的主干線。在這種情況下，ERIKA項目側重于開發一個基于OFDMA的車載通信主干網。OFDMA，從無線(LTE)或電力線通信而來，通過使用時間和頻率多路復用的雙絞線對提供多個同時傳輸的高性能。在這項工作中，我們對項目活動進行了概述，并介紹了基于OFDMA的汽車系統以太網機制。這些都可以減少布線開銷，處理不同的流量類別，支持敏捷的軟件集成，并增加穩健性以避免故障。

I.簡介

近幾十年來，汽車電氣和電子系統的復雜性穩步增加。此外，軟件組件變得高度相互依賴和相互聯系。近年來，建立了基于域控制器的IVN架構，如圖1所示。傳統上，為了滿足不斷增長的功能需求，需要增加更多的總線來擴展公共領域(底盤、動力總成、內飾、ADAS)。這也增加了電纜線束的復雜性，使可擴展性更具挑戰性。然而，目前自動駕駛和聯網汽車的趨勢已經使這種傳統的方法達到了極限[1], [2]。

在傳感器和自動駕駛應用的推動下，數據速率和延遲要求正在迅速增加。標準總線系統，如CAN(-FD)、LIN、FlexRay和MOST，在數據速率、可擴展性和靈活性方面都不適合。在數據量和速度方面，交換式以太網是目前最先進的。然而，交換式以太網并不能解決線束的制造問題。

圖1.基于域控制器的通信系統。

這些問題促使車內網絡（IVN）轉向分區結構，見圖2，將線束分解成更小的部分[1],[2], [3]。根據這種方法，車內網絡被劃分為由高速鏈路連接的區域--主干網。與此同時，鏈路容量也得到了提高，例如1gbit/s[4]甚至10gbit /s，并且經常考慮更高的傳輸速度等級。為了實現這些目標，通常考慮的IVN解決方案是以太網，通過處理時間和延遲要求（服務質量）的一系列擴展--時間敏感網絡（TSN）標準[5]。

圖2.區域性骨干通信系統。

在這種情況下，"Elektromobilitat mit Redundanter Intelligenter Kommunikationsarchitektur"（ERIKA）項目的重點是引入一個新的高性能主干總線系統，提供與以太網的兼容性。該解決方案是基于無線和有線通信中已知的正交頻分多址（OFDMA）技術[6], [7]。用OFDMA接入不同的頻率，可以在同一條電纜上進行平行傳輸，并與時分多路接入（TDMA）相結合，使信息傳播的靈活性達到一個新的高度。對于上層的協議，基于OFDMA的以太網是為了對ip通信透明。

由此產生的主干技術，即基于OFDMA的以太網，通過時間和頻率復用實現了多路同時傳輸。在這樣的架構中，目前的交通將只消耗總頻率帶寬的一小部分，為其他類別的車輛通信，如傳感器數據，留下了空間。

在本出版物中，我們總結了ERIKA聯盟提出的解決方案的主要特點，其中包括：處理不同的流量類別，對永久性故障的穩健性，減少線束的復雜性，并通過隔離的私人資源支持敏捷的軟件開發。

以下是本文的結構：在第二節，我們討論了對未來IVN的要求。然后，在第三節中，我們簡要介紹了所開發的基于OFDMA的以太網骨干網的運行和主要架構特點。隨后，我們在第四節中對該方法進行了定性評估，將其與第二節中的要求中普遍考慮的汽車以太網方法相比較。第五節總結了最重要的發現。

在這種情況下，"Elektromobilitat mit Redundanter Intelligenter Kommunikationsarchitektur"（ERIKA）項目的重點是引入一個新的高性能主干總線系統，提供與以太網的兼容性。該解決方案是基于無線和有線通信中已知的正交頻分多址（OFDMA）技術[6], [7]。用OFDMA接入不同的頻率，可以在同一條電纜上進行平行傳輸，并與時分多路接入（TDMA）相結合，使信息傳播的靈活性達到一個新的高度。對于上層的協議，基于OFDMA的以太網是為了對ip通信透明。

