面對日益復雜化的汽車電子電氣架構及網絡系統(tǒng)，人工計算與迭代的設計方式已很難適用。同時，驗證設計的合理性在成本壓力下愈發(fā)重要。今天我們對RTaW與BMW的合作應用案例（O.Creighton, N.Navet, P.Keller, J.Migge, 2020 IEEE-SA，“Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and Ethernet-based E/E Architecture Design”）進行解讀，從兩個方面分析如何進行E/E架構設計優(yōu)化：
- 電子電氣架構設計面臨哪些挑戰(zhàn)
- 如何使用RTaW進行E/E架構設計優(yōu)化
1 BMW當前電子電氣架構設計面臨的挑戰(zhàn)
- 向可靠的整車范圍SOA轉變
隨著電子電氣架構的發(fā)展，以信號/功能為導向的傳統(tǒng)設計模式已不再滿足需求，而整車范圍SOA設計具有統(tǒng)一性、可靠性，可以帶來兩個核心優(yōu)勢：
- 清晰的SOA層級劃分- 明確的服務提供方和消費方定位
圖1 基于信號到基于服務的轉變
與傳統(tǒng)設計模式相比，SOA開發(fā)過程需要考慮更多的系統(tǒng)要求，如延時、帶寬、鑒權、冗余與安全、整車級別的運行配置等。在智能駕駛領域里，通過動態(tài)配置資源的高性能實時運算平臺（由軟件定義的、硬件高度集成的ECU）在大數(shù)據(jù)和AI算法的幫助下將擔負更多的角色。
圖2 BMW L3&L4可剪裁的自動駕駛架構
- 模塊化下的軟硬件擴展性和復用性
為了提高模塊化下的軟硬件開發(fā)效率、降低成本、提高復用性。目前在BMW所有L2至L4/5級乘用車中，基礎平臺統(tǒng)一在AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）上進行搭建，并將L2模塊作為L3的備份，這種設計使ECU和攝像頭的軟硬件具有較高的復用性。且隨著自動化水平的繼續(xù)升高，還可通過部署額外的傳感器和高端微處理器來滿足需求。
- 工作量大成本高的集成和測試
從完整系統(tǒng)測試到持續(xù)集成測試的轉變，使得測試對自動化的需求大幅提升，解決這個問題的關鍵是在設計初期的虛擬平臺上進行大量的驗證和測試。目前的解決方向是針對整套系統(tǒng)進行不同精度等級的仿真，并在軟/硬件在環(huán)的測試用例中集成真實元件，實現(xiàn)這一目標具有較大的挑戰(zhàn)性。
- 如何設計一個具備擴展性的E/E架構
架構在初期設計階段就已確定，但隨著研發(fā)過程的深入，軟件功能還會陸續(xù)的添加，在產品售出后還有更新的需求。這種更新目前主要有兩個場景：純軟件的升級和軟硬件同時升級（如ADAS模塊）。因此，如何設計一個擴展性好、可持續(xù)增值的E/E架構成為整車設計的難點。
2 基于RTaW-Pegase的E/E架構設計優(yōu)化
目前系統(tǒng)的設計優(yōu)化主要可按照鏈路帶寬、TSN協(xié)議的選擇等方向展開，如何保證在設計初期就選擇一個“面向未來的”E/E架構？下文將從一個示例來闡述，在一個基于TSN的Zonal架構中，如何評估網絡帶寬使用情況以及未來軟件更新可增加的服務數(shù)量，設計出一個的擴展性好的E/E架構。
示例：如下圖所示，三個區(qū)域控制器（圖中黃色區(qū)域）與HPC（圖中綠色區(qū)域）使用千兆以太網相連，HPC將處理包括車身、運動、數(shù)據(jù)分析、ADAS等內容。該以太網拓撲包含17個ECU，如HMI、動力系統(tǒng)、攝像頭、AI后臺計算等。根據(jù)統(tǒng)計，命令控制信息占汽車數(shù)據(jù)流總數(shù)的30%，音視頻流（含ADAS）為10%，各種服務信息則占到60%，這個示例中，服務類信息是影響鏈路帶寬的關鍵。
圖3 示例拓撲及數(shù)據(jù)統(tǒng)計
為了評估后期更新時增添服務的極限，在分析軟件RTaW-Pegase中將評估內容拆解成五個方面：過載、網絡性能、成本/擴展性、性能優(yōu)化及整體架構。接下來本文將圍繞這五個方面進行介紹。
圖4 評估流程
- 過載評估
以鏈路100%負載作為限制（當一條或多條鏈路上負載高于100%時，即使使用TSN也不能滿足時間限制），得到的評估結果為：添加90個新服務時過載為10%，之后過載量陡然上升，這說明無論使用哪種TSN策略，該架構都只適合添加60-80個服務。
圖5 過載評估
- 網絡整體性能
除了鏈路負載以外，流量調度方法的選擇也會對結果產生影響。未使用任何整形方法或者流量調度方法的命令&控制信息只能添加25-30個新服務（75%保障級別），接著使用不同流量調度方法進行分析：“CBS[1]+最高優(yōu)先級設置為Express[2]”方案在同等保障級別下可添加55個新服務，這個結果和“最高級使用CBS+TAS[3]”方案結果相似。所以，在硬件允許且不考慮成本的情況下，這兩種配置可實現(xiàn)幾乎相同的可擴展性。
