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(jì)自動(dòng)化

引言
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5 S+ ~" }) f; y  w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(dòng)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
" a$ d" l9 i( s, j. z車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)經(jīng)歷了三個(gè)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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/ k3 p7 O8 r7 U3 T& Z, L9 Y0 Q; U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(gè)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。
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以太網(wǎng)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）
' z+ U: p: j! n, L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(gè)問題，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。
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TSN引入了幾個(gè)關(guān)鍵特性：

時(shí)間感知整形器（TAS）：實(shí)施時(shí)分多址（TDMA）以基于優(yōu)先級(jí)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(jí)控制流量的及時(shí)傳輸。
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- F+ o" ~, ]7 s9 {圖2：TSN和AVB以太網(wǎng)調(diào)度，顯示CDT、AVB和保護(hù)帶時(shí)隙。
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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。

SiPhON簡介
; Q6 d8 w5 m# [; [為應(yīng)對(duì)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(shí)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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  ~! q# l5 d! A- c7 iSiPhON的主要特點(diǎn)：

單個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

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

直通交換以最小化延遲

基于時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸
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( V: j) C1 g7 c& A  q: ?圖3：SiPhON的光學(xué)車載骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

  H$ W" S6 z: x+ y5 H$ {# s與傳統(tǒng)的光學(xué)以太網(wǎng)架構(gòu)不同，SiPhON僅在主節(jié)點(diǎn)中使用激光二極管（LD）。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用光調(diào)制和檢測（MD）電路將數(shù)據(jù)注入由主節(jié)點(diǎn)生成的時(shí)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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SiPhON中的時(shí)隙調(diào)度
SiPhON的獨(dú)特架構(gòu)需要專門的時(shí)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(shí)隙調(diào)度

動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度
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9 \' G7 V4 S# E: j- X+ w動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度算法提供了幾個(gè)優(yōu)勢：
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減少已知數(shù)據(jù)包生成間隔的高優(yōu)先級(jí)流的時(shí)隙等待時(shí)間

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

根據(jù)預(yù)約請求和緩沖區(qū)占用率調(diào)整時(shí)隙分配比例
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圖4：Gateway 1中傳入和傳出控制數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)時(shí)隙的示例。
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7 c+ z$ Q9 d# G7 r動(dòng)態(tài)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包的預(yù)期出發(fā)時(shí)間

Flow ID

緩沖區(qū)等待時(shí)間

緩沖區(qū)占用率
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這些信息使主節(jié)點(diǎn)能夠優(yōu)化時(shí)隙分配并降低整體數(shù)據(jù)包延遲。
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3 A" T$ U1 T: N& f. E( m性能評(píng)估
為評(píng)估SiPhON的性能，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，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(píng)估的模擬車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?font class="jammer">$ |, W% M7 ?; X5 J

模擬結(jié)果表明，采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度的SiPhON可以實(shí)現(xiàn)比固定和周期性時(shí)隙調(diào)度更低的數(shù)據(jù)包延遲。此外，SiPhON中由于時(shí)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(jì)。


; S- {" B+ f5 x3 \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(shí)隙調(diào)度的SiPhON，（c）動(dòng)態(tài)時(shí)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(shí)隙調(diào)度的SiPhON，（c）動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度的SiPhON。


! h' G1 ^/ Y; B" @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(shí)隙調(diào)度的SiPhON，（c）動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度的SiPhON。
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, g, y1 K: w9 q結(jié)論
1 H7 P9 ^3 b; u9 x/ L  `: x& SSiPhON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(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度算法展示了實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)包延遲的能力，特別是對(duì)于高優(yōu)先級(jí)和時(shí)間敏感的流量。
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" C; R5 K& u" L1 f% X+ ySiPhON顯示出潛力，但仍有幾個(gè)領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究：

評(píng)估物理SiPhON原型中的處理延遲

為SiPhON開發(fā)和評(píng)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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* @5 k8 z& T( U( n: I參考文獻(xiàn)
8 H3 C- |: [5 b, \  V6 ?3 A' \' ^[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.
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