基于OFDMA的汽车系统以太网机制介绍

摘要    

自主驾驶和联网汽车的趋势已将基于域控制器的网络中线束的可扩展性推向了极限。一种解决方案是将线束和ECU组织在空间区域的分区架构。对于空间区域的互连来说，必须有一条高性能的主干线。在这种情况下，ERIKA项目侧重于开发一个基于OFDMA的车载通信主干网。OFDMA，从无线(LTE)或电力线通信而来，通过使用时间和频率多路复用的双绞线对提供多个同时传输的高性能。在这项工作中，我们对项目活动进行了概述，并介绍了基于OFDMA的汽车系统以太网机制。这些都可以减少布线开销，处理不同的流量类别，支持敏捷的软件集成，并增加稳健性以避免故障。

  I.简介

近几十年来，汽车电气和电子系统的复杂性稳步增加。此外，软件组件变得高度相互依赖和相互联系。近年来，建立了基于域控制器的IVN架构，如图1所示。传统上，为了满足不断增长的功能需求，需要增加更多的总线来扩展公共领域(底盘、动力总成、内饰、ADAS)。这也增加了电缆线束的复杂性，使可扩展性更具挑战性。然而，目前自动驾驶和联网汽车的趋势已经使这种传统的方法达到了极限[1], [2]。

在传感器和自动驾驶应用的推动下，数据速率和延迟要求正在迅速增加。标准总线系统，如CAN(-FD)、LIN、FlexRay和MOST，在数据速率、可扩展性和灵活性方面都不适合。在数据量和速度方面，交换式以太网是目前最先进的。然而，交换式以太网并不能解决线束的制造问题。

图1.基于域控制器的通信系统。

这些问题促使车内网络（IVN）转向分区结构，见图2，将线束分解成更小的部分[1],[2], [3]。根据这种方法，车内网络被划分为由高速链路连接的区域--主干网。与此同时，链路容量也得到了提高，例如1gbit/s[4]甚至10gbit /s，并且经常考虑更高的传输速度等级。为了实现这些目标，通常考虑的IVN解决方案是以太网，通过处理时间和延迟要求（服务质量）的一系列扩展--时间敏感网络（TSN）标准[5]。

图2.区域性骨干通信系统。

在这种情况下，"Elektromobilitat mit Redundanter Intelligenter Kommunikationsarchitektur"（ERIKA）项目的重点是引入一个新的高性能主干总线系统，提供与以太网的兼容性。该解决方案是基于无线和有线通信中已知的正交频分多址（OFDMA）技术[6], [7]。用OFDMA接入不同的频率，可以在同一条电缆上进行平行传输，并与时分多路接入（TDMA）相结合，使信息传播的灵活性达到一个新的高度。对于上层的协议，基于OFDMA的以太网是为了对ip通信透明。

由此产生的主干技术，即基于OFDMA的以太网，通过时间和频率复用实现了多路同时传输。在这样的架构中，目前的交通将只消耗总频率带宽的一小部分，为其他类别的车辆通信，如传感器数据，留下了空间。

在本出版物中，我们总结了ERIKA联盟提出的解决方案的主要特点，其中包括：处理不同的流量类别，对永久性故障的稳健性，减少线束的复杂性，并通过隔离的私人资源支持敏捷的软件开发。

以下是本文的结构：在第二节，我们讨论了对未来IVN的要求。然后，在第三节中，我们简要介绍了所开发的基于OFDMA的以太网骨干网的运行和主要架构特点。随后，我们在第四节中对该方法进行了定性评估，将其与第二节中的要求中普遍考虑的汽车以太网方法相比较。第五节总结了最重要的发现。

在这种情况下，"Elektromobilitat mit Redundanter Intelligenter Kommunikationsarchitektur"（ERIKA）项目的重点是引入一个新的高性能主干总线系统，提供与以太网的兼容性。该解决方案是基于无线和有线通信中已知的正交频分多址（OFDMA）技术[6], [7]。用OFDMA接入不同的频率，可以在同一条电缆上进行平行传输，并与时分多路接入（TDMA）相结合，使信息传播的灵活性达到一个新的高度。对于上层的协议，基于OFDMA的以太网是为了对ip通信透明。

由此产生的主干技术，即基于OFDMA的以太网，通过时间和频率复用实现了多路同时传输。在这样的架构中，目前的交通将只消耗总频率带宽的一小部分，为其他类别的车辆通信，如传感器数据，留下了空间。

在本出版物中，我们总结了ERIKA联盟提出的解决方案的主要特点，其中包括：处理不同的流量类别，对永久性故障的稳健性，减少线束的复杂性，并通过隔离的私人资源支持敏捷的软件开发。

