“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目
华为网络技术系列
自动驾驶电动汽车的计算与通信架构
车载网络通信架构
邓抄军 杨宇蒙 裴
陈启昌 庞 超 栗 明 方李明
孙宝亮 李佳芯 吕京飞
著
人 民 邮 电 出 版 社
北 京
图书在版编目（CIP）数据
自动驾驶电动汽车的计算与通信架构：车载网络通信架构/邓抄军等著.--北京：人民邮电出版社，2022.2
ISBN 978-7-115-57835-8
Ⅰ. ①自…Ⅱ. ①邓… Ⅲ. ①电动汽车-自动驾驶系统-研究 Ⅳ.①U469.720.3
中国版本图书馆CIP数据核字（2021）第254013号
著 邓抄军 杨宇蒙 裴 陈启昌 庞 超
栗 明 方李明 孙宝亮 李佳芯 吕京飞
责任编辑 邓昱洲
责任印制 李 东 焦志炜
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 https://www.ptpress.com.cn
涿州市京南印刷厂印刷
开本：720x1000 1/16
印张：17.75 2022年2月第1版
字数：280千字 2022年2月河北第1次印刷
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在汽车“新四化”的背景下，汽车的电子与电气架构（EEA）面临巨大的挑战。为应对这些挑战，华为公司面向自动驾驶电动汽车，提出了计算与通信架构（CCA）。本书介绍了CCA中的车载网络通信架构，从架构与拓扑、关键部件、通信协议、网络安全、功能安全、物理层传输和传输介质等方面，系统地展示了车载网络通信架构的核心理念，旨在向读者全面展示汽车EEA面临的问题，并提供卓有成效的解决方案，向业界传递先进的车载网络通信架构方法论。
本书可以帮助读者了解车载网络通信架构，适合汽车电子行业的从业人员、工程师、研究人员，以及高校相关专业的学生阅读和学习。
任何系统，在自然情况下，都是从有序向无序发展的。按照热力学第二定律，自然界的一切自发过程都有方向性，一个孤立系统会由有序变为无序，即它的熵会不断增加，最终寂灭。但生物可以通过和外界交互，主动进行新陈代谢，制造“负熵”来保证自身有序，从而继续生存。架构的本质就是对系统进行有序化重构，不断减少系统的“熵”，使系统不断进化。
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师学会）将架构定义为“系统在其环境中的最高层概念”，它是一个系统最高层级的抽象。“架构”一词最初来自建筑领域，后延伸到其他领域，如组织架构、软件架构、信息物理系统架构，这些都可以统称为系统架构，只是代表了不同类型的系统。
随着汽车“新四化”——电动化、智能化、网联化、共享化的发展，汽车电子化程度大幅提高，甚至不断向车外延伸，给汽车EEA（Electrical and Electronic Architecture，电子与电气架构）的发展带来了前所未有的挑战。汽车正逐渐从传统的代步工具演变为集人、车、环境于一体的移动终端、储能单元和数字空间，为用户提供持续快速的功能升级和定制化服务，这也将逐渐成为汽车品牌间差异的重要体现。因此，面向自动驾驶和网联化应用的下一代汽车，对由计算处理、数据存储、通信交互等组成的系统的架构性能提出了更高的要求。传统分布式EEA采用单一功能控制器的设计思路，来自不同供应商的ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）的算力不能协同，从而产生冗余，软硬件高度耦合，难以统一进行维护和实现OTA（Over The Air，空中激活）。同时，ECU数量的爆发式增长使通信复杂度大幅提升，也导致线束成本和整车质量增加。因此，这种架构逐渐难以适应汽车“新四化”的需求。
未来，汽车EEA的变革性发展势在必行。当前，各大主流汽车企业聚焦于车载计算能力和网络通信能力的创新与变革，给出了自研的架构解决方案。作为通信领域的领军企业，华为公司利用自身优势，结合多年来与汽车行业合作的经验，提出了面向自动驾驶电动汽车的CCA（Compute and Communication Architecture，计算与通信架构）方案，目标是满足未来自动驾驶汽车对高算力、大带宽、低时延、高可靠的要求。华为CCA能够实现软件可升级、硬件可更换、传感器可拓展，提升了平台的可扩展性和通用性，降低了系统的复杂度，也将减少线束成本和整车质量。
