基于OFDMA的汽車系統(tǒng)以太網(wǎng)機(jī)制介紹

自主駕駛和聯(lián)網(wǎng)汽車的趨勢(shì)已將基于域控制器的網(wǎng)絡(luò)中線束的可擴(kuò)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(qū)域的分區(qū)架構(gòu)。對(duì)于空間區(qū)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(xiàng)目側(cè)重于開發(fā)一個(gè)基于OFDMA的車載通信主干網(wǎng)。OFDMA，從無線(LTE)或電力線通信而來，通過使用時(shí)間和頻率多路復(fù)用的雙絞線對(duì)提供多個(gè)同時(shí)傳輸?shù)母咝阅堋Ｔ谶@項(xiàng)工作中，我們對(duì)項(xiàng)目活動(dòng)進(jìn)行了概述，并介紹了基于OFDMA的汽車系統(tǒng)以太網(wǎng)機(jī)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(wěn)健性以避免故障。

I.簡(jiǎn)介

近幾十年來，汽車電氣和電子系統(tǒng)的復(fù)雜性穩(wěn)步增加。此外，軟件組件變得高度相互依賴和相互聯(lián)系。近年來，建立了基于域控制器的IVN架構(gòu)，如圖1所示。傳統(tǒng)上，為了滿足不斷增長(zhǎng)的功能需求，需要增加更多的總線來擴(kuò)展公共領(lǐng)域(底盤、動(dòng)力總成、內(nèi)飾、ADAS)。這也增加了電纜線束的復(fù)雜性，使可擴(kuò)展性更具挑戰(zhàn)性。然而，目前自動(dòng)駕駛和聯(lián)網(wǎng)汽車的趨勢(shì)已經(jīng)使這種傳統(tǒng)的方法達(dá)到了極限[1], [2]。

在傳感器和自動(dòng)駕駛應(yīng)用的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)速率和延遲要求正在迅速增加。標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)，如CAN(-FD)、LIN、FlexRay和MOST，在數(shù)據(jù)速率、可擴(kuò)展性和靈活性方面都不適合。在數(shù)據(jù)量和速度方面，交換式以太網(wǎng)是目前最先進(jìn)的。然而，交換式以太網(wǎng)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(tǒng)。

這些問題促使車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)（IVN）轉(zhuǎn)向分區(qū)結(jié)構(gòu)，見圖2，將線束分解成更小的部分[1], [2], [3]。根據(jù)這種方法，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)被劃分為由高速鏈路連接的區(qū)域--主干網(wǎng)。與此同時(shí)，鏈路容量也得到了提高，例如1gbit /s[4]甚至10gbit /s，并且經(jīng)?？紤]更高的傳輸速度等級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，通常考慮的IVN解決方案是以太網(wǎng)，通過處理時(shí)間和延遲要求（服務(wù)質(zhì)量）的一系列擴(kuò)展--時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)[5]。

圖2. 區(qū)域性骨干通信系統(tǒng)。

在這種情況下，"Elektromobilitat mit Redundanter Intelligenter Kommunikationsarchitektur"（ERIKA）項(xiàng)目的重點(diǎn)是引入一個(gè)新的高性能主干總線系統(tǒng)，提供與以太網(wǎng)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(shù)[6], [7]。用OFDMA接入不同的頻率，可以在同一條電纜上進(jìn)行平行傳輸，并與時(shí)分多路接入（TDMA）相結(jié)合，使信息傳播的靈活性達(dá)到一個(gè)新的高度。對(duì)于上層的協(xié)議，基于OFDMA的以太網(wǎng)是為了對(duì)ip通信透明。

由此產(chǎn)生的主干技術(shù)，即基于OFDMA的以太網(wǎng)，通過時(shí)間和頻率復(fù)用實(shí)現(xiàn)了多路同時(shí)傳輸。在這樣的架構(gòu)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(shù)據(jù)，留下了空間。

在本出版物中，我們總結(jié)了ERIKA聯(lián)盟提出的解決方案的主要特點(diǎn)，其中包括：處理不同的流量類別，對(duì)永久性故障的穩(wěn)健性，減少線束的復(fù)雜性，并通過隔離的私人資源支持敏捷的軟件開發(fā)。