以下是本文的结构：在第二节，我们讨论了对未来IVN的要求。然后，在第三节中，我们简要介绍了所开发的基于OFDMA的以太网骨干网的运行和主要架构特点。随后，我们在第四节中对该方法进行了定性评估，将其与第二节中的要求中普遍考虑的汽车以太网方法相比较。第五节总结了最重要的发现。

II. 对汽车系统通信的要求

为了建立一个分区IVN的骨干通信系统，需要更详细地考虑通信问题。表一从常用总线技术的角度概述了当今汽车中不同的通信用例(见列1)。在进一步的步骤中，该通信用例按照通信类型进行分组和分类。

表一的结构有三个方面：

第一：数据率从上到下递减。

第二：在右边一栏中，有一个用颜色或用字符A到E突出的类的分布。

•     A（红色）：具有高比特率的连续数据流，没有帧；例如，对相机图片的拼接有硬性的时间要求。

•     B（蓝色）：典型的以太网最佳流量；没有硬性计时要求；以太网帧高达1522字节。

•     C（橙色）：需要低延迟和数据流保留；例如AVB。

•     D（绿色）：短信息帧；没有硬性时间要求。

•     E（黄色）：低延迟和/或低周期时间；例如，底盘控制或安全气囊点火。

第三："使用的标准"这一栏显示了以太网中已经可用的技术之间的映射。

我们的主干总线必须满足A到E类的通信要求，以及下面列出的其他要求:

•     支持开发过程，因为IVN的开发可能会持续迁移，而代跳跃则会有很大的突破。

•    支持软件开发

——在以太网通信的高级ISO/OSI层中的无缝集成

图3. 频率和子载波与子带之间的相关性。

——支持服务导向

——敏捷式软件开发

•      线束：

——   减少包装、重量和电缆的数量

——  赋予自动化制造能力

•      灵活性：

——   HW的更新/扩展

——  智能处理通信技术（LIN、CAN、FleyRay......），例如隧道

—— 可扩展性。例如，在汽车等级、驱动技术和指令选项上。

•      能源消耗：

——  PHY的低能量消耗

——   通过部分联网实现低能耗

•      全面降低复杂性

•      降低成本

—— 易于集成现成的组件

•      安全

——使用以太网的通用标准，如MAC-sec

•     保障

—— 支持冗余

——  自愈和智能退化

III.OFDMA作为潜在的汽车车载通信网络的作用

未来的车载通信网络必须满足上述的要求。为了实现这一目标，我们使用了一种常见的已知技术--OFDMA[8]。OFDMA是正交频分复用（OFDM）的延伸，它使用频分多址（FDMA）。OFDM被广泛用于消费行业，因此是一项知名的技术。

它特别用于移动通信，如WLAN、UMTS、LTE、5G或基于电缆的系统，如DOCSIS或电力线通信（PL）[9] （如ITU G.hn[7]）。然而，通信信道是高度不变的，并遭受到可能的扭曲。为了实现高性能和稳健的通信，OFDMA使用分布在一个频率范围内的子载波，如图3所示。

图4是一个简化框图，概述了OFDMA调制过程。数据的处理从串行到并行的转换开始，将数据映射到星座图上。下一步，计算快速傅里叶反函数（IFFT）。然后，数模转换器（DAC）产生一个模拟信号。

由于OFDM引擎是按时间片工作的，模拟信号被分割成所谓的OFDMA符号s(t)并进行传输。为了解码，传入的OFDMA符号r(t)被过滤并通过模数转换器(ADC)，快速傅里叶函数(FFT)使以下的信号估计能够接收传输的数据。 OFDMA能够满足在数据速率、稳健性和适应性方面的预期要求。

图4. 频率和子载波与子带之间的相关性。

这使得它在­车辆通信网络中的应用也非常有趣。OFDMA支持所有类型的铜线。为了获得良好的高频信道质量，最好是采用菊花链。与普通的车载数据网络相比，它使用编码方案按顺序传输信息。OFDMA允许在大量的子载波上并行调制频域信息，从而使数据传输达到一个新的高度。子载波的数量取决于传输通道的质量，取决于电缆质量、拓扑结构和整体频率带宽。

图5. OFDMA符号的频域和时域用法。

图6. 基于以太网的骨干网的电缆长度。

此外，与非OFDMA系统相比，基于OFDMA的总线，网络设计者在时域和频域的信息分配上具有更大的灵活性。数据可以在一个子带中以低数量或高数量的子载波进行传输。第一个结果是慢速传输第二个是快速传输。在下文中，多个子载波的集合被称为一个子带。

