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1MOST網絡技術

1．1MOST網絡發展歷史

1MOST網絡技術是一個由MOST合作組織制定的以通信協議為基礎的汽車多媒體信息傳輸網絡技術，其采用光纖線或雙絞線作為物理傳輸介質，實現車內多媒體設備的互聯互通。1996年，梅賽德斯以其D2B系統為基礎，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商共同進行開發。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議的快速標準化工作，并迅速地將實際系統搭載于汽車上。圖1是2000年ITS世界代表大會上，MOST組織展覽廳內奧迪、寶馬、梅塞德斯和大眾的相關車型［5］，而現在已經有140種車型應用了MOST網絡技術。MOST組織已經了三代MOST網絡技術規范，分別為MOST25、MOST50和MOST150，而下一代網絡帶寬能夠達到1～5Gbps的網絡規范也正在研發當中。雖然每一代MOST網絡規范都有些不同，但是其基本特點沒有變化，接下來將對其進行詳述。

1．2MOST網絡基本特點

MOST網絡是一個點到點的光纖/電氣閉環同步網絡，它由一個時間主節點和若干個時間從節點構成，在傳輸數據信號的同時也傳輸時鐘信號［6，7］。該網絡中最多有64個節點，節點之間的最大距離為10米。它相對于傳統的車載信息娛樂系統方案而言具有使用線束更少更輕、網絡抗電磁干擾能力更強、應用的添加和刪除更為方便等優點。圖2是MOST網絡與OSI網絡模型的對比圖，圖中功能塊層完成了網絡中設備節點的應用功能和系統功能。網絡服務應用套接字層與網絡服務基礎層共同組成了網絡服務功能，控制報文的收發與流數據信道的連接和釋放等都由該服務完成。MOST智能網絡接口控制器層主要負責套接字管理、智能器件管理、網絡保護模式設置和硬件應用看門狗定時器設置等。而物理層則由光學物理層和電氣物理層組成，MOST網絡信號可以在光纖線或雙絞線中進行傳輸。在MOST網絡上，幀是數據傳輸的基本單元，每個幀又分為三個數據域，分別用于傳輸控制字節、流數據與異步數據。因為數據幀定時發送，其頻率為44．1KHz或48KHz。所以網絡中傳輸的相鄰數據幀的相同數據域構成了用于傳輸對應信息的連續信道，即控制信道、流數據信道和異步數據信道。

1．3MOST網絡研究現狀

從MOST網絡技術產生至今，國內外許多科研人員對其進行了深入的研究。文獻［8］首先將MOST網絡技術引入到了國內，文中對MOST網絡技術進行了綜述，較詳細地介紹了MOST網絡的功能特點、MOST網絡的基本結構和MOST網絡的設備組成等，并對MOST網絡的發展和應用進行了討論。文獻［9］設計并實現了MOST網絡的主控制器，為MOST網絡技術在國內的發展提供了理論和實踐的基礎。文獻［10］設計了MOST網絡音頻播放節點，為原型節點的開發做了鋪墊，隨后文獻［11］和文獻［12］實現了音頻流媒體數據傳輸和播放功能。文獻［13］實現了基于MOST網絡的DVD節點，而文獻［14］實現了基于MOST網絡的收音機節點。文獻［15－17］對基于MOST網絡的車載語音接口進行了研究，實現了通過語音控制MOST網絡。文獻［18－22］以各自的設計思想實現了MOST網絡與CAN網絡的網關，文獻［23］使用靜態段和控制報文實現了MOST網絡和FlexRay網絡的網關，這些網關使整車的網絡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網絡服務進行了改進，使MOST網絡服務可以被事件驅動，并使用層次狀態機，MOST網絡程序的開發變得更加的容易。文獻［25］提出了基于FSM模型的車載MOST網絡管理系統，該系統可以增強車載MOST網絡的靈活性、健壯性和容錯性，滿足車載信息娛樂系統對即插即用工作方式的需求。而文獻［26］則提出了MOST網絡連接管理策略，該策略可以有效地提高MOST網絡帶寬利用率。文獻［27－30］在電源管理和能量優化方面對MOST網絡進行了深入的研究，使MOST網絡可以集中喚醒進入睡眠狀態的節點，并且降低了系統的總功耗。

