車(chē)聯(lián)網(wǎng)：不僅僅是趨勢

2020-03-13

全球汽車(chē)行業(yè)正處于數十年來(lái)較大的轉型之中，同時(shí)存在兩個(gè)并發(fā)的大趨勢-驅動(dòng)技術(shù)的根本變化和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。實(shí)際上，“ 趨勢 ”一詞在這里不夠用，因為在實(shí)現全自動(dòng)或部分自動(dòng)駕駛的道路上，車(chē)輛聯(lián)網(wǎng)是必不可少的基本步驟。實(shí)際上，即使在不考慮自動(dòng)駕駛的情況下，連接性對于OEM來(lái)說(shuō)也已起著(zhù)決定性的作用，它是新業(yè)務(wù)和服務(wù)模式的關(guān)鍵。

有許多用例，它們強調了在所有領(lǐng)域中不斷推動(dòng)這一概念的重要性。這是因為車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )是各種技術(shù)的總稱(chēng)，這些技術(shù)共同決定了汽車(chē)發(fā)展的新高度。這里一個(gè)特別的方面是，一些概念和創(chuàng )新深入挖掘了數十年歷史的車(chē)輛架構的基因，并對其進(jìn)行了重新思考。

這很重要，因為只有采用與現有結構不同的解決方案才能應對實(shí)現完全聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化車(chē)輛的挑戰。下面將更詳細地考慮三個(gè)主題。首先是內部通信，其特點(diǎn)是汽車(chē)以太網(wǎng)和新的汽車(chē)架構的出現。

第二種是外部通信，其形式為新的移動(dòng)通信標準5G及其對天線(xiàn)技術(shù)的改變。

最后，還有網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題，這是車(chē)輛聯(lián)網(wǎng)趨勢持續成功的關(guān)鍵考慮因素。畢竟，只有內部和外部網(wǎng)絡(luò )都建立在安全的基礎上，安全的自動(dòng)駕駛愿景才能成為現實(shí)。

其基本思想是將車(chē)輛分為幾個(gè)區域。這將使得在區域內合并對連接至關(guān)重要的安全相關(guān)控制單元，以及通過(guò)區域段的信息流路由。一種可行的方法是將車(chē)輛分為兩個(gè)到六個(gè)區域，每個(gè)區域都有單獨的分區處理單元，這些單元通過(guò)環(huán)形拓撲電纜互連。這產(chǎn)生了冗余，從而即使在模塊之一或連接電纜出現故障的情況下，車(chē)輛也可以繼續運行。車(chē)輛每個(gè)單獨區域中的計算機將處理區域內的數據處理，并將相關(guān)數據發(fā)送到主計算機。主計算機連接到云，以進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

與隨時(shí)間發(fā)展的傳統車(chē)輛架構相比，多區域布局的可擴展性和優(yōu)化的結構使其與眾不同。在發(fā)生數據的地方對其進(jìn)行收集，匯總，然后通過(guò)汽車(chē)以太網(wǎng)將其發(fā)送到主計算機。這樣可以大大降低系統復雜性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，將來(lái)可以由區域內的各個(gè)軟件解決方案映射當前由硬件使用控制單元處理的功能。當今的車(chē)輛可以安裝100多個(gè)相互依存復雜的控制單元。使用多區域體系結構可以大大減少該數目。

前面提到的汽車(chē)以太網(wǎng)是增加內部通信帶寬，同時(shí)降低系統復雜性的又一個(gè)里程碑。更大的帶寬是必需的，因為自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須通過(guò)自己的傳感器（不斷生成數據）和執行器來(lái)獨立映射行駛功能，而不依賴(lài)于其他道路使用者或基礎設施的數據。因此，車(chē)輛需要一個(gè)敏捷的神經(jīng)系統，將數據分發(fā)到部署在車(chē)輛中的處理單元。這可以以汽車(chē)以太網(wǎng)的形式獲得。

這項源自IT世界的技術(shù)被認為是面向未來(lái)的，可在車(chē)輛內實(shí)現大帶寬和快速信號處理。當前提供高達10 Gbps的汽車(chē)數據網(wǎng)絡(luò )。拉斯維加斯的CES 2019展示了針對此問(wèn)題的首個(gè)解決方案。

一個(gè)重要的方面是，汽車(chē)以太網(wǎng)必須具有故障安全性和運行可靠性。如前所述，解決方案是使用冗余線(xiàn)束，以補償部分故障并確保整個(gè)系統持續運行。以太網(wǎng)的一項關(guān)鍵任務(wù)是將安全關(guān)鍵數據從車(chē)輛傳感器快速傳輸到處理單元，以便（例如）車(chē)輛能夠在城市交通中獨立運行。

用于增加自動(dòng)車(chē)輛的舒適性和便利性的其他數據來(lái)自外部，通過(guò)天線(xiàn)。它還必須滿(mǎn)足特定要求，以便可以將外部數據快速傳遞到車(chē)輛中的計算機。這將我們帶入第二個(gè)主題或趨勢：外部溝通。

外部交流：車(chē)輛是網(wǎng)絡(luò )世界的一部分

天線(xiàn)在聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛中起著(zhù)決定性的作用。為了與其他車(chē)輛和基礎設施實(shí)現順暢的聯(lián)網(wǎng)，它們必須提供高性能，大范圍的傳輸，同時(shí)還必須將信號快速傳輸到車(chē)輛中的處理單元。