图5显示了被分为六个子带的频段，每个子带包含几个资源块。由于OFDMA符号长度，每个资源块在时域上受到限制，而在频域上则由于子带中子载波的数量而受到限制。一个时间间隔的资源块的组合被称为OFDMA符号。将信息分配到时间和频率网格内的资源块中，这将是一个可能的应用，例如，确保带宽小或时间间隔短的外部失真不会影响大部分的信息。此外，丢失符号的数据可以通过FEC进行重建。这种资源块的分布在图8中是示范性的。

IV.技术对比

新的分区IVN主干网必须为软件集成提供灵活性，并确保稳健性，同时不增加线束的复杂性和违反第二节中讨论的其他要求。在下文中，我们将描述基于OFDMA的以太网如何满足这些要求，并详细说明哪些具体功能对骨干网的部署具有意义。此外，还给出了基于OFDMA的以太网功能和交换式以太网解决方案之间的比较。

A.线束

分区结构加上以太网或基于OFDMA的以太网作为骨干网是一个有希望的解决方案，以减少线束的复杂性[1], [2], [3]，这是未来IVN的主要挑战之一。以太网通信架构被设计为提供所需的带宽。然而，额外的功能被用来确保传输延迟和确定性行为的所需限制。

在交换式以太网的情况下，网络是通过交换机和终端节点之间的点对点连接建立的。每增加一个终端节点，交换机上也必须保持一个可用的端口。这导致了可用端口过少或过多的情况，特别是在不同的配置变体方面。

图6显示了一个实际的基于以太网的主干体系结构示例，其中包含所使用的电缆长度。它还显示了控制器的空间分布以及分区分配。总的来说，需要三台带有3个、6个和7个以太网端口的交换机将整个车辆的17个控制单元分别连接到骨干网络。所有链接的长度为52米。

与交换式以太网相比，用OFDMA实现的主干网只需要一根电缆。 

图7. 基于OFDMA的以太网骨干网的电缆长度。

每个电子控制单元（ECU）都是一个接一个地连接，形成一个菊花链。请记住，主干网的数据速率应该比交换式以太网解决方案的链路高一个数量级。这将大大减少布线。图7显示了这样一个设置，17个ECU的分区分配通过UTP电缆连接。这里的总长度为28米，即与图6的例子相比，减少了47%的电缆。因此，基于OFDMA的以太网的优势随着ECU数量的增加而增加。

B.OFDMA的优势

汽车系统是混合关键的，即它们集成了对乘客安全至关重要的功能(因此，经过仔细设计和测试)和行为在很大程度上未知的不关键的功能(例如多媒体)。ISO 26262标准要求"足够的独立性"，由服务质量（QoS）机制支持，确保不同流量关键性之间的干扰是已知的和有限度的。 用于交换式以太网的IEEE TSN标准（考虑用于汽车应用）提供了限制干扰和确保不同等级之间"充分独立 "的机制，例如，优先级IEEE802.1Q，流量整形IEEE802.1Qav[10]，严格的时间分离IEEE802.1Qbv[11]。所有这些功能都是在OSI模型的第2层引入的。这是因为在物理层中，所有的传输通常都是串行化的。在任何时候，一个连接上只有一个数据包被传输（参考常用的IEEE802.3[12]）。 在这种情况下，在基于OFDMA的以太网链路上，一个选定的子带被用来在一条线上传输数据，参见第三节的技术概述。

图8. 对不同类型数据流的频率分配。

引入的技术提供了一个机会，利用时间和频率复用在不同的频率（子带）上进行无干扰的平行传输。

图8展示了一个在时间（X轴）和子带（Y轴）上的示范性分配轨迹。第二部分的数据类被分配到四个子带，两个子带被保留。该图说明了颜色突出的类别之间的分离，其中最佳类别（B,C,D）与时间敏感的类别（E）是隔离的。在一个基于OFDMA的以太网中，子带的数量取决于频带划分，参见III。例如，子带数量与构建子带的子载波数量之间的权衡是由系统设计者和使用的硬件决定的。

典型的汽车交换机支持四到八个流量类别。如图9所示，实现不同流量等级和时间触发传输的TSN仲裁器是用分层整形器设计的。图中显示了八个流量类别（TC），其中两个使用基于信用的整形器，所有类别都使用时间感知整形器和优先级整形器。复杂性不仅来自分流器本身的实现，例如，IEEE802.1Qbv中的时间感知分流器或IEEE802.1Qav中的基于信用的分流器，还来自队列管理机制。

