基于硅基光電子技術(shù)的車載光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（SiPhON）

逍遙設(shè)計自動化

引言

1 z1 u1 B/ m$ _- K, N現(xiàn)代汽車變得越來越復(fù)雜，越來越多的電子控制單元（ECU）和傳感器需要高帶寬、低延遲的通信。傳統(tǒng)的總線架構(gòu)如CAN和LIN已無法滿足這些需求。因此，汽車行業(yè)正在探索新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以支持自動駕駛和信息娛樂系統(tǒng)等先進(jìn)功能[1]。
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車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變
% {: F0 s" H* ~& z車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)經(jīng)歷了三個主要世代的演變：

基于gateway的架構(gòu)：ECU根據(jù)總線類型分組，連接到集中式gateway。

基于域的架構(gòu)：ECU按功能分組，由域控制器管理。

基于區(qū)域的架構(gòu)：ECU根據(jù)空間proximity連接到區(qū)域gateway。
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0 p& D/ J2 F/ C圖1：車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變，展示了gateway、域和區(qū)域架構(gòu)。
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基于區(qū)域的架構(gòu)提供了幾個優(yōu)勢，包括降低布線成本和改善集中式處理。然而，這需要高帶寬、低延遲的骨干網(wǎng)絡(luò)來支持區(qū)域間的通信。

以太網(wǎng)和時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）
% |2 e, F& G) J8 I! k以太網(wǎng)因其高數(shù)據(jù)傳輸率成為車載網(wǎng)絡(luò)的有力候選。但是，傳統(tǒng)以太網(wǎng)缺乏關(guān)鍵汽車應(yīng)用所需的服務(wù)質(zhì)量（QoS）能力。為解決這個問題，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。

3 J' R8 j# z0 w/ TTSN引入了幾個關(guān)鍵特性：

時間感知整形器（TAS）：實施時分多址（TDMA）以基于優(yōu)先級隔離流量。

基于信用的整形器（CBS）：控制音頻/視頻流的流量速率和突發(fā)性。

控制數(shù)據(jù)流量（CDT）類：保證高優(yōu)先級控制流量的及時傳輸。
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圖2：TSN和AVB以太網(wǎng)調(diào)度，顯示CDT、AVB和保護(hù)帶時隙。

TSN以太網(wǎng)提供了改進(jìn)的QoS，但在惡劣的汽車環(huán)境中，特別是關(guān)于光學(xué)收發(fā)器中使用的激光二極管（LD）的壽命，存在成本和可靠性方面的擔(dān)憂。
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* J8 J" P" T' R2 NSiPhON簡介
& o/ u8 e  Q8 V% h# X7 C  o- L為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員提出了名為基于硅的車載光子網(wǎng)絡(luò)（Si-Photonics-Based In-Vehicle Optical Network，SiPhON）的新型光學(xué)車載骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這種架構(gòu)旨在提供高帶寬和低延遲，同時可能降低成本并提高可靠性，相較于光學(xué)以太網(wǎng)解決方案。
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4 [- O( c$ V+ I6 ZSiPhON的主要特點：
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單個主節(jié)點和多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點

環(huán)形拓?fù)渲械膯蜗蚬怄溌?li>獨立的控制和數(shù)據(jù)通道

直通交換以最小化延遲

基于時隙的數(shù)據(jù)傳輸

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圖3：SiPhON的光學(xué)車載骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4 x' f; p6 P% Z5 {' L. a2 _5 u與傳統(tǒng)的光學(xué)以太網(wǎng)架構(gòu)不同，SiPhON僅在主節(jié)點中使用激光二極管（LD）。網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用光調(diào)制和檢測（MD）電路將數(shù)據(jù)注入由主節(jié)點生成的時隙中。這種方法可能降低與惡劣汽車環(huán)境中LD相關(guān)的整體成本和故障概率。
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" @+ N* W& }5 `9 m' ^7 b( hSiPhON中的時隙調(diào)度
SiPhON的獨特架構(gòu)需要專門的時隙調(diào)度算法來最小化數(shù)據(jù)包傳輸延遲。提出了兩種方法：

