智能网联汽车网络架构方案研究

李云海

（闽江师范高等专科学校，福建 福州 350018）

随着科学技术的快速发展，我国的电子科技技术越来越发达，人们对产品的使用性能要求也越来越高。人们对汽车的娱乐功能需求逐渐提高，汽车上的电子部件也随之增多，在促进汽车智能网联化的发展的同时也导致汽车各功能之间需要传输的数据急剧增加，传统的网络架构方案已远远不能适应于目前的发展水平，迫切需要提出更加智能化的汽车网络架构方案。

智能网联汽车是智能车与车联网的有机联合，不仅具有先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，还充分的融合了现代通信与网络技术，能够实现车与人、车、路、后台等智能信息的交换共享，从而为用户提供一个更加安全、舒适、节能、高效的行驶，甚至最终可替代人来操作的新一代汽车，实现人、车、网、路、物的互联融合与交互则是车联网的本质内容。

1 汽车网络介绍

将汽车上所有电子的传感器、执行器以及电子控制单元进行有效连接，构成的通信形式称之为汽车网络。汽车上的ECU数量与汽车的功能成正比，功能简单则ECU数量较少，且主要通过点对点进行通信；功能复杂则ECU数量就增多，但是通过点对点进行通信的方式无法满足汽车多种多样的功能，进而推动了车载网络的发展和进步，其中，CAN和LIN车载网络在汽车中的应用最为频繁，MOST和FlexRay总线网络大多应用于高端汽车中。

2 传统汽车网络架构

根据传输类型之间存在的差异，可以将车载总线分为CAN、LIN、FlexRay以及MOST四种。

其中，CAN是应用最广泛的车载总线，能够对汽车的电子部件、发动机以及底盘等有效地进行电子控制，并且其成本还相对较低，对于错误的监测和其他智能化的处理机制都比较可靠，可以传输8 Byte数据，但是却受到了总线带宽的制约。而升级版的CAN FD总线恰好弥补了这个缺点。

LIN总线是一种低成本和低速率的主从式串行通信总线，往往使用于电动门窗、电动天窗以及座椅调节等传感器信号采集这种不需要使用CAN总线带宽和多功能的场合，并且对CAN总线通信具有一定的补充作用。

FlexRay是一种以时间触协议为基础的高性能、高可靠性的实时总线，其最大特点就是传输的精确性和快速性，发送至目标地址只需要1 μs。目前在对安全实时性具有高要求的线控转向和线控刹车方面有着广泛的应用。

MOST则是一种面向媒体系统的传输总线，在导航和CD等娱乐系统中应用最为广泛，传输介质主要为光纤，但是传输的可靠性很低。

3 智能网联汽车网络架构

3.1 智能网联汽车的特点

顾名思义，智能网联汽车的主要特点就是智能化和网联化。其最主要的目标就是能够使乘客感到更加舒适，保障乘客的安全问题，并且还能为乘客提供更加现代化的汽车服务。智能化主要体现在对外界环境的感知、路标的监测、车辆的控制以及对驾驶员的状态进行检测等，这些智能化感知都是借助于一系列的智能化探测设备完成的。实现对车辆控制的智能化就必须要有大量的控制精准数据作为参考，而娱乐系统的智能化则需要借助于高清音视频数据来完成。网联化也要求汽车实现网络连接，进而实现智能交通，同时也意味着要将汽车行驶状态数据、车辆的故障数据等传输到外界媒体，这也是时代发展的需求，是汽车网联化的必经之路。

3.2 智能网联汽车对传统汽车网络架构的挑战

智能网联汽车的出现使传统汽车网络构架受到了前所未有的挑战，智能网联汽车所需要传输的数据要远多于传统汽车，所以，传统的网络传输总线不能满足智能网联汽车的要求，需要使用带宽更高的车载网络来实现数据的传输。CANFD和MOST虽然在一定程度上能够提高传输速率，但是由于成本较高限制了使用范围，因此，为了有效地解决大数据的传输问题，迫切需要开发出一种既廉价又可靠的车载网络。

3.3 智能网联汽车的以太网总线

以太网智能网线是未来智能网联汽车网络构架发展的重中之重，也是智能网联发展的必然趋势，主要承担对汽车大数据进行传输的作用。在整个网络构架中主网络为以太网，子网络则为娱乐系统和辅助驾驶系统，这二者具有传统动力底盘以及车身舒适系统的所用性能。因为要对驾驶人员的状态进行智能检测，所以，在辅助驾驶系统中应该使用民用以太网对高清的摄像头以及高精度雷达的大数据进行传输，在娱乐系统中，以太网的主要作用就是对语音视频等影音数据进行传输。对于车辆的行驶状态、路标的设置以及雷达数据等与车辆行驶相关的数据可以通过V2X等方式传输到云端的数据控制中心等。此外，对于娱乐设施的管理和使用可以借助于无线网络以及蓝牙，给乘客带来更加舒适完美的影院体验效果。