由于一次只能传输一个数据包，干扰导致不同流量类别的数据包在缓冲区内累积。相比之下，在基于OFDMA的以太网中，一个简单的仲裁器允许通过为不同的子带分配临界等级来绕过被封锁的子带。

因此，例如，仲裁可以减少到一个级别，以相同的能力来传输时间关键型数据和流媒体数据，缓冲区大小和队列开销可以减少。此外，相比之下，基于OFDMA的以太网中可能的子带数量，以及因此支持的流量类别的数量要比使用TSN的可能性高得多。

通信类之间的隔离可以为功能开发团队提供专用总线。私有总线可以用图8所示的一个空闲子带实现。这实现了敏捷的软件开发和自动的软件部署，而不需要通过复杂的IVN整合过程。

最先进的技术是一个复杂和耗时的整合过程，需要多次迭代以消除所有大多是零星的故障。一旦开发过程完成，专用总线可以被整合到其他子带中，这样就可以为新的开发提供资源。

因此，基于OFDMA的以太网促进了系统的变化，如向分区主干线添加数据流。它还能为未来的功能实现高效、敏捷的软件开发，而无需复杂的整合过程。

C.抢占的时间方面 - TDMA

为每个数据类别或数据流提供一个单独的子带并不总是可能或需要的。这就是在一个子带上传输多个数据类别的原因。然而，必须遵守数据流的约束，以满足时间要求。为了实现这一点，一个常见的解决方案是在共享介质中使用抢占。

图9. 以太网交换机端口的出口处理，参照[13]。

基于OFDMA的以太网在一个TDMA网格中逐一传输数据符号。每个符号都是独立于其他符号的，由几个资源块组成，更多细节请考虑第三节。

下面的例子显示了第二部分的数据流类的共享子带访问，其中OFDMA符号级的抢占有积极的影响。

考虑到一个子带有256个子载波，每个子载波有512个正交振幅调制（QAM）[8]（9个比特在QAM512中被编码，参见星座映射4），一个资源块的传输数据量为:

因此，一个1522字节的以太网帧需要三个资源块来传输。基于每个资源块是独立的这一事实，有可能在各自的资源块之间抢占传输的数据类。

图10.将数据类别分配给OFDMA符号，包括一个子带的抢占。

图11. 为TSN 100Mbit/s的以太网帧分配数据类别的例子。

调度器对OFDMA频域和时域的媒介访问进行仲裁，决定每个资源块允许在当前子带中传输哪个数据类别。因此，改变传输的数据类别是由调度器提供的。这导致了一种自然的抢占机制。图10说明了三个临界等级B、D和E的传入数据帧对资源块的分配过程。

由用箭头表示。沿着X轴编号的矩形代表的是资源块。首先，B类的一帧被分配到资源块（3）、（4）和（5）。B类的第二帧首先被分配到资源块（6）。接下来E类的一个帧准备传输，并抢占C类的低优先级帧，因此下一个资源块(7)被分配给E类。在传输完资源块(8)和(9)后，C类继续使用资源块(8)和(9)。

为了实现高效的硬件设计和数据流，数据帧的准备时间tpre，最终的处理时间tpost必须与OFDMA符号tOFDMA的传输时间相似。准备时间tpre包括调度、资源块准备和编码。时间tpost包括对接收数据的解码。在我们的例子中，每个时间等于17µs。因此，数据帧的最小传输时间ttrans由所有时间之和计算:



因此，它完全符合E级通信的要求，最小延迟为100µs。特别是因为在菊花链上，中间没有跳线。对于B类数据帧，在使用QAM512时，没有抢占的传输时间为tpre + 3 * tOFDMA + tpost = 85µs ，在抢占的情况下ttrans = 102µs。在我们的例子中，传输一个关键数据帧E类需要51µs。

因此，对资源块抢占的固有支持导致了反应时间的缩短和关键数据类延迟的减少。 为了实现与交换式以太网100 Mbit/s相同的延迟，需要有抢占机制，因为传输一个1522字节长的以太网帧需要120µs。图11提供了一个链接速度为100Mbit/s的以太网例子。

图中是数据类别的分布和它们在时间轴上的总带宽量，考虑到最小的以太网帧长度为64字节。为了实现较短的延迟，需要结合抢占和保护时间间隔。保护时间间隔保证即使是可抢占的帧也不会启动，从而导致高优先级帧的延迟。例子中的槽位号15代表这种情况，优先级为3的帧在优先级为2的帧之前发送。

这种优先级倒置是防护时间间隔的结果。它阻止了优先级2的发送，否则就会违反较高优先级的时间。可能的接入分配因使用流量等级C的数据流保留协议IEEE802.1Qat而受到进一步限制。

