車載多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論文

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1MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1．1MOST網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史

1MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一個由MOST合作組織制定的以通信協(xié)議為基礎(chǔ)的汽車多媒體信息傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其采用光纖線或雙絞線作為物理傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)車內(nèi)多媒體設(shè)備的互聯(lián)互通。1996年，梅賽德斯以其D2B系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并與寶馬和SMSC合作，開始對MOST進行討論，并且決定和其他汽車生產(chǎn)商共同進行開發(fā)。1998年，寶馬、奔馳、別克和SMSC以德國民法合伙人的方式成立了MOST合作組織，之后奧迪很快也加入了該組織。MOST合作組織成立后便致力于協(xié)議的快速標準化工作，并迅速地將實際系統(tǒng)搭載于汽車上。圖1是2000年ITS世界代表大會上，MOST組織展覽廳內(nèi)奧迪、寶馬、梅塞德斯和大眾的相關(guān)車型［5］，而現(xiàn)在已經(jīng)有140種車型應(yīng)用了MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。MOST組織已經(jīng)了三代MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范，分別為MOST25、MOST50和MOST150，而下一代網(wǎng)絡(luò)帶寬能夠達到1～5Gbps的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范也正在研發(fā)當(dāng)中。雖然每一代MOST網(wǎng)絡(luò)規(guī)范都有些不同，但是其基本特點沒有變化，接下來將對其進行詳述。

1．2MOST網(wǎng)絡(luò)基本特點

MOST網(wǎng)絡(luò)是一個點到點的光纖/電氣閉環(huán)同步網(wǎng)絡(luò)，它由一個時間主節(jié)點和若干個時間從節(jié)點構(gòu)成，在傳輸數(shù)據(jù)信號的同時也傳輸時鐘信號［6，7］。該網(wǎng)絡(luò)中最多有64個節(jié)點，節(jié)點之間的最大距離為10米。它相對于傳統(tǒng)的車載信息娛樂系統(tǒng)方案而言具有使用線束更少更輕、網(wǎng)絡(luò)抗電磁干擾能力更強、應(yīng)用的添加和刪除更為方便等優(yōu)點。圖2是MOST網(wǎng)絡(luò)與OSI網(wǎng)絡(luò)模型的對比圖，圖中功能塊層完成了網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點的應(yīng)用功能和系統(tǒng)功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用套接字層與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基礎(chǔ)層共同組成了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，控制報文的收發(fā)與流數(shù)據(jù)信道的連接和釋放等都由該服務(wù)完成。MOST智能網(wǎng)絡(luò)接口控制器層主要負責(zé)套接字管理、智能器件管理、網(wǎng)絡(luò)保護模式設(shè)置和硬件應(yīng)用看門狗定時器設(shè)置等。而物理層則由光學(xué)物理層和電氣物理層組成，MOST網(wǎng)絡(luò)信號可以在光纖線或雙絞線中進行傳輸。在MOST網(wǎng)絡(luò)上，幀是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧總€幀又分為三個數(shù)據(jù)域，分別用于傳輸控制字節(jié)、流數(shù)據(jù)與異步數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)幀定時發(fā)送，其頻率為44．1KHz或48KHz。所以網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南噜彅?shù)據(jù)幀的相同數(shù)據(jù)域構(gòu)成了用于傳輸對應(yīng)信息的連續(xù)信道，即控制信道、流數(shù)據(jù)信道和異步數(shù)據(jù)信道。