以下是本文的結(jié)構(gòu)：在第二節(jié)，我們討論了對(duì)未來IVN的要求。然后，在第三節(jié)中，我們簡(jiǎn)要介紹了所開發(fā)的基于OFDMA的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)的運(yùn)行和主要架構(gòu)特點(diǎn)。隨后，我們?cè)诘谒墓?jié)中對(duì)該方法進(jìn)行了定性評(píng)估，將其與第二節(jié)中的要求中普遍考慮的汽車以太網(wǎng)方法相比較。第五節(jié)總結(jié)了最重要的發(fā)現(xiàn)。

在這種情況下，"Elektromobilitat mit Redundanter Intelligenter Kommunikationsarchitektur"（ERIKA）項(xiàng)目的重點(diǎn)是引入一個(gè)新的高性能主干總線系統(tǒng)，提供與以太網(wǎng)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(shù)[6], [7]。用OFDMA接入不同的頻率，可以在同一條電纜上進(jìn)行平行傳輸，并與時(shí)分多路接入（TDMA）相結(jié)合，使信息傳播的靈活性達(dá)到一個(gè)新的高度。對(duì)于上層的協(xié)議，基于OFDMA的以太網(wǎng)是為了對(duì)ip通信透明。

由此產(chǎn)生的主干技術(shù)，即基于OFDMA的以太網(wǎng)，通過時(shí)間和頻率復(fù)用實(shí)現(xiàn)了多路同時(shí)傳輸。在這樣的架構(gòu)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(shù)據(jù)，留下了空間。

在本出版物中，我們總結(jié)了ERIKA聯(lián)盟提出的解決方案的主要特點(diǎn)，其中包括：處理不同的流量類別，對(duì)永久性故障的穩(wěn)健性，減少線束的復(fù)雜性，并通過隔離的私人資源支持敏捷的軟件開發(fā)。

以下是本文的結(jié)構(gòu)：在第二節(jié)，我們討論了對(duì)未來IVN的要求。然后，在第三節(jié)中，我們簡(jiǎn)要介紹了所開發(fā)的基于OFDMA的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)的運(yùn)行和主要架構(gòu)特點(diǎn)。隨后，我們?cè)诘谒墓?jié)中對(duì)該方法進(jìn)行了定性評(píng)估，將其與第二節(jié)中的要求中普遍考慮的汽車以太網(wǎng)方法相比較。第五節(jié)總結(jié)了最重要的發(fā)現(xiàn)。

II. 對(duì)汽車系統(tǒng)通信的要求

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

表一的結(jié)構(gòu)有三個(gè)方面：

第一：數(shù)據(jù)率從上到下遞減。

第二：在右邊一欄中，有一個(gè)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(xù)數(shù)據(jù)流，沒有幀；例如，對(duì)相機(jī)圖片的拼接有硬性的時(shí)間要求。

? B（藍(lán)色）：典型的以太網(wǎng)最佳流量；沒有硬性計(jì)時(shí)要求；以太網(wǎng)幀高達(dá)1522字節(jié)。

? C（橙色）：需要低延遲和數(shù)據(jù)流保留；例如AVB。

? D（綠色）：短信息幀；沒有硬性時(shí)間要求。

? E（黃色）：低延遲和/或低周期時(shí)間；例如，底盤控制或安全氣囊點(diǎn)火。

第三："使用的標(biāo)準(zhǔn) "這一欄顯示了以太網(wǎng)中已經(jīng)可用的技術(shù)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(fā)過程，因?yàn)镮VN的開發(fā)可能會(huì)持續(xù)遷移，而代跳躍則會(huì)有很大的突破。

?支持軟件開發(fā)

——在以太網(wǎng)通信的高級(jí)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(guān)性。

——支持服務(wù)導(dǎo)向

——敏捷式軟件開發(fā)

? 線束：

——減少包裝、重量和電纜的數(shù)量

——賦予自動(dòng)化制造能力

? 靈活性：

——HW的更新/擴(kuò)展

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

——可擴(kuò)展性。例如，在汽車等級(jí)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和指令選項(xiàng)上。

