引言
现代汽车变得越来越复杂，越来越多的电子控制单元（ECU）和传感器需要高带宽、低延迟的通信。传统的总线架构如CAN和LIN已无法满足这些需求。因此，汽车行业正在探索新的网络架构，以支持自动驾驶和信息娱乐系统等先进功能[1]。
车载网络架构的演变
车载网络架构经历了三个主要世代的演变：
基于gateway的架构：ECU根据总线类型分组，连接到集中式gateway。
基于域的架构：ECU按功能分组，由域控制器管理。
基于区域的架构：ECU根据空间proximity连接到区域gateway。
图1：车载网络架构的演变，展示了gateway、域和区域架构。
基于区域的架构提供了几个优势，包括降低布线成本和改善集中式处理。然而，这需要高带宽、低延迟的骨干网络来支持区域间的通信。
以太网和时间敏感网络（TSN）
以太网因其高数据传输率成为车载网络的有力候选。但是，传统以太网缺乏关键汽车应用所需的服务质量（QoS）能力。为解决这个问题，时间敏感网络（TSN）标准应运而生。
TSN引入了几个关键特性：
时间感知整形器（TAS）：实施时分多址（TDMA）以基于优先级隔离流量。
基于信用的整形器（CBS）：控制音频/视频流的流量速率和突发性。
控制数据流量（CDT）类：保证高优先级控制流量的及时传输。
图2：TSN和AVB以太网调度，显示CDT、AVB和保护带时隙。
TSN以太网提供了改进的QoS，但在恶劣的汽车环境中，特别是关于光学收发器中使用的激光二极管（LD）的寿命，存在成本和可靠性方面的担忧。
SiPhON简介
为应对这些挑战，研究人员提出了名为基于硅的车载光子网络（Si-Photonics-Based In-Vehicle Optical Network，SiPhON）的新型光学车载骨干网络架构。这种架构旨在提供高带宽和低延迟，同时可能降低成本并提高可靠性，相较于光学以太网解决方案。
SiPhON的主要特点：
单个主节点和多个网关节点
环形拓扑中的单向光链路
独立的控制和数据通道
直通交换以最小化延迟
基于时隙的数据传输
图3：SiPhON的光学车载骨干网络架构。
与传统的光学以太网架构不同，SiPhON仅在主节点中使用激光二极管（LD）。网关节点使用光调制和检测（MD）电路将数据注入由主节点生成的时隙中。这种方法可能降低与恶劣汽车环境中LD相关的整体成本和故障概率。
SiPhON中的时隙调度
SiPhON的独特架构需要专门的时隙调度算法来最小化数据包传输延迟。提出了两种方法：
固定和周期性时隙调度
动态时隙调度
动态时隙调度算法提供了几个优势：
减少已知数据包生成间隔的高优先级流的时隙等待时间
通过采样Gateway缓冲区占用率减少突发低优先级流的延迟
根据预约请求和缓冲区占用率调整时隙分配比例
图4：Gateway 1中传入和传出控制数据包和数据时隙的示例。
动态时隙调度算法使用来自网关的反馈信息，包括：
下一个数据包的预期出发时间
Flow ID
缓冲区等待时间
缓冲区占用率
这些信息使主节点能够优化时隙分配并降低整体数据包延迟。
性能评估
为评估SiPhON的性能，进行了模拟实验，将其与TSN以太网架构进行比较。模拟网络包括各种流量类型，如视频流、控制消息和尽力而为的流量。
图5：用于性能评估的模拟车载网络拓扑。
模拟结果表明，采用动态时隙调度的SiPhON可以实现比固定和周期性时隙调度更低的数据包延迟。此外，SiPhON中由于时隙调度造成的数据包延迟相较于TSN以太网中包括流量整形和处理延迟在内的总延迟可以忽略不计。
图6：从CAM 5到Dashcam的视频数据包延迟比较：（a）TSN以太网，（b）固定和周期性时隙调度的SiPhON，（c）动态时隙调度的SiPhON。
图7：从控制单元到Dashcam的控制数据包延迟比较：（a）TSN以太网，（b）固定和周期性时隙调度的SiPhON，（c）动态时隙调度的SiPhON。
图8：从信息娱乐ECU到头部单元的尽力而为数据包延迟比较：（a）TSN以太网，（b）固定和周期性时隙调度的SiPhON，（c）动态时隙调度的SiPhON。
结论
SiPhON代表了车载网络的新方法，与传统光学以太网解决方案相比，在成本和可靠性方面具有潜在优势。动态时隙调度算法展示了实现低数据包延迟的能力，特别是对于高优先级和时间敏感的流量。
SiPhON显示出潜力，但仍有几个领域需要进一步研究：
评估物理SiPhON原型中的处理延迟
为SiPhON开发和评估流量整形算法
分析硬件故障场景和提高弹性的潜在解决方案
参考文献
[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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