1．4MOST網絡未來趨勢

MOST網絡技術歷經15年的發展已經取得了一定的成果，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網絡會在拓撲結構方面增加星型、菊花鏈型和樹形等拓撲結構，改善環型網絡拓撲結構如果斷開則整個網絡不可用的缺點。然后，在降低成本方面，MOST150網絡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，這樣可以拓寬其市場，使更多的車型可以搭載MOST網絡。最后，在兼容以太網絡方面，車載以太網絡技術是MOST網絡技術的強勁競爭對手，雖然MOST150網絡規范已經提出每個設備節點會有以太網絡MAC地址，并提供以太網絡數據信道來傳輸以太網絡幀，但是仍有上層軟件兼容等許多問題需要解決。而據悉，一汽、比亞迪、長城等車廠都在積極地研究MOST網絡，MOST網絡技術即將迎來在國內的大發展。

2IDB-1394網絡技術I

DB-1394網絡技術是IEEE-1394技術的汽車版本，其傳輸速率可高達400Mbps，它的高帶寬確保了音視頻娛樂應用的高保真傳輸，并且可以更迅速的傳輸到想要播放的終端。除此之外，其即插即用的特性，也正符合了消費者對于產品的需求，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境，所以其采用光纖線作為物理傳輸介質，但是為了降低成本，其使用銅導線作為物理傳輸介質的技術標準IDB-1394Cu也在實驗當中。IDB-1394還提供數字傳輸內容保護DTCP(DigitalTransmissionCon-tentProtection)技術，其可以有效地保護版權，防止傳輸內容的泄露［31］。目前人們對于IDB-1394網絡技術的關注度越來越高，并且期望其在將來的市場上能夠得到更廣泛的應用。雖然它擁有靈活的協議棧，但是現在只有少數日系車廠支持IDB-1394網絡技術，并且在許多方面它仍需要提高。

3車載以太網絡技術

在以太網絡發展的30多年里，它憑借低廉的價格、強大的數據傳輸能力和良好的可擴展性等優點，成為了應用最為普遍的局域網絡技術［32，33］。隨著工業以太網絡技術的發展和應用，人們對于以太網絡逐漸產生了實時性的要求，這樣便產生了實時以太網絡RTE(RealTimeEthernet)［34］。2011年單對非屏蔽雙絞線通信技術的問世，并且汽車駕駛員輔助、娛樂和通信等各方面應用的涌現，因此以寶馬公司為首，人們為了提高車載網絡的帶寬和通用性，以實時以太網絡協議為前提，以單對非屏蔽雙絞線通信技術為基礎，提出了車載以太網絡技術。

3．1實時以太網絡協議

雖然傳統以太網絡有眾多優點，但是它并不能進行實時數據的傳輸，不符合車載網絡的要求。時間觸發以太網絡TTEth-ernet(TimeTriggeredEthernet)［35，36］是一種基于時間觸發的實時以太網絡，它結合了決策、容錯和實時性，時間觸發信息可以在預定的時間內傳輸，該網絡適用于剎車線控和轉向線控等方面。而以太網絡音視頻橋(EthernetAudio/VideoBridging，EthernetAVB)技術則是更具發展潛力的網絡音視頻實時傳輸技術，相比于TTEthernt技術更適合用于車載多媒體系統，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備鑒定，在保障實時數據流傳輸的同時，兼容傳統以太網數據的傳輸。并且它是一項新的IEEE802．1標準，在傳統以太網絡的基礎上，為實時音視頻流數據傳輸提供高可靠、低延遲和低成本的實現方案，彌補了傳統以太網絡傳輸實時數據的缺陷。EthernetAVB協議棧主要包括5個協議，分別為精準時間同步協議PTP(PrecisionTimeProtocol)，流預留協議SRP(StreamReservationProtocol)，隊列及轉發協議QFP(QueuingandFor-wardingProtocol)，音視頻橋接傳輸協議AVBTP(Audio/VideoBridgingTransportProtocol)和實時傳輸協議RTP(Real-timeTransportProtocol)。EthernetAVB協議棧PTP:它以IEEEP1588V2為原型，將原來的IP路由協議應用到只有兩層結構的局域以太網絡中。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備節點都要與主時鐘同步。在本地網絡中，同時定義一些潛在主時鐘，當訪問主時鐘失敗時，自動切換到其中一個潛在主時鐘并建立相應的生成樹，以保證網絡時鐘同步。主時鐘確定后，通過時間戳機制來發送同步信息［37］，并通過傳統以太網絡數據包傳遞時間戳，當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，利用相應的路徑延遲補償算法對本地時鐘進行匹配。匹配后的從節點再發送含有時間戳的信息，與下一個從節點進行時間同步匹配。SRP:為了保證數據傳輸和轉發的服務質量，降低時延和抖動，SRP根據網絡拓撲的帶寬情況，預先鎖定傳輸路徑，并且預留一部分帶寬，確保音視頻流設備間端到端的帶寬可用性。SRP使用信號協議SP(SignalingProtocol)和功能擴展的IEEE802．1多注冊協議MRP(MultipleRegistrationProtocol)交換音視頻流的帶寬描述消息，并對帶寬資源進行預留［38］。