? 能源消耗：

——PHY的低能量消耗

——通過部分聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)低能耗

? 全面降低復(fù)雜性

? 降低成本

——易于集成現(xiàn)成的組件

? 安全

——使用以太網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)絡(luò)的作用

未來的車載通信網(wǎng)絡(luò)必須滿足上述的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們使用了一種常見的已知技術(shù)--OFDMA[8]。OFDMA是正交頻分復(fù)用（OFDM）的延伸，它使用頻分多址（FDMA）。OFDM被廣泛用于消費(fèi)行業(yè)，因此是一項(xiàng)知名的技術(shù)。

它特別用于移動(dòng)通信，如WLAN、UMTS、LTE、5G或基于電纜的系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)高性能和穩(wěn)健的通信，OFDMA使用分布在一個(gè)頻率范圍內(nèi)的子載波，如圖3所示。

圖4是一個(gè)簡(jiǎn)化框圖，概述了OFDMA調(diào)制過程。數(shù)據(jù)的處理從串行到并行的轉(zhuǎn)換開始，將數(shù)據(jù)映射到星座圖上。下一步，計(jì)算快速傅里葉反函數(shù)（IFFT）。然后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)。

由于OFDM引擎是按時(shí)間片工作的，模擬信號(hào)被分割成所謂的OFDMA符號(hào)s(t)并進(jìn)行傳輸。為了解碼，傳入的OFDMA符號(hào)r(t)被過濾并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，快速傅里葉函數(shù)(FFT)使以下的信號(hào)估計(jì)能夠接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。OFDMA能夠滿足在數(shù)據(jù)速率、穩(wěn)健性和適應(yīng)性方面的預(yù)期要求。

圖4. 頻率和子載波與子帶之間的相關(guān)性。

這使得它在-車輛通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)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(zhì)量，最好是采用菊花鏈。與普通的車載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(diào)制頻域信息，從而使數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到一個(gè)新的高度。子載波的數(shù)量取決于傳輸通道的質(zhì)量，取決于電纜質(zhì)量、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和整體頻率帶寬。

圖5. OFDMA符號(hào)的頻域和時(shí)域用法。

圖6. 基于以太網(wǎng)的骨干網(wǎng)的電纜長(zhǎng)度。

此外，與非OFDMA系統(tǒng)相比，基于OFDMA的總線，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者在時(shí)域和頻域的信息分配上具有更大的靈活性。數(shù)據(jù)可以在一個(gè)子帶中以低數(shù)量或高數(shù)量的子載波進(jìn)行傳輸。第一個(gè)結(jié)果是慢速傳輸?shù)诙€(gè)是快速傳輸。在下文中，多個(gè)子載波的集合被稱為一個(gè)子帶。

圖5顯示了被分為六個(gè)子帶的頻段，每個(gè)子帶包含幾個(gè)資源塊。由于OFDMA符號(hào)長(zhǎng)度，每個(gè)資源塊在時(shí)域上受到限制，而在頻域上則由于子帶中子載波的數(shù)量而受到限制。一個(gè)時(shí)間間隔的資源塊的組合被稱為OFDMA符號(hào)。將信息分配到時(shí)間和頻率網(wǎng)格內(nèi)的資源塊中，這將是一個(gè)可能的應(yīng)用，例如，確保帶寬小或時(shí)間間隔短的外部失真不會(huì)影響大部分的信息。此外，丟失符號(hào)的數(shù)據(jù)可以通過FEC進(jìn)行重建。這種資源塊的分布在圖8中是示范性的。

IV.技術(shù)對(duì)比

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

A.線束

分區(qū)結(jié)構(gòu)加上以太網(wǎng)或基于OFDMA的以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)是一個(gè)有希望的解決方案，以減少線束的復(fù)雜性[1], [2], [3]，這是未來IVN的主要挑戰(zhàn)之一。以太網(wǎng)通信架構(gòu)被設(shè)計(jì)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(wǎng)的情況下，網(wǎng)絡(luò)是通過交換機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接建立的。每增加一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)上也必須保持一個(gè)可用的端口。這導(dǎo)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(gè)實(shí)際的基于以太網(wǎng)的主干體系結(jié)構(gòu)示例，其中包含所使用的電纜長(zhǎng)度。它還顯示了控制器的空間分布以及分區(qū)分配?？偟膩碚f，需要三臺(tái)帶有3個(gè)、6個(gè)和7個(gè)以太網(wǎng)端口的交換機(jī)將整個(gè)車輛的17個(gè)控制單元分別連接到骨干網(wǎng)絡(luò)。所有鏈接的長(zhǎng)度為52米。