由此產生的主干技術，即基于OFDMA的以太網，通過時間和頻率復用實現了多路同時傳輸。在這樣的架構中，目前的交通將只消耗總頻率帶寬的一小部分，為其他類別的車輛通信，如傳感器數據，留下了空間。

在本出版物中，我們總結了ERIKA聯盟提出的解決方案的主要特點，其中包括：處理不同的流量類別，對永久性故障的穩健性，減少線束的復雜性，并通過隔離的私人資源支持敏捷的軟件開發。

以下是本文的結構：在第二節，我們討論了對未來IVN的要求。然后，在第三節中，我們簡要介紹了所開發的基于OFDMA的以太網骨干網的運行和主要架構特點。隨后，我們在第四節中對該方法進行了定性評估，將其與第二節中的要求中普遍考慮的汽車以太網方法相比較。第五節總結了最重要的發現。

II. 對汽車系統通信的要求

為了建立一個分區IVN的骨干通信系統，需要更詳細地考慮通信問題。表一從常用總線技術的角度概述了當今汽車中不同的通信用例(見列1)。在進一步的步驟中，該通信用例按照通信類型進行分組和分類。

表一的結構有三個方面：

第一：數據率從上到下遞減。

第二：在右邊一欄中，有一個用顏色或用字符A到E突出的類的分布。

? A（紅色）：具有高比特率的連續數據流，沒有幀；例如，對相機圖片的拼接有硬性的時間要求。

? B（藍色）：典型的以太網最佳流量；沒有硬性計時要求；以太網幀高達1522字節。

? C（橙色）：需要低延遲和數據流保留；例如AVB。

? D（綠色）：短信息幀；沒有硬性時間要求。

? E（黃色）：低延遲和/或低周期時間；例如，底盤控制或安全氣囊點火。

第三："使用的標準"這一欄顯示了以太網中已經可用的技術之間的映射。

我們的主干總線必須滿足A到E類的通信要求，以及下面列出的其他要求:

? 支持開發過程，因為IVN的開發可能會持續遷移，而代跳躍則會有很大的突破。

?支持軟件開發

——在以太網通信的高級ISO/OSI層中的無縫集成

圖3. 頻率和子載波與子帶之間的相關性。

——支持服務導向

——敏捷式軟件開發

? 線束：

——減少包裝、重量和電纜的數量

——賦予自動化制造能力

? 靈活性：

——HW的更新/擴展

——智能處理通信技術（LIN、CAN、FleyRay......），例如隧道

——可擴展性。例如，在汽車等級、驅動技術和指令選項上。

? 能源消耗：

——PHY的低能量消耗

——通過部分聯網實現低能耗

? 全面降低復雜性

? 降低成本

——易于集成現成的組件

? 安全

——使用以太網的通用標準，如MAC-sec

?保障

——支持冗余

—— 自愈和智能退化

III.OFDMA作為潛在的汽車車載通信網絡的作用

未來的車載通信網絡必須滿足上述的要求。為了實現這一目標，我們使用了一種常見的已知技術--OFDMA[8]。OFDMA是正交頻分復用（OFDM）的延伸，它使用頻分多址（FDMA）。OFDM被廣泛用于消費行業，因此是一項知名的技術。

它特別用于移動通信，如WLAN、UMTS、LTE、5G或基于電纜的系統，如DOCSIS或電力線通信（PL）[9] （如ITU G.hn[7]）。然而，通信信道是高度不變的，并遭受到可能的扭曲。為了實現高性能和穩健的通信，OFDMA使用分布在一個頻率范圍內的子載波，如圖3所示。

圖4是一個簡化框圖，概述了OFDMA調制過程。數據的處理從串行到并行的轉換開始，將數據映射到星座圖上。下一步，計算快速傅里葉反函數（IFFT）。然后，數模轉換器（DAC）產生一個模擬信號。