固定和周期性時隙調(diào)度

動態(tài)時隙調(diào)度
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: Y) X6 d# A% ]% i- ]3 ]  K動態(tài)時隙調(diào)度算法提供了幾個優(yōu)勢：

減少已知數(shù)據(jù)包生成間隔的高優(yōu)先級流的時隙等待時間

通過采樣Gateway緩沖區(qū)占用率減少突發(fā)低優(yōu)先級流的延遲

根據(jù)預(yù)約請求和緩沖區(qū)占用率調(diào)整時隙分配比例



圖4：Gateway 1中傳入和傳出控制數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)時隙的示例。
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動態(tài)時隙調(diào)度算法使用來自網(wǎng)關(guān)的反饋信息，包括：
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下一個數(shù)據(jù)包的預(yù)期出發(fā)時間

Flow ID

緩沖區(qū)等待時間

緩沖區(qū)占用率
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8 j5 t( v6 D6 `* p這些信息使主節(jié)點能夠優(yōu)化時隙分配并降低整體數(shù)據(jù)包延遲。
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性能評估
& i6 O+ B8 m1 K  o1 r) m5 ?為評估SiPhON的性能，進(jìn)行了模擬實驗，將其與TSN以太網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行比較。模擬網(wǎng)絡(luò)包括各種流量類型，如視頻流、控制消息和盡力而為的流量。
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圖5：用于性能評估的模擬車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?font class="jammer">( r9 j+ \# s, l9 t9 }

7 ^; k5 l1 {8 Y! r# F模擬結(jié)果表明，采用動態(tài)時隙調(diào)度的SiPhON可以實現(xiàn)比固定和周期性時隙調(diào)度更低的數(shù)據(jù)包延遲。此外，SiPhON中由于時隙調(diào)度造成的數(shù)據(jù)包延遲相較于TSN以太網(wǎng)中包括流量整形和處理延遲在內(nèi)的總延遲可以忽略不計。
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! t, H! p% h- z3 p" A圖6：從CAM 5到Dashcam的視頻數(shù)據(jù)包延遲比較：（a）TSN以太網(wǎng)，（b）固定和周期性時隙調(diào)度的SiPhON，（c）動態(tài)時隙調(diào)度的SiPhON。
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圖7：從控制單元到Dashcam的控制數(shù)據(jù)包延遲比較：（a）TSN以太網(wǎng)，（b）固定和周期性時隙調(diào)度的SiPhON，（c）動態(tài)時隙調(diào)度的SiPhON。


圖8：從信息娛樂ECU到頭部單元的盡力而為數(shù)據(jù)包延遲比較：（a）TSN以太網(wǎng)，（b）固定和周期性時隙調(diào)度的SiPhON，（c）動態(tài)時隙調(diào)度的SiPhON。
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結(jié)論
SiPhON代表了車載網(wǎng)絡(luò)的新方法，與傳統(tǒng)光學(xué)以太網(wǎng)解決方案相比，在成本和可靠性方面具有潛在優(yōu)勢。動態(tài)時隙調(diào)度算法展示了實現(xiàn)低數(shù)據(jù)包延遲的能力，特別是對于高優(yōu)先級和時間敏感的流量。

2 |3 l3 _1 z+ k- M7 ?$ }' K! x9 c! |SiPhON顯示出潛力，但仍有幾個領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究：

評估物理SiPhON原型中的處理延遲

為SiPhON開發(fā)和評估流量整形算法

分析硬件故障場景和提高彈性的潛在解決方案
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# e1 _+ n- a' l$ Q; r& W. ~參考文獻(xiàn)
5 n5 c( M0 t+ [2 f$ z  X- A! N[1] Alparslan, S. Arakawa and M. Murata, "A zone-based optical intra-vehicle backbone network architecture with dynamic slot scheduling," Optical Switching and Networking, vol. 50, p. 100753, 2023, doi: 10.1016/j.osn.2023.100753.
END


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