與交換式以太網(wǎng)相比，用OFDMA實(shí)現(xiàn)的主干網(wǎng)只需要一根電纜。

圖7. 基于OFDMA的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)的電纜長(zhǎng)度。

每個(gè)電子控制單元（ECU）都是一個(gè)接一個(gè)地連接，形成一個(gè)菊花鏈。請(qǐng)記住，主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率應(yīng)該比交換式以太網(wǎng)解決方案的鏈路高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這將大大減少布線。圖7顯示了這樣一個(gè)設(shè)置，17個(gè)ECU的分區(qū)分配通過UTP電纜連接。這里的總長(zhǎng)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(wǎng)的優(yōu)勢(shì)隨著ECU數(shù)量的增加而增加。

B.OFDMA的優(yōu)勢(shì)

汽車系統(tǒng)是混合關(guān)鍵的，即它們集成了對(duì)乘客安全至關(guān)重要的功能(因此，經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)和測(cè)試)和行為在很大程度上未知的不關(guān)鍵的功能(例如多媒體)。ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求 "足夠的獨(dú)立性"，由服務(wù)質(zhì)量（QoS）機(jī)制支持，確保不同流量關(guān)鍵性之間的干擾是已知的和有限度的。 用于交換式以太網(wǎng)的IEEE TSN標(biāo)準(zhǔn)（考慮用于汽車應(yīng)用）提供了限制干擾和確保不同等級(jí)之間 "充分獨(dú)立 "的機(jī)制，例如，優(yōu)先級(jí)IEEE 802.1Q，流量整形IEEE802.1Qav[10]，嚴(yán)格的時(shí)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?yàn)樵谖锢韺又?，所有的傳輸通常都是串行化的。在任何時(shí)候，一個(gè)連接上只有一個(gè)數(shù)據(jù)包被傳輸（參考常用的IEEE 802.3[12]）。 在這種情況下，在基于OFDMA的以太網(wǎng)鏈路上，一個(gè)選定的子帶被用來在一條線上傳輸數(shù)據(jù)，參見第三節(jié)的技術(shù)概述。

圖8. 對(duì)不同類型數(shù)據(jù)流的頻率分配。

引入的技術(shù)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，利用時(shí)間和頻率復(fù)用在不同的頻率（子帶）上進(jìn)行無干擾的平行傳輸。

圖8展示了一個(gè)在時(shí)間（X軸）和子帶（Y軸）上的示范性分配軌跡。第二部分的數(shù)據(jù)類被分配到四個(gè)子帶，兩個(gè)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(shí)間敏感的類別（E）是隔離的。在一個(gè)基于OFDMA的以太網(wǎng)中，子帶的數(shù)量取決于頻帶劃分，參見III。例如，子帶數(shù)量與構(gòu)建子帶的子載波數(shù)量之間的權(quán)衡是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用的硬件決定的。

典型的汽車交換機(jī)支持四到八個(gè)流量類別。如圖9所示，實(shí)現(xiàn)不同流量等級(jí)和時(shí)間觸發(fā)傳輸?shù)腡SN仲裁器是用分層整形器設(shè)計(jì)的。圖中顯示了八個(gè)流量類別（TC），其中兩個(gè)使用基于信用的整形器，所有類別都使用時(shí)間感知整形器和優(yōu)先級(jí)整形器。復(fù)雜性不僅來自分流器本身的實(shí)現(xiàn)，例如，IEEE802.1Qbv中的時(shí)間感知分流器或IEEE802.1Qav中的基于信用的分流器，還來自隊(duì)列管理機(jī)制。