由于OFDM引擎是按時間片工作的，模擬信號被分割成所謂的OFDMA符號s(t)并進行傳輸。為了解碼，傳入的OFDMA符號r(t)被過濾并通過模數轉換器(ADC)，快速傅里葉函數(FFT)使以下的信號估計能夠接收傳輸的數據。 OFDMA能夠滿足在數據速率、穩健性和適應性方面的預期要求。

圖4. 頻率和子載波與子帶之間的相關性。

這使得它在-車輛通信網絡中的應用也非常有趣。OFDMA支持所有類型的銅線。為了獲得良好的高頻信道質量，最好是采用菊花鏈。與普通的車載數據網絡相比，它使用編碼方案按順序傳輸信息。OFDMA允許在大量的子載波上并行調制頻域信息，從而使數據傳輸達到一個新的高度。子載波的數量取決于傳輸通道的質量，取決于電纜質量、拓撲結構和整體頻率帶寬。

圖5. OFDMA符號的頻域和時域用法。

圖6. 基于以太網的骨干網的電纜長度。

此外，與非OFDMA系統相比，基于OFDMA的總線，網絡設計者在時域和頻域的信息分配上具有更大的靈活性。數據可以在一個子帶中以低數量或高數量的子載波進行傳輸。第一個結果是慢速傳輸第二個是快速傳輸。在下文中，多個子載波的集合被稱為一個子帶。

圖5顯示了被分為六個子帶的頻段，每個子帶包含幾個資源塊。由于OFDMA符號長度，每個資源塊在時域上受到限制，而在頻域上則由于子帶中子載波的數量而受到限制。一個時間間隔的資源塊的組合被稱為OFDMA符號。將信息分配到時間和頻率網格內的資源塊中，這將是一個可能的應用，例如，確保帶寬小或時間間隔短的外部失真不會影響大部分的信息。此外，丟失符號的數據可以通過FEC進行重建。這種資源塊的分布在圖8中是示范性的。

IV.技術對比

新的分區IVN主干網必須為軟件集成提供靈活性，并確保穩健性，同時不增加線束的復雜性和違反第二節中討論的其他要求。在下文中，我們將描述基于OFDMA的以太網如何滿足這些要求，并詳細說明哪些具體功能對骨干網的部署具有意義。此外，還給出了基于OFDMA的以太網功能和交換式以太網解決方案之間的比較。

A.線束

分區結構加上以太網或基于OFDMA的以太網作為骨干網是一個有希望的解決方案，以減少線束的復雜性[1], [2], [3]，這是未來IVN的主要挑戰之一。以太網通信架構被設計為提供所需的帶寬。然而，額外的功能被用來確保傳輸延遲和確定性行為的所需限制。

在交換式以太網的情況下，網絡是通過交換機和終端節點之間的點對點連接建立的。每增加一個終端節點，交換機上也必須保持一個可用的端口。這導致了可用端口過少或過多的情況，特別是在不同的配置變體方面。

圖6顯示了一個實際的基于以太網的主干體系結構示例，其中包含所使用的電纜長度。它還顯示了控制器的空間分布以及分區分配。總的來說，需要三臺帶有3個、6個和7個以太網端口的交換機將整個車輛的17個控制單元分別連接到骨干網絡。所有鏈接的長度為52米。

與交換式以太網相比，用OFDMA實現的主干網只需要一根電纜。

圖7. 基于OFDMA的以太網骨干網的電纜長度。

每個電子控制單元（ECU）都是一個接一個地連接，形成一個菊花鏈。請記住，主干網的數據速率應該比交換式以太網解決方案的鏈路高一個數量級。這將大大減少布線。圖7顯示了這樣一個設置，17個ECU的分區分配通過UTP電纜連接。這里的總長度為28米，即與圖6的例子相比，減少了47%的電纜。因此，基于OFDMA的以太網的優勢隨著ECU數量的增加而增加。