用1Gbit/s以太网的同样例子得出的结果是，用1Gbit/s以太网可以省略抢占。一个1522字节的以太网帧的传输时间约为12微秒，与第二节中数据类的延迟相比，相对较短。要实现小于10µs的定时延迟，仍然需要防护间隔和时间感知整形器。

OFDMA技术所支持的抢占，甚至为时间紧迫的流量提供了最大的传输时间，而无需复杂的硬件支持配置。

D.安全性和冗余性

参照ISO26262标准，功能安全是汽车的主要要求。因此，确保功能安全对于交换式以太网以及基于OFDMA的变体来说是最重要的。此外，ISO26262标准将汽车功能分为四个等级的关键性，称为汽车安全完整性等级（ASIL）A至ASILD和未分类的交通。

因此，在物理层，有必要确保传输的连续性，即使一个组件或电缆发生故障，以确保安全关键功能的运行，例如线控转向或线控制动。

图12. 用一个额外的交换机和四根电缆（红色）实现以太网内的冗余。

因此，一个冗余的概念是必不可少的。在本节中，我们比较了两种网络结构（交换式以太网和基于OFDMA的变体）在保证车辆故障安全运行方面的线束复杂性。

正如[14]和[15]中所讨论的，可以引入冗余协议来强制执行基于交换式以太网的网络的无错误（正常）运行。冗余的直

接解决方案是重复。每个来自安全关键的数据包，例如（ASILD）的传输，都是通过两条完全独立的路线从源头发送到其汇点。这样的静态资源分配方案是由一个TSN标准（FRER，IEEE 802.1CB[16]）提出的。

对于前面提到的冗余机制来说，至关重要的是关键部件的重复。图12是从上一节的例子中得出的，显示了三个与终端节点连接的开关，例如一个功能（A或B）在上面运行。

这两种功能都代表了由主干线连接的安全关键功能。参与安全关键功能传输的每个组件（如交换机或链路）必须是冗余的。在这个例子中，至少要在网络中增加一个有四条链路（红色链路）的额外交换机，以实现所需的冗余度。此外，由于不是每个ECU都有冗余的网络连接，因此在部署过程中的灵活性被降低，因为将功能从一个ECU转移到另一个ECU的能力是有限的。

因此，通过重复组件实现的冗余导致了昂贵的设置，即每个组件上有大量的接口，复杂的布线，更少的灵活性和更高的维护。

在基于OFDMA的主干网的情况下，仅仅通过增加第二条OFDMA电缆就可以实现冗余，特别是由于没有使用交换机。在这两种技术中都需要有第二个物理层的存在。与交换式以太网相比，上一节的例子中提到的OFDMA主干电缆长度可能减少近50%。通过增加第二条电缆，冗余OFDMA设置在电缆长度方面与基本以太网设置相当。此外，通过基于OFDMA的物理层，也可以引入环形拓扑结构。

菊花链是一种线路拓扑结构，上述电缆的两端可以由一个主动转发信息的控制器连接起来。图13展示了这两种方法，它显示了由基于OFDMA的以太网通过菊花链连接的终端节点。

图13. 基于OFDMA的以太网的冗余概念；要么是第二条电缆，要么是带有主动防护的电缆。

图中还显示了额外的电缆（红色），为安全关键功能增加了一个冗余连接（A，B）。还展示了带有主动防护控制器和闭环拓扑结构的第二种方法。

前面展示的冗余概念都是以交换式以太网或基于OFDMA的以太网为重点。这两种骨干网技术在技术上都是多样化的，因此，两者的结合会产生一个冗余的、多样化的IVN。对于某些用例，需要使用不同的技术来避免系统误差。这可以通过结合交换式和基于OFDMA的以太网来实现。

V.总结

基于OFDMA的以太网是一个很有前途的候选者，可用作汽车车辆的骨干通信系统。我们已经表明，基于OFDMA的以太网能够处理未来的挑战，例如，如果在分区IVN中用作骨干网，可以减少线束的复杂性。它还支持符合未来的数据传输要求，尤其是因为它继承了重要的TSN属性。例如，使用的FDMA提供了流量类别之间的隔离。  

此外，频率分离可以通过隔离的私有子带实现敏捷软件开发。这样就可以绕过复杂而耗时的集成过程。与TDMA相结合，基于OFDMA的以太网为控制数据传输提供了极大的灵活性，例如，在子带中抢占，以实现时间要求。与以太网相比，不同的物理层可以为安全关键系统提供冗余，而不会过多地增加IVN的复杂性，并为IVN增加多样性。

审核编辑：刘清