[1] CBS（Credit-based Shaping）：IEEE 802.1Q協(xié)議中規(guī)定的一種基于信用的整形機制，在支持AVB功能的交換機出口處對數(shù)據(jù)流依照信用值進行流量整形，以達到保證時間敏感的音視頻流的傳輸目的。
[2] Express：幀搶占是TSN協(xié)議族中提供延遲保障機制的協(xié)議，通過對幀進行高低優(yōu)先級的劃分（Express MAC和Preamble MAC），來縮短高優(yōu)先級幀的排隊等待時間。
[3] TAS（Time Aware Shaping）：IEEE 802.1Qbv協(xié)議規(guī)定的時間感知整形，通過開關門的機制來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，為車內時間敏感數(shù)據(jù)提供超低延時及抖動保證。
- 成本和擴展性
設計者在追求系統(tǒng)可擴展性的時候也需要進行成本控制。影響成本的因素眾多（價格、時間、風險、重量等等），在RTaW中為本案例添加自定義的函數(shù)來計算成本。從結果看，在不使用整形機制（CP）的情況下可新增20個服務流，此方案的性價比在給定的價格基礎上更優(yōu)；隨著需求中流的數(shù)量的上升，在給定當前價格參考的基礎下，性價比更高的方案由CP向“TAS+CBS”轉移，當流的增量超過40條時，“CBS+Preemption”擁有較高的性價比。
圖6 成本和擴展性評估
- 整體架構擴展性
架構可擴展性分析必須同時考慮網絡通訊以及CPU負載。我們首先來假設每個服務所需的處理時間都與其數(shù)據(jù)流成比例，基于相同的CPU算力來進行對比評估。在軟件中分別模擬更好的TSN方案（最高級隊列設為Express+兩個CBS隊列）有/無CPU需求的場景。在不考慮CPU要求的情況下，結果往往會過于樂觀，如圖所示，在同時滿足通訊和CPU性能要求的情況下，網絡的實際可擴展性會差于不考慮CPU要求的情況。
圖7 整體架構擴展性評估
架構綜合評估
以上介紹了基于已有的網絡拓撲如何進行面向未來的汽車電子電氣架構設計，特別是分析了網絡的可擴展性以應對未來的需求。下面我們來總結一下，對于通過擴展已有核心網絡拓撲來設計未來網絡架構，需要考慮四大方面：
- 核心拓撲的設計- 對拓撲的限制需求- 電腦輔助設計，基于RTaW-Pegase對不同大量場景進行測試評估優(yōu)化- 網絡的安全性和可靠性（RTaW-Pegase同樣支持）
3 結語
面對汽車電子電氣架構設計優(yōu)化需求，系統(tǒng)復雜性、擴展性、時間和成本效率等是關鍵的驅動因素。可以預見，計算機輔助網絡分析軟件將大大推動面向未來的研發(fā)進程。
RTaW-Pegase是法國國家信息與自動化研究所（INRIA）下屬公司RTaW的產品。該公司主要為汽車等領域的企業(yè)提供時間仿真和配置工具。RTaW-Pegase（V4.2.7）全面支持CAN（FD）、車載以太網以及TSN協(xié)議的設計仿真及性能評估。該軟件功能強大且使用便捷，ZeroConfig功能可根據(jù)用戶輸入一鍵式自動完成車載以太網TSN協(xié)議參數(shù)配置工作，優(yōu)化TSN網絡拓撲以及調度機制。不斷新增的功能也將在更廣的范圍內支持車載網絡全網時間分析及優(yōu)化。
經緯恒潤持續(xù)關注車載以太網國際新趨勢，為客戶提供各類優(yōu)質先進的車載以太網相關工程咨詢服務，涉及車載以太網設計、AVB/TSN量產應用、SOA架構、網絡安全設計和測試等多個領域。RTaW兩年前由經緯恒潤引入國內，是該公司在中國的重要合作伙伴。恒潤已為國內多家知名汽車企業(yè)提供了基于RTaW-Pegase產品的車載以太網TSN設計工程咨詢服務，更多資訊請訪問經緯恒潤官網或官微。
[1]O. Creighton, N. Navet, P. Keller, J. Migge, “Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and Ethernet-based E/E Architecture Design,” IEEE Standards Association (IEEE-SA) Ethernet & IP @ Automotive Technology Day, 2020.
[2]J. Yoshida, “Unveiled: BMW’s Scalable AV Architecture,” EE|Times, 4 2020.