B.OFDMA的優勢

汽車系統是混合關鍵的，即它們集成了對乘客安全至關重要的功能(因此，經過仔細設計和測試)和行為在很大程度上未知的不關鍵的功能(例如多媒體)。ISO 26262標準要求"足夠的獨立性"，由服務質量（QoS）機制支持，確保不同流量關鍵性之間的干擾是已知的和有限度的。 用于交換式以太網的IEEE TSN標準（考慮用于汽車應用）提供了限制干擾和確保不同等級之間"充分獨立 "的機制，例如，優先級IEEE802.1Q，流量整形IEEE802.1Qav[10]，嚴格的時間分離IEEE802.1Qbv[11]。所有這些功能都是在OSI模型的第2層引入的。這是因為在物理層中，所有的傳輸通常都是串行化的。在任何時候，一個連接上只有一個數據包被傳輸（參考常用的IEEE802.3[12]）。 在這種情況下，在基于OFDMA的以太網鏈路上，一個選定的子帶被用來在一條線上傳輸數據，參見第三節的技術概述。

圖8. 對不同類型數據流的頻率分配。

引入的技術提供了一個機會，利用時間和頻率復用在不同的頻率（子帶）上進行無干擾的平行傳輸。

圖8展示了一個在時間（X軸）和子帶（Y軸）上的示范性分配軌跡。第二部分的數據類被分配到四個子帶，兩個子帶被保留。該圖說明了顏色突出的類別之間的分離，其中最佳類別（B,C,D）與時間敏感的類別（E）是隔離的。在一個基于OFDMA的以太網中，子帶的數量取決于頻帶劃分，參見III。例如，子帶數量與構建子帶的子載波數量之間的權衡是由系統設計者和使用的硬件決定的。

典型的汽車交換機支持四到八個流量類別。如圖9所示，實現不同流量等級和時間觸發傳輸的TSN仲裁器是用分層整形器設計的。圖中顯示了八個流量類別（TC），其中兩個使用基于信用的整形器，所有類別都使用時間感知整形器和優先級整形器。復雜性不僅來自分流器本身的實現，例如，IEEE802.1Qbv中的時間感知分流器或IEEE802.1Qav中的基于信用的分流器，還來自隊列管理機制。

由于一次只能傳輸一個數據包，干擾導致不同流量類別的數據包在緩沖區內累積。相比之下，在基于OFDMA的以太網中，一個簡單的仲裁器允許通過為不同的子帶分配臨界等級來繞過被封鎖的子帶。

因此，例如，仲裁可以減少到一個級別，以相同的能力來傳輸時間關鍵型數據和流媒體數據，緩沖區大小和隊列開銷可以減少。此外，相比之下，基于OFDMA的以太網中可能的子帶數量，以及因此支持的流量類別的數量要比使用TSN的可能性高得多。

通信類之間的隔離可以為功能開發團隊提供專用總線。私有總線可以用圖8所示的一個空閑子帶實現。這實現了敏捷的軟件開發和自動的軟件部署，而不需要通過復雜的IVN整合過程。

最先進的技術是一個復雜和耗時的整合過程，需要多次迭代以消除所有大多是零星的故障。一旦開發過程完成，專用總線可以被整合到其他子帶中，這樣就可以為新的開發提供資源。

因此，基于OFDMA的以太網促進了系統的變化，如向分區主干線添加數據流。它還能為未來的功能實現高效、敏捷的軟件開發，而無需復雜的整合過程。

C.搶占的時間方面 - TDMA

為每個數據類別或數據流提供一個單獨的子帶并不總是可能或需要的。這就是在一個子帶上傳輸多個數據類別的原因。然而，必須遵守數據流的約束，以滿足時間要求。為了實現這一點，一個常見的解決方案是在共享介質中使用搶占。

圖9. 以太網交換機端口的出口處理，參照[13]。

基于OFDMA的以太網在一個TDMA網格中逐一傳輸數據符號。每個符號都是獨立于其他符號的，由幾個資源塊組成，更多細節請考慮第三節。

下面的例子顯示了第二部分的數據流類的共享子帶訪問，其中OFDMA符號級的搶占有積極的影響。

考慮到一個子帶有256個子載波，每個子載波有512個正交振幅調制（QAM）[8]（9個比特在QAM512中被編碼，參見星座映射4），一個資源塊的傳輸數據量為:

因此，一個1522字節的以太網幀需要三個資源塊來傳輸。基于每個資源塊是獨立的這一事實，有可能在各自的資源塊之間搶占傳輸的數據類。

圖10.將數據類別分配給OFDMA符號，包括一個子帶的搶占。

圖11. 為TSN 100Mbit/s的以太網幀分配數據類別的例子。

調度器對OFDMA頻域和時域的媒介訪問進行仲裁，決定每個資源塊允許在當前子帶中傳輸哪個數據類別。因此，改變傳輸的數據類別是由調度器提供的。這導致了一種自然的搶占機制。圖10說明了三個臨界等級B、D和E的傳入數據幀對資源塊的分配過程。

由用箭頭表示。沿著X軸編號的矩形代表的是資源塊。首先，B類的一幀被分配到資源塊（3）、（4）和（5）。B類的第二幀首先被分配到資源塊（6）。接下來E類的一個幀準備傳輸，并搶占C類的低優先級幀，因此下一個資源塊(7)被分配給E類。在傳輸完資源塊(8)和(9)后，C類繼續使用資源塊(8)和(9)。

為了實現高效的硬件設計和數據流，數據幀的準備時間tpre，最終的處理時間tpost必須與OFDMA符號tOFDMA的傳輸時間相似。準備時間tpre包括調度、資源塊準備和編碼。時間tpost包括對接收數據的解碼。在我們的例子中，每個時間等于17μs。因此，數據幀的最小傳輸時間ttrans由所有時間之和計算:



因此，它完全符合E級通信的要求，最小延遲為100μs。特別是因為在菊花鏈上，中間沒有跳線。對于B類數據幀，在使用QAM512時，沒有搶占的傳輸時間為tpre + 3 * tOFDMA + tpost = 85μs ，在搶占的情況下ttrans = 102μs。在我們的例子中，傳輸一個關鍵數據幀E類需要51μs。

因此，對資源塊搶占的固有支持導致了反應時間的縮短和關鍵數據類延遲的減少。 為了實現與交換式以太網100 Mbit/s相同的延遲，需要有搶占機制，因為傳輸一個1522字節長的以太網幀需要120μs。圖11提供了一個鏈接速度為100Mbit/s的以太網例子。

圖中是數據類別的分布和它們在時間軸上的總帶寬量，考慮到最小的以太網幀長度為64字節。為了實現較短的延遲，需要結合搶占和保護時間間隔。保護時間間隔保證即使是可搶占的幀也不會啟動，從而導致高優先級幀的延遲。例子中的槽位號15代表這種情況，優先級為3的幀在優先級為2的幀之前發送。

這種優先級倒置是防護時間間隔的結果。它阻止了優先級2的發送，否則就會違反較高優先級的時間。可能的接入分配因使用流量等級C的數據流保留協議IEEE802.1Qat而受到進一步限制。

用1Gbit/s以太網的同樣例子得出的結果是，用1Gbit/s以太網可以省略搶占。一個1522字節的以太網幀的傳輸時間約為12微秒，與第二節中數據類的延遲相比，相對較短。要實現小于10μs的定時延遲，仍然需要防護間隔和時間感知整形器。

OFDMA技術所支持的搶占，甚至為時間緊迫的流量提供了最大的傳輸時間，而無需復雜的硬件支持配置。

D.安全性和冗余性

參照ISO26262標準，功能安全是汽車的主要要求。因此，確保功能安全對于交換式以太網以及基于OFDMA的變體來說是最重要的。此外，ISO26262標準將汽車功能分為四個等級的關鍵性，稱為汽車安全完整性等級（ASIL）A至ASILD和未分類的交通。