由于一次只能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包，干擾導(dǎo)致不同流量類別的數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)內(nèi)累積。相比之下，在基于OFDMA的以太網(wǎng)中，一個(gè)簡(jiǎn)單的仲裁器允許通過為不同的子帶分配臨界等級(jí)來繞過被封鎖的子帶。

因此，例如，仲裁可以減少到一個(gè)級(jí)別，以相同的能力來傳輸時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)和流媒體數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)大小和隊(duì)列開銷可以減少。此外，相比之下，基于OFDMA的以太網(wǎng)中可能的子帶數(shù)量，以及因此支持的流量類別的數(shù)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(fā)團(tuán)隊(duì)提供專用總線。私有總線可以用圖8所示的一個(gè)空閑子帶實(shí)現(xiàn)。這實(shí)現(xiàn)了敏捷的軟件開發(fā)和自動(dòng)的軟件部署，而不需要通過復(fù)雜的IVN整合過程。

最先進(jìn)的技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜和耗時(shí)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(fā)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(fā)提供資源。

因此，基于OFDMA的以太網(wǎng)促進(jìn)了系統(tǒng)的變化，如向分區(qū)主干線添加數(shù)據(jù)流。它還能為未來的功能實(shí)現(xiàn)高效、敏捷的軟件開發(fā)，而無需復(fù)雜的整合過程。

C.搶占的時(shí)間方面 - TDMA

為每個(gè)數(shù)據(jù)類別或數(shù)據(jù)流提供一個(gè)單獨(dú)的子帶并不總是可能或需要的。這就是在一個(gè)子帶上傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)類別的原因。然而，必須遵守?cái)?shù)據(jù)流的約束，以滿足時(shí)間要求。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一個(gè)常見的解決方案是在共享介質(zhì)中使用搶占。

圖9. 以太網(wǎng)交換機(jī)端口的出口處理，參照[13]。

基于OFDMA的以太網(wǎng)在一個(gè)TDMA網(wǎng)格中逐一傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)。每個(gè)符號(hào)都是獨(dú)立于其他符號(hào)的，由幾個(gè)資源塊組成，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)考慮第三節(jié)。

下面的例子顯示了第二部分的數(shù)據(jù)流類的共享子帶訪問，其中OFDMA符號(hào)級(jí)的搶占有積極的影響。

考慮到一個(gè)子帶有256個(gè)子載波，每個(gè)子載波有512個(gè)正交振幅調(diào)制（QAM）[8]（9個(gè)比特在QAM 512中被編碼，參見星座映射4），一個(gè)資源塊的傳輸數(shù)據(jù)量為:

因此，一個(gè)1522字節(jié)的以太網(wǎng)幀需要三個(gè)資源塊來傳輸?；诿總€(gè)資源塊是獨(dú)立的這一事實(shí)，有可能在各自的資源塊之間搶占傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類。

圖10. 將數(shù)據(jù)類別分配給OFDMA符號(hào)，包括一個(gè)子帶的搶占。

圖11. 為TSN 100Mbit/s的以太網(wǎng)幀分配數(shù)據(jù)類別的例子。

調(diào)度器對(duì)OFDMA頻域和時(shí)域的媒介訪問進(jìn)行仲裁，決定每個(gè)資源塊允許在當(dāng)前子帶中傳輸哪個(gè)數(shù)據(jù)類別。因此，改變傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類別是由調(diào)度器提供的。這導(dǎo)致了一種自然的搶占機(jī)制。圖10說明了三個(gè)臨界等級(jí)B、D和E的傳入數(shù)據(jù)幀對(duì)資源塊的分配過程。

由用箭頭表示。沿著X軸編號(hào)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(gè)幀準(zhǔn)備傳輸，并搶占C類的低優(yōu)先級(jí)幀，因此下一個(gè)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(xù)使用資源塊(8)和(9)。

為了實(shí)現(xiàn)高效的硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)備時(shí)間tpre，最終的處理時(shí)間tpost必須與OFDMA符號(hào)tOFDMA的傳輸時(shí)間相似。準(zhǔn)備時(shí)間tpre包括調(diào)度、資源塊準(zhǔn)備和編碼。時(shí)間tpost包括對(duì)接收數(shù)據(jù)的解碼。在我們的例子中，每個(gè)時(shí)間等于17μs。因此，數(shù)據(jù)幀的最小傳輸時(shí)間ttrans由所有時(shí)間之和計(jì)算:



因此，它完全符合E級(jí)通信的要求，最小延遲為100μs。特別是因?yàn)樵诰栈ㄦ溕希虚g沒有跳線。對(duì)于B類數(shù)據(jù)幀，在使用QAM512時(shí)，沒有搶占的傳輸時(shí)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(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀E類需要51μs。

因此，對(duì)資源塊搶占的固有支持導(dǎo)致了反應(yīng)時(shí)間的縮短和關(guān)鍵數(shù)據(jù)類延遲的減少。 為了實(shí)現(xiàn)與交換式以太網(wǎng)100 Mbit/s相同的延遲，需要有搶占機(jī)制，因?yàn)閭鬏斠粋€(gè)1522字節(jié)長(zhǎng)的以太網(wǎng)幀需要120μs。圖11提供了一個(gè)鏈接速度為100Mbit/s的以太網(wǎng)例子。

圖中是數(shù)據(jù)類別的分布和它們?cè)跁r(shí)間軸上的總帶寬量，考慮到最小的以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度為64字節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)較短的延遲，需要結(jié)合搶占和保護(hù)時(shí)間間隔。保護(hù)時(shí)間間隔保證即使是可搶占的幀也不會(huì)啟動(dòng)，從而導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)幀的延遲。例子中的槽位號(hào)15代表這種情況，優(yōu)先級(jí)為3的幀在優(yōu)先級(jí)為2的幀之前發(fā)送。

這種優(yōu)先級(jí)倒置是防護(hù)時(shí)間間隔的結(jié)果。它阻止了優(yōu)先級(jí)2的發(fā)送，否則就會(huì)違反較高優(yōu)先級(jí)的時(shí)間。可能的接入分配因使用流量等級(jí)C的數(shù)據(jù)流保留協(xié)議IEEE 802.1Qat而受到進(jìn)一步限制。

用1Gbit/s以太網(wǎng)的同樣例子得出的結(jié)果是，用1Gbit/s以太網(wǎng)可以省略搶占。一個(gè)1522字節(jié)的以太網(wǎng)幀的傳輸時(shí)間約為12微秒，與第二節(jié)中數(shù)據(jù)類的延遲相比，相對(duì)較短。要實(shí)現(xiàn)小于10μs的定時(shí)延遲，仍然需要防護(hù)間隔和時(shí)間感知整形器。

OFDMA技術(shù)所支持的搶占，甚至為時(shí)間緊迫的流量提供了最大的傳輸時(shí)間，而無需復(fù)雜的硬件支持配置。

D.安全性和冗余性

參照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，功能安全是汽車的主要要求。因此，確保功能安全對(duì)于交換式以太網(wǎng)以及基于OFDMA的變體來說是最重要的。此外，ISO26262標(biāo)準(zhǔn)將汽車功能分為四個(gè)等級(jí)的關(guān)鍵性，稱為汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）A至ASIL D和未分類的交通。

因此，在物理層，有必要確保傳輸?shù)倪B續(xù)性，即使一個(gè)組件或電纜發(fā)生故障，以確保安全關(guān)鍵功能的運(yùn)行，例如線控轉(zhuǎn)向或線控制動(dòng)。

圖12. 用一個(gè)額外的交換機(jī)和四根電纜（紅色）實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)內(nèi)的冗余。

因此，一個(gè)冗余的概念是必不可少的。在本節(jié)中，我們比較了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（交換式以太網(wǎng)和基于OFDMA的變體）在保證車輛故障安全運(yùn)行方面的線束復(fù)雜性。

正如[14]和[15]中所討論的，可以引入冗余協(xié)議來強(qiáng)制執(zhí)行基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的無錯(cuò)誤（正常）運(yùn)行。冗余的直

接解決方案是重復(fù)。每個(gè)來自安全關(guān)鍵的數(shù)據(jù)包，例如（ASIL D）的傳輸，都是通過兩條完全獨(dú)立的路線從源頭發(fā)送到其匯點(diǎn)。這樣的靜態(tài)資源分配方案是由一個(gè)TSN標(biāo)準(zhǔn)（FRER，IEEE 802.1CB[16]）提出的。