1．3MOST網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

從MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生至今，國內(nèi)外許多科研人員對其進行了深入的研究。文獻［8］首先將MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到了國內(nèi)，文中對MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了綜述，較詳細地介紹了MOST網(wǎng)絡(luò)的功能特點、MOST網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)和MOST網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備組成等，并對MOST網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用進行了討論。文獻［9］設(shè)計并實現(xiàn)了MOST網(wǎng)絡(luò)的主控制器，為MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展提供了理論和實踐的基礎(chǔ)。文獻［10］設(shè)計了MOST網(wǎng)絡(luò)音頻播放節(jié)點，為原型節(jié)點的開發(fā)做了鋪墊，隨后文獻［11］和文獻［12］實現(xiàn)了音頻流媒體數(shù)據(jù)傳輸和播放功能。文獻［13］實現(xiàn)了基于MOST網(wǎng)絡(luò)的DVD節(jié)點，而文獻［14］實現(xiàn)了基于MOST網(wǎng)絡(luò)的收音機節(jié)點。文獻［15－17］對基于MOST網(wǎng)絡(luò)的車載語音接口進行了研究，實現(xiàn)了通過語音控制MOST網(wǎng)絡(luò)。文獻［18－22］以各自的設(shè)計思想實現(xiàn)了MOST網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，文獻［23］使用靜態(tài)段和控制報文實現(xiàn)了MOST網(wǎng)絡(luò)和FlexRay網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，這些網(wǎng)關(guān)使整車的網(wǎng)絡(luò)可以進行完整可信的通信，增強了整車的功能性、舒適性和安全性。文獻［24］對MOST網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進行了改進，使MOST網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以被事件驅(qū)動，并使用層次狀態(tài)機，MOST網(wǎng)絡(luò)程序的開發(fā)變得更加的容易。文獻［25］提出了基于FSM模型的車載MOST網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以增強車載MOST網(wǎng)絡(luò)的靈活性、健壯性和容錯性，滿足車載信息娛樂系統(tǒng)對即插即用工作方式的需求。而文獻［26］則提出了MOST網(wǎng)絡(luò)連接管理策略，該策略可以有效地提高MOST網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。文獻［27－30］在電源管理和能量優(yōu)化方面對MOST網(wǎng)絡(luò)進行了深入的研究，使MOST網(wǎng)絡(luò)可以集中喚醒進入睡眠狀態(tài)的節(jié)點，并且降低了系統(tǒng)的總功耗。

1．4MOST網(wǎng)絡(luò)未來趨勢

MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)歷經(jīng)15年的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成果，在未來的前進道路上它將會在以下三方面取得進步。首先，MOST組織在其定期的MOSTInformative里提到MOST網(wǎng)絡(luò)會在拓撲結(jié)構(gòu)方面增加星型、菊花鏈型和樹形等拓撲結(jié)構(gòu)，改善環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如果斷開則整個網(wǎng)絡(luò)不可用的缺點。然后，在降低成本方面，MOST150網(wǎng)絡(luò)使用的是光纖線進行信號傳輸，在保證傳輸速率150Mbps的前提下可以在物理層增加非屏蔽雙絞線(6類雙絞線)和同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，這樣可以拓寬其市場，使更多的車型可以搭載MOST網(wǎng)絡(luò)。最后，在兼容以太網(wǎng)絡(luò)方面，車載以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的強勁競爭對手，雖然MOST150網(wǎng)絡(luò)規(guī)范已經(jīng)提出每個設(shè)備節(jié)點會有以太網(wǎng)絡(luò)MAC地址，并提供以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信道來傳輸以太網(wǎng)絡(luò)幀，但是仍有上層軟件兼容等許多問題需要解決。而據(jù)悉，一汽、比亞迪、長城等車廠都在積極地研究MOST網(wǎng)絡(luò)，MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即將迎來在國內(nèi)的大發(fā)展。

