面对日益复杂化的汽车电子电气架构及网络系统，人工计算与迭代的设计方式已很难适用。同时，验证设计的合理性在成本压力下愈发重要。今天我ㄨ们对RTaW与BMW的合作应用案例（O.Creighton, N.Navet, P.Keller, J.Migge, 2020 IEEE-SA，“Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and Ethernet-based E/E Architecture Design”）进行解读，从两个方面分析如何进行E/E架构设计优化：
电子电气架构◇设计面临哪些挑战
如何使用RTaW进行E/E架构设计优化
1 BMW当前电子电气架构设计面临的挑战
- 向可靠的整车范围SOA转变
随着电子电气架构的发展，以信号/功能为导向的传♀统设计模式已不再满足需求，而︽整车范围SOA设计具有统一性、可靠性，可以带来两个核心优势：
- 清晰的SOA层级划分
- 明确的服务提供方和消费方定位
图1 基于信号到基于服务的转变
与传统设计模式相比，SOA开发过程需要考虑更多的系统要求，如延时、带宽、鉴权、冗余与安全、整车级别♀的运行配置等。在※智能驾驶领域里，通过动态配置资源的高性能实时运算平台（由软件々定义的、硬件高度集成的ECU）在大数据和AI算法的帮助下将担负更多的角色。
图2 BMW L3&L4可剪裁的自动驾▅驶架构
- 模块化下的软硬件扩展性和复用性
为了提高模块化下的软硬件开发效率、降低成本、提高复用性。目前在BMW所有L2至L4/5级乘用车中，基础平☉台统一在AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）上进行搭建，并将L2模块作为L3的备份，这种设计使ECU和摄像头的软硬件具有较高的复用性。且随着自动化水平的①继续升高，还可通过部署额外的传感器和高端微处理器来满足需求◥。
- 工作量大成本高的集成和测试
从完整系统测试到持续集成测试的转变，使得测试对自动化的需求大幅提升，解决这个问→题的关键是在设计初期的虚拟平台上进行大量的验证和测试。目前的解决方向是针︼对整套系统进行不同精度等级的仿真，并在软/硬件在环的测试用例中集成真实元件，实现这一目标具有较大的挑战▓性。
- 如何设计一个具备扩展性的E/E架构
架构在初期设计阶段就已确定，但随着研发过程的深入，软件功※能还会陆续的添加，在产品售出后还有更新的需求。这种更新目前主要∩有两个场景：纯软件的升级和软硬件同时升级（如ADAS模块）。因此，如何设计一个扩展性好、可持续增值的E/E架构成为整车设计的难︾点。
2 基于RTaW-Pegase的E/E架构设计优化
目前系统的设计优化主要可按照链路带宽、TSN协议的选择等方向展开，如何保证在设计初期就选择一个“面向★未来的”E/E架构？下文将从一个示例来阐述，在一个基于TSN的Zonal架构中，如何评估网络带宽使用情况以及未来软件更新可增加¤的服务数量，设计出一个的扩展性好的E/E架构。
示例：如下ζ图所示，三个区域控制器（图中黄色区〓域）与HPC（图中绿色区域）使用千兆以◤太网相连，HPC将处理包括车身、运动、数据分析、ADAS等内容。该以太网拓扑包♂含17个ECU，如HMI、动力系统、摄像头、AI后台计算等。根据统计，命令控制信息占汽车数据流总数的30%，音视频流（含ADAS）为10%，各种服务信息则占ζ 到60%，这个↓示例中，服务类信息是影响链路带宽的关键。
图3 示例拓扑及数据统计
为了评估后期更新时增添服务的极限，在分析软件RTaW-Pegase中将评估内容拆解成五个Ψ方面：过载、网络性能、成本/扩展性、性能优化及整体架构。接下来本文将围绕▲这五个方面进行介绍。
图4 评估流程
- 过载评估
以链路百分之百负载作为限制（当一条№或多条链路上负载高于百分之百时，即使使用TSN也不能满足时间限制），得到的评↙估结果为：添加90个新服务时过载为10%，之后过载量陡然上升，这说明无论【使用哪种TSN策略，该架构都只适合【添加60-80个服务。
图5 过载评估
- 网络整体性能