因此，在物理層，有必要確保傳輸的連續性，即使一個組件或電纜發生故障，以確保安全關鍵功能的運行，例如線控轉向或線控制動。

圖12. 用一個額外的交換機和四根電纜（紅色）實現以太網內的冗余。

因此，一個冗余的概念是必不可少的。在本節中，我們比較了兩種網絡結構（交換式以太網和基于OFDMA的變體）在保證車輛故障安全運行方面的線束復雜性。

正如[14]和[15]中所討論的，可以引入冗余協議來強制執行基于交換式以太網的網絡的無錯誤（正常）運行。冗余的直

接解決方案是重復。每個來自安全關鍵的數據包，例如（ASILD）的傳輸，都是通過兩條完全獨立的路線從源頭發送到其匯點。這樣的靜態資源分配方案是由一個TSN標準（FRER，IEEE 802.1CB[16]）提出的。

對于前面提到的冗余機制來說，至關重要的是關鍵部件的重復。圖12是從上一節的例子中得出的，顯示了三個與終端節點連接的開關，例如一個功能（A或B）在上面運行。

這兩種功能都代表了由主干線連接的安全關鍵功能。參與安全關鍵功能傳輸的每個組件（如交換機或鏈路）必須是冗余的。在這個例子中，至少要在網絡中增加一個有四條鏈路（紅色鏈路）的額外交換機，以實現所需的冗余度。此外，由于不是每個ECU都有冗余的網絡連接，因此在部署過程中的靈活性被降低，因為將功能從一個ECU轉移到另一個ECU的能力是有限的。

因此，通過重復組件實現的冗余導致了昂貴的設置，即每個組件上有大量的接口，復雜的布線，更少的靈活性和更高的維護。

在基于OFDMA的主干網的情況下，僅僅通過增加第二條OFDMA電纜就可以實現冗余，特別是由于沒有使用交換機。在這兩種技術中都需要有第二個物理層的存在。與交換式以太網相比，上一節的例子中提到的OFDMA主干電纜長度可能減少近50%。通過增加第二條電纜，冗余OFDMA設置在電纜長度方面與基本以太網設置相當。此外，通過基于OFDMA的物理層，也可以引入環形拓撲結構。

菊花鏈是一種線路拓撲結構，上述電纜的兩端可以由一個主動轉發信息的控制器連接起來。圖13展示了這兩種方法，它顯示了由基于OFDMA的以太網通過菊花鏈連接的終端節點。

圖13. 基于OFDMA的以太網的冗余概念；要么是第二條電纜，要么是帶有主動防護的電纜。

圖中還顯示了額外的電纜（紅色），為安全關鍵功能增加了一個冗余連接（A，B）。還展示了帶有主動防護控制器和閉環拓撲結構的第二種方法。

前面展示的冗余概念都是以交換式以太網或基于OFDMA的以太網為重點。這兩種骨干網技術在技術上都是多樣化的，因此，兩者的結合會產生一個冗余的、多樣化的IVN。對于某些用例，需要使用不同的技術來避免系統誤差。這可以通過結合交換式和基于OFDMA的以太網來實現。

V.總結

基于OFDMA的以太網是一個很有前途的候選者，可用作汽車車輛的骨干通信系統。我們已經表明，基于OFDMA的以太網能夠處理未來的挑戰，例如，如果在分區IVN中用作骨干網，可以減少線束的復雜性。它還支持符合未來的數據傳輸要求，尤其是因為它繼承了重要的TSN屬性。例如，使用的FDMA提供了流量類別之間的隔離。

此外，頻率分離可以通過隔離的私有子帶實現敏捷軟件開發。這樣就可以繞過復雜而耗時的集成過程。與TDMA相結合，基于OFDMA的以太網為控制數據傳輸提供了極大的靈活性，例如，在子帶中搶占，以實現時間要求。與以太網相比，不同的物理層可以為安全關鍵系統提供冗余，而不會過多地增加IVN的復雜性，并為IVN增加多樣性。

審核編輯：劉清