一般情況下，把整個帶寬的75%預留給時間敏感的音視頻流數據，剩下的25%用來傳輸傳統的以太網絡數據。SRP包含注冊和預留兩部分，流預留服務中，把流服務的提供者定義為Talker，接受者定義為Listener。Talker對音視頻流所需帶寬資源進行協商預留，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據并說明其屬性，使接受者知道Talker的存在以及數據已經準備好發送了。消息傳播的過程中，會沿途收集信道的服務質量信息，而收集到的信息分為兩種。當信道已經準備好了，則反饋一個正的提供聲明注冊消息，表示通信路徑已經準備好了，可以發送數據;當反饋一個負的提供聲明注冊消息時，則不可以發送。Listener也可以發送請求聲明，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也可以根據自身情況使用MRP信號機制，撤銷提供或者請求信息來結束信道鎖定和預留。SRP內部周期性的狀態機維護著Talker及Listener的注冊信息，能夠動態地對網絡節點狀態進行監測并更新其內部注冊信息數據庫，以適應網絡拓撲的動態改變。QFP:它是AVB協議棧中的伴隨協議，大部分實現在交換機中，負責數據傳輸的處理和轉發機制，確保傳統的以太網絡數據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、優先級劃分和隊列管理。為了避免時間敏感的音視頻流數據和普通數據對帶寬的競爭，EthernetAVB交換機擁有若干個輸入輸出隊列，音視頻流數據和普通數據分別進入不同的隊列，所有的交換機和網橋都使用優先級傳輸選擇算法，并且賦予音視頻流數據最高的優先級。交換機進行隊列轉發時，音視頻流數據總是優先于傳統以太網數據進行轉發。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據(A類音視頻流和B類音視頻流)的轉發，只有當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。當該報文進行傳輸時，可信因子會以一個發送斜率減少，同樣，當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主要負責對EthernetAVB實時流數據進行打包，同時負責流的建立、控制以及結束。而RTP在基于IP的三層應用上利用EthernetAVB的性能，通過橋接及路由在局域網內提供時間同步、延遲保障和帶寬預留的服務，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聯盟成立，使得EthernetAVB得到市場效益的推動，這主要集中在車載網絡和消費電子領域。但是傳統以太網絡的物理層并不能達到車載網絡對通信介質的要求，因此2011年OPEN聯盟成立，該聯盟專門為車載以太網絡提供物理層介質，其倡導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電力傳輸，在文獻［40］中作者應用博通系列芯片驗證了雙絞線實現電力傳輸的情況。雖然在理論上單對非屏蔽雙絞線通信技術滿足了車載網絡對于布線的苛刻要求，但目前并沒有關于它應用到具體車型的測試或者驗收報告，車載以太網絡的進一步發展仍然需要許多技術的不斷完善。

4三種車載多媒體網絡對比

這三種車載多媒體網絡各有其突出優點:MOST網絡技術可以傳輸多種數據類型，物理層可以使用不同的傳輸介質，擁有成熟的技術規范和大量的支持廠商;IDB-1394網絡技術數據傳輸速率最高，在芯片內部提供數字傳輸內容保護技術，并且相對其他兩種技術而言所需芯片更少;車載以太網絡技術來源于傳統以太網絡，具有更廣泛的應用空間，并且其拓撲結構最為靈活。

5結語

本文對現有的主流車載多媒體網絡技術進行了綜述。首先在發展歷史、基本特點、研究現狀和未來趨勢等四方面對MOST網路技術進行了論述。然后簡單介紹了IDB-1394網絡技術的特點和現狀，接著從實時以太網絡協議和單對非屏蔽雙絞線兩方面論述了車載以太網絡技術發展的前提和基礎。最后對三種網絡技術進行了比較。車載多媒體網絡技術正在向著更高帶寬、更小延遲和更加靈活的方向發展，而三種車載多媒體網絡技術的競爭還將繼續下去。可以預見，車載多媒體網絡技術的發展將極大地推動自動駕駛和車載信息系統等領域技術的發展，從而人們可以享受到更加舒適便捷的車載服務。

作者：秦貴和 單位：吉林大學計算機科學與技術學院