除了链路负载以外，流量调度方法的选择也会对结→果产生影响。未使用任何整形方法或者流量调度方法「的命令&控制信息只能添加25-30个新服务（75%保障级别），接着使用不同流量调度方法进行分析：“CBS[1]+优先级设置为Express[2]”方案在同等保障↑级别下可添加55个新服务，这个结果和“使用CBS+TAS[3]”方㊣ 案结果相似。所以，在硬件允许且不考虑成本的情况下，这两种配置可实现几乎相ξ 同的可扩展性。
[1]CBS（Credit-based Shaping）：IEEE 802.1Q协议中规定的一种基于信用的整形机制，在支持AVB功能的交换机〖出口处对数据流依照信用值进行流量整形，以达到保证时间敏感的音视频流的传输目的。
[2]Express：帧抢占是TSN协议族中提供延『迟保障机制的协议，通过对帧进行高低优先级的划分（Express MAC和Preamble MAC），来缩短高优先级帧的排队等╲待时间。
[3] TAS（Time Aware Shaping）：IEEE 802.1Qbv协议规定的时间感知整形，通过开关门的机◇制来控制数据的发送，为车内时间敏感数据提供超低延时及∑ 抖动保证。
- 成本和扩展性
设计者在追求系统可扩展∞性的时候也需要进行成本控制。影响成本︼的因素众多（价格、时间、风险、重量等等），在RTaW中为本案例添加自定义的函数来计算成本。从结果看，在不使用整形⊙机制（CP）的情况下可新增20个服务流，此方案的性价比在给定的价格基础上更优；随着□需求中流的数量的上升，在给定当前价格参考的基础下，性价比更◆高的方案由CP向“TAS+CBS”转移，当流的增量超过40条时，“CBS+Preemption”拥∩有较高的性价比。
图6 成本和扩展性评估
- 整体架构扩展性
架构可扩展性分析必须同时考虑网络※通讯以及CPU负载。我们首先来假设每个服务所需的处理时间都与其数据流成比例▅，基于相同的CPU算力来进♀行对比评估。在软件中分别模拟更好的TSN方案（队列设为Express+两个CBS队列）有/无CPU需求的场◣景。在不考虑CPU要求的情况下，结卐果往往会过于乐观，如图所示，在同时满足通讯和CPU性能要求的情况下，网络的实际可扩展性会差∞于不考虑CPU要求的情况。
图7 整体架ぷ构扩展性评估
- 架构综合评估
以上介绍了基于已有的网络拓扑如何进行面向未来的＠ 汽车电子电气架构设计，特别是分析了→网络的可扩展性以应对未来的需求。下面我们来总结一下〗，对于通过扩展已有核心网络拓扑来设计未√来网络架构，需要考虑四大方面：
- 核心∏拓扑的设计
- 对拓扑的限制需求
- 电脑辅助设计，基于RTaW-Pegase对不同大量Ψ场景进行测试评估优化
- 网络的安全性和可靠⌒ 性（RTaW-Pegase同样支持）
3 结语
面对汽车电子电气架构设计优化需求，系统〖复杂性、扩展性、时间和成本效率等是关键的驱动因素。可以预见，计算机辅助网络分析软件将大大推动面向未来的研发进↙程。
RTaW-Pegase是法国信息与自■动化研究所（INRIA）下属公司RTaW的产品。该公司主要为汽车等领域的企业提供时间仿真和配置工具。RTaW-Pegase（V4.2.7）全面支持CAN（FD）、车载以太网▽以及TSN协议的设计仿真及性能评估。该软件功【能强大且使用便捷，ZeroConfig功能可根据用户输入一键式自动完成车载以太网TSN协议参数配置工¤作，优化TSN网络拓扑以及〗调度机制。不断新增的功能也将在更广的范围内支持车载网络全网时间分析○及优化。
经纬恒润持续关注车载以太网国际新趋势，为客户提供各类优质先进的车载以太网相关工程◣咨询服务，涉及车载以太网设计、AVB/TSN量产应用、SOA架构、网络安全设计和测试等多个领域。RTaW两年前由经纬恒润引入国内，是该公司在中国的重要合作伙伴。恒润已为△国内多家知名汽车企业提供了基于RTaW-Pegase产品的车载以太网TSN设计工程咨询服〖务，更多资讯请访问经纬恒润官网或官微。
[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.
