面对日益复杂的汽车电子电气架构和网络系统，人工计算和迭代的设计方法难以应用。在成本压力下，验证设计的合理性越来越重要。今天我们对RTaW与BMW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)解释，分析如何从两个方面进行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
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不再满足需求，车辆范围SOA设计统一可靠，能带来两个核心优势：
- 清晰的SOA层级划分
- 服务提供商和消费者定位明确
图1 从信号到基于服务的转变
与传统的设计模式相比，SOA在开发过程中，需要考虑更多的系统要求，如延迟、带宽、权利识别、冗余和安全、车辆级别的运行配置等。在智能驾驶领域，通过动态配置资源的高性能实时操作平台（由软件定义件高度集成ECU）在大数据和AI在算法的帮助下，将扮演更多的角色。
图2 BMW L3&L44可剪裁的自动驾驶架构
为提高软硬件开发效率，降低成本，提高模块化下的再利用性。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）并将搭建L2模块作为L3备份，这种设计使ECU与相机的软硬件具有较高的复用性。随着自动化水平的不断提高，还可以部署额外的传感器和高端微处理器来满足需求。
从完整的系统测试到持续的集成测试的转变，测试对自动化的需求大大提高。解决这个问题的关键是在设计的早期虚拟平台上进行大量的验证和测试。目前的解决方案是模拟整个系统的不同精度等级，并将真实元件集成到环的软硬件测试用例中，这具有很大的挑战性。
架构已在初始设计阶段确定，但随着研发过程的深入，软件功能将陆续增加，产品销售后需要更新。目前，有两个主要场景：纯软件升级和软硬件同时升级（如ADAS因此，如何设计扩展性好、可持续增值的模块？E/E架构成为整车设计的难点。
目前，系统的设计优化主要基于链路带宽TSN协议的选择和其他方向，如何确保在设计初期选择面向未来E/E结构？下面将从一个例子中解释，基于一个例子TSN的Zonal在架构中，如何评估网络带宽的使用和未来软件更新可以增加的服务数量，设计一个良好的扩展E/E架构。
示例:如下图所示，三个区域控制器(黄色区域)和HPC(图中绿色区域)千兆以太网连接，HPC包括车身、运动、数据分析在内的处理ADAS等内容。以太网拓扑包括17个ECU，如HMI、动力系统，摄像头，AI后台计算等。据统计，命令控制信息占汽车数据流总数的30%，音视频流(包括ADAS）在这个例子中，服务信息是影响链路带宽的关键。
图3 示例拓扑和数据统计
在软件分析中，为了评估后期更新时增加服务的极限RTaW-Pegase评估内容分为过载、网络性能、成本/可扩展性、性能优化和整体架构五个方面。接下来，本文将这五个方面。
图4 评估流程
限制链路100%负载(当一个或多个链路上的负载高于100%时，即使使用TSN不能满足时间限制)，评估结果为:添加90个新服务时过载量为10%，然后过载量急剧增加，说明无论使用哪种服务TSN该架构仅适用于60-80项服务。
图5 过载评估
除链路负载外，流量调度方法的选择也会影响结果。命令不使用任何整形手术或流量调度方法&控制信息只能添加25-30个新服务(75%保证级)，然后用不同的流量调度方法进行分析:CBS[1] 最高优先级设置为Express[2]该方案可在同等保障水平下添加55项新服务，该结果为最高级使用CBS TAS[3]方案结果相似。因此，当硬件允许且不考虑成本时，这两种配置几乎可以实现相同的可扩展性。
[1] CBS（Credit-based Shaping）：IEEE 802.1Q支持协议中规定的基于信用的整形机制AVB根据信用值对功能交换机出口处的数据流进行流量整形，以达到保证时间敏感的音视频流传输的目的。
[2] Express：帧抢占是TSN协议提供延迟保证机制，通过帧优先划分帧（Express MAC和Preamble MAC），缩短高优先级帧的等待时间。
[3] TAS（Time Aware Shaping）：IEEE 802.1Qbv协议规定的时间感知整形手术，通过开关门机制控制数据发送，为汽车时间敏感数据提供超低延迟和抖动保证。
在追求系统可扩展性时，设计师也需要控制成本。影响成本的因素众多（价格、时间、风险、重量等等），在RTaW将自定义函数添加到本案例中计算成本。从结果上看，不使用整形机制（CP）在这种情况下，可以增加20个服务流，在给定价格的基础上具有更好的性价比；随着需求流量的增加，在给定当前价格参考的基础上，更具成本效益的方案由CP向“TAS CBS转移，当流量增加超过40条时，CBS Preemption性价比高。
图6 成本和可扩展性评估
可扩展性分析必须同时考虑网络通信CPU负载。首先，假设每个服务所需的处理时间与数据流成比例，基于相同的数据CPU对比评估算力。更好地模拟软件中的软件TSN方案(最高级队列)Express 两个CBS队列）有/无CPU需求场景。在不考虑CPU在要求的情况下，结果往往过于乐观，如图所示，同时满足通信和CPU在性能要求的情况下，网络的实际可扩展性不考虑CPU要求。
图7 整体架构扩展评估
以上介绍了基于现有网络拓扑的汽车电子电气架构设计，特别是分析了网络的可扩展性，以满足未来的需求。让我们总结一下，通过扩展现有的核心网络拓扑来设计未来的网络架构，需要考虑四个方面：
- 核心拓扑设计
- 限制拓扑需求
- 基于计算机辅助设计RTaW-Pegase测试、评估和优化不同的大量场景
- 网络的安全性和可靠性（RTaW-Pegase同样支持）
系统的复杂性、可扩展性、时间和成本效率是汽车电子电气架构设计优化的关键驱动因素。可以预见，计算机辅助网络分析软件将极大地促进未来的研发过程。
RTaW-Pegase法国国家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模拟和配置工具。RTaW-Pegase（V4.2.7）全面支持CAN（FD）、车载以太网和TSN协议的设计模拟和性能评估。该软件功能强大，使用方便，ZeroConfig车载以太网功能可根据用户输入自动完成TSN协议参数配置优化TSN网络拓扑和调度机制。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。
经纬恒润继续关注车载以太网的国际新趋势，为客户提供涉及车载以太网设计的各种优质先进的车载以太网相关工程咨询服务AVB/TSN量产应用、SOA架构、网络安全设计和测试等领域。RTaW经纬恒润两年前引进中国，是该公司在中国的重要合作伙伴。恒润为国内众多知名汽车企业提供了基础RTaW-Pegase车载以太网产品TSN请访问经纬恒润官网或官请访问经纬恒润官网或官方微信。
[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.