2IDB-1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)I

DB-1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是IEEE-1394技術(shù)的汽車版本，其傳輸速率可高達400Mbps，它的高帶寬確保了音視頻娛樂應(yīng)用的高保真?zhèn)鬏敚⑶铱梢愿杆俚膫鬏數(shù)较胍シ诺慕K端。除此之外，其即插即用的特性，也正符合了消費者對于產(chǎn)品的需求，沒有過多繁雜且不必要的操作。IDB-1394為了滿足信號的高速傳輸需求，并且同時考慮到車上的電磁干擾環(huán)境，所以其采用光纖線作為物理傳輸介質(zhì)，但是為了降低成本，其使用銅導(dǎo)線作為物理傳輸介質(zhì)的技術(shù)標準IDB-1394Cu也在實驗當(dāng)中。IDB-1394還提供數(shù)字傳輸內(nèi)容保護DTCP(DigitalTransmissionCon-tentProtection)技術(shù)，其可以有效地保護版權(quán)，防止傳輸內(nèi)容的泄露［31］。目前人們對于IDB-1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)注度越來越高，并且期望其在將來的市場上能夠得到更廣泛的應(yīng)用。雖然它擁有靈活的協(xié)議棧，但是現(xiàn)在只有少數(shù)日系車廠支持IDB-1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且在許多方面它仍需要提高。

3車載以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的30多年里，它憑借低廉的價格、強大的數(shù)據(jù)傳輸能力和良好的可擴展性等優(yōu)點，成為了應(yīng)用最為普遍的局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［32，33］。隨著工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，人們對于以太網(wǎng)絡(luò)逐漸產(chǎn)生了實時性的要求，這樣便產(chǎn)生了實時以太網(wǎng)絡(luò)RTE(RealTimeEthernet)［34］。2011年單對非屏蔽雙絞線通信技術(shù)的問世，并且汽車駕駛員輔助、娛樂和通信等各方面應(yīng)用的涌現(xiàn)，因此以寶馬公司為首，人們?yōu)榱颂岣哕囕d網(wǎng)絡(luò)的帶寬和通用性，以實時以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為前提，以單對非屏蔽雙絞線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了車載以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3．1實時以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

雖然傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)有眾多優(yōu)點，但是它并不能進行實時數(shù)據(jù)的傳輸，不符合車載網(wǎng)絡(luò)的要求。時間觸發(fā)以太網(wǎng)絡(luò)TTEth-ernet(TimeTriggeredEthernet)［35，36］是一種基于時間觸發(fā)的實時以太網(wǎng)絡(luò)，它結(jié)合了決策、容錯和實時性，時間觸發(fā)信息可以在預(yù)定的時間內(nèi)傳輸，該網(wǎng)絡(luò)適用于剎車線控和轉(zhuǎn)向線控等方面。而以太網(wǎng)絡(luò)音視頻橋(EthernetAudio/VideoBridging，EthernetAVB)技術(shù)則是更具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)音視頻實時傳輸技術(shù)，相比于TTEthernt技術(shù)更適合用于車載多媒體系統(tǒng)，因為它可以提供精準時間同步、媒體流量整形、接收控制以及非實時設(shè)備鑒定，在保障實時數(shù)據(jù)流傳輸?shù)耐瑫r，兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。并且它是一項新的IEEE802．1標準，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，為實時音視頻流數(shù)據(jù)傳輸提供高可靠、低延遲和低成本的實現(xiàn)方案，彌補了傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸實時數(shù)據(jù)的缺陷。EthernetAVB協(xié)議棧主要包括5個協(xié)議，分別為精準時間同步協(xié)議PTP(PrecisionTimeProtocol)，流預(yù)留協(xié)議SRP(StreamReservationProtocol)，隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議QFP(QueuingandFor-wardingProtocol)，音視頻橋接傳輸協(xié)議AVBTP(Audio/VideoBridgingTransportProtocol)和實時傳輸協(xié)議RTP(Real-timeTransportProtocol)。EthernetAVB協(xié)議棧PTP:它以IEEEP1588V2為原型，將原來的IP路由協(xié)議應(yīng)用到只有兩層結(jié)構(gòu)的局域以太網(wǎng)絡(luò)中。主要包括兩個方面，一個方面是主時鐘的選擇，另一方面是同步機制，即時間補償和時鐘頻率匹配。PTP通過最佳主時鐘算法來選擇PTP域的一個主時鐘，并以它為根建立一個用于同步的生成樹，每一個時間敏感的設(shè)備節(jié)點都要與主時鐘同步。在本地網(wǎng)絡(luò)中，同時定義一些潛在主時鐘，當(dāng)訪問主時鐘失敗時，自動切換到其中一個潛在主時鐘并建立相應(yīng)的生成樹，以保證網(wǎng)絡(luò)時鐘同步。主時鐘確定后，通過時間戳機制來發(fā)送同步信息［37］，并通過傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳遞時間戳，當(dāng)含有時間戳的消息進出需要時鐘同步的端口時，會與本地時鐘進行對比，利用相應(yīng)的路徑延遲補償算法對本地時鐘進行匹配。匹配后的從節(jié)點再發(fā)送含有時間戳的信息，與下一個從節(jié)點進行時間同步匹配。SRP:為了保證數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)質(zhì)量，降低時延和抖動，SRP根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的帶寬情況，預(yù)先鎖定傳輸路徑，并且預(yù)留一部分帶寬，確保音視頻流設(shè)備間端到端的帶寬可用性。SRP使用信號協(xié)議SP(SignalingProtocol)和功能擴展的IEEE802．1多注冊協(xié)議MRP(MultipleRegistrationProtocol)交換音視頻流的帶寬描述消息，并對帶寬資源進行預(yù)留［38］。