3.4 基于以太网的汽车网络架构应用发展过程

传统的汽车网络都是通过点对点之间进行通信传输的，但是将以太网应用到智能网联汽车网络构架中可以发现其通信传输是点到面的一个发展过程，主要历经了两代的发展历程。其中，第一代智能网联汽车网络构架主要是将以太网引入辅助驾驶系统以及娱乐系统之中，主要作用就是对摄像头、雷达以及音频数据的传输。动力底盘系统和车身系统两者之间进行数据交换。辅助驾驶系统和娱乐系统之间的数据交换则借助于中央网关，中央网关是一个相对来说比较综合全面的系统，其功能基本涵盖了CAN、CAD-FD以及汽车AVB主干以太网等所具备的功能。而在娱乐系统领域内还存在着Tele matics模块，主要作用就是对4G和5G网络进行收发，车载数据的上传和下载也可以借助于该模块。但是交通功能的实现就主要基于LTEV2X网络的接收处理。而第二代智能网联汽车的网络构架与第一代相比，有很大的不同，主要在其基础上引入了动力底盘域网关和车身域网关。这二者为动力系统和车身系统之间的数据交换提供了一定的基础，并且动力底盘域网关和车身域网关还具有CAN和CAN-FD的数据转换的功能。而中央网关的主要作用就是对Ethernet数据的交换功能提供相应的支持。

3.5 汽车以太网传输协议

以太网在智能网联汽车网络构架中的应用主要体现在主网络、辅助驾驶以及娱乐系统三方面。主网络的功能是对各域以及各网段之间交互的数据进行传输；辅助驾驶系统和娱乐系统的主要作用就是对摄像以及音频数据的传输。文章基于OSI参考模型对汽车的应用性能进行了简单的分析，对以太网在智能网联汽车中的应用标准进一步明确。

其中辅助驾驶和娱乐系统是对摄像以及音频影像数据的传输，对于要传输的数据还需要进行同步处理。这时候就需要使用汽车的Audio Video Broadcasting协议模型和包括Layer1和Layer2的两层以太网协议模型。Layer1物理层所选用的是百兆快速以太网，主要应用BroadR-Reach技术采用一对5类非屏蔽双绞线。而Layer2数据链路层则使用汽车Audio Video Broadcasting协议模型中特有的IEEE 1722、IEEE 802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS协议，其中，802.Qat流预留协议主要是为了解决网络中的实时流量与普通异步TCP流量之间的竞争，而IEEE802.1Qav队列和相应的转发协议是为了保证实时的音频数据等信息不会被传统的异步以太网数据流量所干扰。IEEE1722音视频传输协议为局域网内的实时音视频流服务、A/V的建立控制以及关闭协议等进行了精准的定义。而IEEE802.1AS时钟同步协议具有高精度特点，能够实现 A/V音视频流之间的时钟同步。

3.6 新型汽车网络架构所面临的挑战

构建新型的智能网联汽车网络需要面临的挑战有多种，既要满足在进行传输大数据的同时提高传输的效率，又要满足将更多的电子汽车部件暴露在汽车的外部，这样可以给汽车内部腾出更多的使用空间，使整个汽车更加舒适。而且宽阔的汽车使用空间可以给乘客带来更好的体验效果。但是在汽车网络架构未来的发展过程中所面临的最棘手的问题，就是对系统综合防护和防护功能之间进行划分。如何建立完善的智能网联汽车信息安全管理需求、对智能网联汽车制定完善的规章制度和安全测试规范保障汽车的信息技术安全，以及如何对智能网联汽车的信息安全建立应急响应体系，这些都是推动新型汽车网络架构所要面临的重要问题，需要政府和相关企业部门积极采取措施进行解决，从而能够进一步推动我国新型汽车网络架构的发展。同时，随着科学技术的快速发展，未来的网络时代不仅仅停留在5G社会，网络速度可能会变得更快，传输的视频数据更加清晰，所以可能会涉及千兆及千兆以上以太网传输，但是千兆以上的以太网对汽车的电磁兼容性具有一定的影响，这也是未来需要研究和解决的重要内容。

智能网联汽车在未来的发展过程中会面临各种各样的挑战和问题，但同时也是这些问题推动了智能网联汽车的发展，促进了汽车科技的进步和技术的发展。不断地完善汽车安全法律法规，促进汽车技术的发展和进步，适应时代发展的需求，给用户提供一个更加舒适和安全的驾车体验。