天線(xiàn)技術(shù)的挑戰基本上是，新5G移動(dòng)通信標準的推出將頻帶從現在的7 GHz以下擴展到將來(lái)的52.6 GHz。高頻信號的較高衰減會(huì )導致范圍減小，這又因無(wú)方向性天線(xiàn)的發(fā)送和接收信號能力有限而導致問(wèn)題。

解決方案是使用多個(gè)定向天線(xiàn)，而不是具有全向輻射方向圖的天線(xiàn)。這些天線(xiàn)即使在車(chē)輛行駛時(shí)，也可以在特定方向上連續控制波束，以增加射程。這對于從道路上的其他車(chē)輛接收信號并傳輸車(chē)輛自身的信號是必要的。此外，它們必須相互連接并與車(chē)輛的計算機聯(lián)網(wǎng)。這又需要上述汽車(chē)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行快速數據傳輸。

另一個(gè)挑戰涉及帶寬主題。例如，由于可用帶寬僅為每秒幾兆比特，因此當前以高度處理的形式發(fā)送傳感器數據?，F在這已經(jīng)足夠了，但考慮到自動(dòng)駕駛的未來(lái)用例是不夠的，因為在某些情況下必須接收和發(fā)送未處理的傳感器數據才能映射新的智能功能。

天線(xiàn)必須覆蓋更大的頻率范圍，以提供必要的帶寬。這需要擴展現有標準，并且目前各個(gè)小組正在對此進(jìn)行研究。在5.9 GHz頻帶中，美國，歐洲和中國地區為此分配了不同的帶寬。尤其是在歐洲和中國，隨著(zhù)安全相關(guān)應用的推出，這些功能已得到充分利用，而5G V2X的帶寬不足或沒(méi)有帶寬。

OEM廠(chǎng)商目前正在研究一種壓縮數據的方式，以使5.9 GHz頻帶中的可用帶寬足夠。在歐洲也存在緊張情況，其中60 GHz頻段的頻率范圍保留給V2X。該范圍在技術(shù)上要求很高。存在物理問(wèn)題，因為氧分子的共振頻率在該范圍內。當這些分子開(kāi)始振蕩時(shí)，它們會(huì )從無(wú)線(xiàn)電波中吸收能量，使射程降至幾米，并極大地限制了應用范圍，例如不同車(chē)輛與基礎設施之間的通信。

這是一個(gè)事實(shí)的驚人說(shuō)明，在不斷發(fā)展的道路上和旅途中的網(wǎng)絡(luò )會(huì )受到天線(xiàn)技術(shù)新組件開(kāi)發(fā)中眾多細節的影響，這對于外部通信至關(guān)重要。 

網(wǎng)絡(luò )安全：始終在線(xiàn)，但安全

安全性是整個(gè)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )持續成功的非常重要的因素。網(wǎng)絡(luò )犯罪分子早就將網(wǎng)絡(luò )車(chē)輛以及未來(lái)的自動(dòng)車(chē)輛指定為潛在的攻擊目標?；旧?，攻擊的可能性會(huì )隨著(zhù)與外界的接口數量的增加而增加。這意味著(zhù)OEM和供應商必須快速靈活地應對新的威脅情況。

快速，可靠和輕松地對車(chē)輛進(jìn)行更新的一種方法是空中固件（FOTA），這意味著(zhù)可通過(guò)移動(dòng)通信接口更新軟件。此方法可能潛在地允許通過(guò)修補程序，要集成的新功能以及要更新的密碼算法來(lái)連續快速地糾正弱點(diǎn)。

通過(guò)這種方法，配備有移動(dòng)通信接口的控制單元充當后端與車(chē)輛中要更新的設備之間的中介。它通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口接收所有軟件包，并將它們分發(fā)到目標設備。另外，充當主設備的處理單元監視并協(xié)調整個(gè)更新過(guò)程。

這里的決定性方面是，必須實(shí)施FOTA流程，以使其不成為攻擊的網(wǎng)關(guān)。這樣做的先決條件是，例如通過(guò)使用TLS協(xié)議進(jìn)行加密，對無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行加密保護。為此所需的密鑰和證書(shū)必須使用機密和防操作的方法加載到設備中，并存儲在設備中受保護的內存區域中。

專(zhuān)用硬件安全模塊（HSM）對于實(shí)現安全存儲和實(shí)現加密算法的安全執行非常重要。當設備軟件啟動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)安全的安裝過(guò)程和安全檢查來(lái)防止未經(jīng)授權安裝操縱軟件。通過(guò)這兩種方法，都可以使用數字簽名來(lái)驗證軟件的真實(shí)性。必須在批量生產(chǎn)中禁用開(kāi)發(fā)接口（例如UART，USB或JTAG），或者使用加密方法對其進(jìn)行保護，以防止設備滲透。

最后，應該指出的是，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的大趨勢由許多部分組成，每個(gè)部分都提出了自己的特殊挑戰。作為供應商，我們與制造商協(xié)作幫助應對挑戰，從而開(kāi)啟汽車(chē)歷史的新篇章。

本文內容來(lái)自:EEtimes