一般情況下，把整個帶寬的75%預(yù)留給時間敏感的音視頻流數(shù)據(jù)，剩下的25%用來傳輸傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。SRP包含注冊和預(yù)留兩部分，流預(yù)留服務(wù)中，把流服務(wù)的提供者定義為Talker，接受者定義為Listener。Talker對音視頻流所需帶寬資源進行協(xié)商預(yù)留，Listener則注冊并接收所需的音視頻流。Talker初始時廣播一個提供聲明，表示自己能夠提供流數(shù)據(jù)并說明其屬性，使接受者知道Talker的存在以及數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好發(fā)送了。消息傳播的過程中，會沿途收集信道的服務(wù)質(zhì)量信息，而收集到的信息分為兩種。當(dāng)信道已經(jīng)準備好了，則反饋一個正的提供聲明注冊消息，表示通信路徑已經(jīng)準備好了，可以發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)反饋一個負的提供聲明注冊消息時，則不可以發(fā)送。Listener也可以發(fā)送請求聲明，廣播想要接收的信息，消息傳播的過程中，沿途運載資源分配結(jié)果信息，該信息也分為正負兩種情況，正的請求聲明表示能夠接收到信息，負的請求聲明表示信道沒有準備好。同樣，Talker和Listener也可以根據(jù)自身情況使用MRP信號機制，撤銷提供或者請求信息來結(jié)束信道鎖定和預(yù)留。SRP內(nèi)部周期性的狀態(tài)機維護著Talker及Listener的注冊信息，能夠動態(tài)地對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)進行監(jiān)測并更新其內(nèi)部注冊信息數(shù)據(jù)庫，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)改變。QFP:它是AVB協(xié)議棧中的伴隨協(xié)議，大部分實現(xiàn)在交換機中，負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚砗娃D(zhuǎn)發(fā)機制，確保傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量不會干擾到實時音視頻流。QFP主要包括三個部分，流量整形、優(yōu)先級劃分和隊列管理。為了避免時間敏感的音視頻流數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)對帶寬的競爭，EthernetAVB交換機擁有若干個輸入輸出隊列，音視頻流數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)分別進入不同的隊列，所有的交換機和網(wǎng)橋都使用優(yōu)先級傳輸選擇算法，并且賦予音視頻流數(shù)據(jù)最高的優(yōu)先級。交換機進行隊列轉(zhuǎn)發(fā)時，音視頻流數(shù)據(jù)總是優(yōu)先于傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。還有一種基于可信因子的整形算法，用來處理不同的音視頻實時數(shù)據(jù)(A類音視頻流和B類音視頻流)的轉(zhuǎn)發(fā)，只有當(dāng)可信因子大于或等于0并且信道中沒有沖突的報文時才可以進行傳輸。當(dāng)該報文進行傳輸時，可信因子會以一個發(fā)送斜率減少，同樣，當(dāng)一個實時報文在隊列中等待時，可信因子會以一個閑置斜率增加，這樣只要信道一空閑它就會被傳輸。另外，AVBTP主要負責(zé)對EthernetAVB實時流數(shù)據(jù)進行打包，同時負責(zé)流的建立、控制以及結(jié)束。而RTP在基于IP的三層應(yīng)用上利用EthernetAVB的性能，通過橋接及路由在局域網(wǎng)內(nèi)提供時間同步、延遲保障和帶寬預(yù)留的服務(wù)，以保障實時音視頻流的傳輸。