對(duì)于前面提到的冗余機(jī)制來說，至關(guān)重要的是關(guān)鍵部件的重復(fù)。圖12是從上一節(jié)的例子中得出的，顯示了三個(gè)與終端節(jié)點(diǎn)連接的開關(guān)，例如一個(gè)功能（A或B）在上面運(yùn)行。

這兩種功能都代表了由主干線連接的安全關(guān)鍵功能。參與安全關(guān)鍵功能傳輸?shù)拿總€(gè)組件（如交換機(jī)或鏈路）必須是冗余的。在這個(gè)例子中，至少要在網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)有四條鏈路（紅色鏈路）的額外交換機(jī)，以實(shí)現(xiàn)所需的冗余度。此外，由于不是每個(gè)ECU都有冗余的網(wǎng)絡(luò)連接，因此在部署過程中的靈活性被降低，因?yàn)閷⒐δ軓囊粋€(gè)ECU轉(zhuǎn)移到另一個(gè)ECU的能力是有限的。

因此，通過重復(fù)組件實(shí)現(xiàn)的冗余導(dǎo)致了昂貴的設(shè)置，即每個(gè)組件上有大量的接口，復(fù)雜的布線，更少的靈活性和更高的維護(hù)。

在基于OFDMA的主干網(wǎng)的情況下，僅僅通過增加第二條OFDMA電纜就可以實(shí)現(xiàn)冗余，特別是由于沒有使用交換機(jī)。在這兩種技術(shù)中都需要有第二個(gè)物理層的存在。與交換式以太網(wǎng)相比，上一節(jié)的例子中提到的OFDMA主干電纜長(zhǎng)度可能減少近50%。通過增加第二條電纜，冗余OFDMA設(shè)置在電纜長(zhǎng)度方面與基本以太網(wǎng)設(shè)置相當(dāng)。此外，通過基于OFDMA的物理層，也可以引入環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

菊花鏈?zhǔn)且环N線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上述電纜的兩端可以由一個(gè)主動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)通過菊花鏈連接的終端節(jié)點(diǎn)。

圖13. 基于OFDMA的以太網(wǎng)的冗余概念；要么是第二條電纜，要么是帶有主動(dòng)防護(hù)的電纜。

圖中還顯示了額外的電纜（紅色），為安全關(guān)鍵功能增加了一個(gè)冗余連接（A，B）。還展示了帶有主動(dòng)防護(hù)控制器和閉環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第二種方法。

前面展示的冗余概念都是以交換式以太網(wǎng)或基于OFDMA的以太網(wǎng)為重點(diǎn)。這兩種骨干網(wǎng)技術(shù)在技術(shù)上都是多樣化的，因此，兩者的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生一個(gè)冗余的、多樣化的IVN。對(duì)于某些用例，需要使用不同的技術(shù)來避免系統(tǒng)誤差。這可以通過結(jié)合交換式和基于OFDMA的以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。

V.總結(jié)

基于OFDMA的以太網(wǎng)是一個(gè)很有前途的候選者，可用作汽車車輛的骨干通信系統(tǒng)。我們已經(jīng)表明，基于OFDMA的以太網(wǎng)能夠處理未來的挑戰(zhàn)，例如，如果在分區(qū)IVN中用作骨干網(wǎng)，可以減少線束的復(fù)雜性。它還支持符合未來的數(shù)據(jù)傳輸要求，尤其是因?yàn)樗^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(shí)現(xiàn)敏捷軟件開發(fā)。這樣就可以繞過復(fù)雜而耗時(shí)的集成過程。與TDMA相結(jié)合，基于OFDMA的以太網(wǎng)為控制數(shù)據(jù)傳輸提供了極大的靈活性，例如，在子帶中搶占，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間要求。與以太網(wǎng)相比，不同的物理層可以為安全關(guān)鍵系統(tǒng)提供冗余，而不會(huì)過多地增加IVN的復(fù)雜性，并為IVN增加多樣性。

審核編輯：劉清