3．2單對非屏蔽雙絞線

2005年AVnu聯(lián)盟成立，使得EthernetAVB得到市場效益的推動，這主要集中在車載網(wǎng)絡(luò)和消費電子領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的物理層并不能達到車載網(wǎng)絡(luò)對通信介質(zhì)的要求，因此2011年OPEN聯(lián)盟成立，該聯(lián)盟專門為車載以太網(wǎng)絡(luò)提供物理層介質(zhì)，其倡導(dǎo)采用全雙工的單對非屏蔽雙絞線進行通信。為單對非屏蔽雙絞線和傳統(tǒng)屏蔽線纜，相比之下單對非屏蔽雙絞線做出了兩個方面的改進:一方面是減少了線束，使成本比傳統(tǒng)電纜降低80%，重量輕30%，從而有效提高汽車燃油效率［39］;而另一方面則是頻率從200MHz降低到了50MHz，使其無需屏蔽就具有抗電磁干擾的能力。另外，單對非屏蔽雙絞線還可以實現(xiàn)電力傳輸，在文獻［40］中作者應(yīng)用博通系列芯片驗證了雙絞線實現(xiàn)電力傳輸?shù)那闆r。雖然在理論上單對非屏蔽雙絞線通信技術(shù)滿足了車載網(wǎng)絡(luò)對于布線的苛刻要求，但目前并沒有關(guān)于它應(yīng)用到具體車型的測試或者驗收報告，車載以太網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展仍然需要許多技術(shù)的不斷完善。

4三種車載多媒體網(wǎng)絡(luò)對比

這三種車載多媒體網(wǎng)絡(luò)各有其突出優(yōu)點:MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以傳輸多種數(shù)據(jù)類型，物理層可以使用不同的傳輸介質(zhì)，擁有成熟的技術(shù)規(guī)范和大量的支持廠商;IDB-1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率最高，在芯片內(nèi)部提供數(shù)字傳輸內(nèi)容保護技術(shù)，并且相對其他兩種技術(shù)而言所需芯片更少;車載以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來源于傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，具有更廣泛的應(yīng)用空間，并且其拓撲結(jié)構(gòu)最為靈活。

5結(jié)語

本文對現(xiàn)有的主流車載多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了綜述。首先在發(fā)展歷史、基本特點、研究現(xiàn)狀和未來趨勢等四方面對MOST網(wǎng)路技術(shù)進行了論述。然后簡單介紹了IDB-1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點和現(xiàn)狀，接著從實時以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和單對非屏蔽雙絞線兩方面論述了車載以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。最后對三種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了比較。車載多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在向著更高帶寬、更小延遲和更加靈活的方向發(fā)展，而三種車載多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的競爭還將繼續(xù)下去?？梢灶A(yù)見，車載多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將極大地推動自動駕駛和車載信息系統(tǒng)等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，從而人們可以享受到更加舒適便捷的車載服務(wù)。

作者：秦貴和 單位：吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院