通过阅读本书，读者可以深入了解华为在全新汽车EEA的变革中的思考与实践。我们相信，先进的、契合行业发展趋势的EEA解决方案将不断推动汽车EEA的演进，推动汽车行业的变革，引领汽车进入数字智能新时代。
中国工程院院士 孙逢春
纵观人类文明的发展历程，每一次发展范式的改变，总是与3项根本性的技术变革有关，它们分别是通信技术、能源技术和交通运输技术——美国经济学家杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）经过多年研究得出了这样的论断。如今，这3项技术的变革正汇聚在汽车这一平台上，并将再一次从根本上改变社会的管理、能源的利用和移动的方式。具体来讲，汽车技术无疑是交通运输系统的核心技术之一，而通信技术，或更准确地说——ICT（Information and Communication Technology，信息通信技术）的最新变革，以及清洁能源引发的能源系统变革，正影响着汽车技术的变革，同时推动着电动化、智能化、网联化、共享化成为汽车行业新的发展趋势。
新技术和新趋势给拥有一百余年历史的汽车行业注入了新的发展动力，也带来了新的挑战，而这些挑战聚焦于汽车EEA。面对汽车“新四化”的需求，汽车EEA正面临着前所未有的压力和挑战。顾名思义，汽车EEA是面向相对独立的电子与电气功能或设备的组织和互联的架构，能够适应汽车电子与电气设备数量有限、功能变化缓慢等特点。历经数十年的快速发展之后，车载电子系统已经变得非常复杂：有网络和数量众多的电子控制单元、线缆、连接器，能源消耗越来越大，整车质量越来越大。
为了持续帮助客户创造新价值、适应新趋势，推动行业发展，华为公司将推动汽车电子与电气系统的架构性变革作为重要的发展方向。作为全球领先的ICT基础设施和智能终端供应商，在与汽车行业众多合作伙伴反复交流的基础上，华为公司提出以自动驾驶电动汽车的CCA为新的基础性架构，以满足汽车行业越来越多和越来越快地吸收与使用信息通信技术的需求。亦如其名，CCA致力于把汽车打造为一个计算与通信平台，通过软件定义实现各种功能和服务，适应汽车功能的多样化、个性化、服务化，提供软件在线升级等服务，大幅提升用户体验，从而更好地支撑汽车行业向全电动化和自动驾驶方向发展。与此同时，通过全以太网（All Ethernet）和区域网关简化网络架构，大大减少了线缆的数量，缩短了线缆的长度，减轻了线缆的质量，并实现了新硬件的快速接入。
本书详细介绍了华为公司提出的面向自动驾驶电动汽车的CCA，并将深入介绍其中的网络通信架构，期待以此与汽车行业伙伴一起，持续探讨架构演进的方向，共同推动架构的演进。
华为公司副董事长、轮值董事长 徐直军
自20世纪末以来，信息产业取得了突飞猛进的发展，并与各传统领域进行融合，给中国经济的高质量发展注入了一股强劲的动力。鉴于此，为了改变我国传统汽车产业的现状，2016年，国家发展改革委联合交通运输部印发了《推进“互联网+”便捷交通 促进智能交通发展的实施方案》。该方案的推出旨在加强传统汽车产业与信息产业融合，构筑我国下一代智能汽车、智能交通的综合实力和世界竞争力，实现汽车产业的弯道超车。在提高汽车智能化水平以及传统汽车产业与信息产业融合的过程中，还存在许多关键的技术问题需要突破，这其中包括各类传感器的制造，车内高速通信架构、技术和协议的开发，车载计算能力的提升，以及自动驾驶算法的开发，等等。
作为信息产业领域的龙头企业，华为公司积极响应国家号召，成立了智能汽车解决方案部门，融入与传统汽车行业融合的汽车智能化的发展浪潮之中。鉴于当前汽车行业还缺乏优秀的实践，华为公司联合国内外多家大型汽车制造企业，结合当前汽车EEA的“痛点”，以及华为公司在信息产业方面的经验，推出了全新的基于网络通信架构的车载CCA（Compute and Communication Architecture，计算与通信架构）。
一直以来，传统汽车的电子与电气功能的扩展受制于汽车制造的历史遗留问题和传统产业链的封闭性，汽车的各种新增功能一般都采用叠加的方式。每增加一种功能，在汽车上就可能需要增加一套传感器、一个控制器和多根线缆，最终导致传统汽车传感器、控制器和线缆的总量达到惊人的程度。在这种情况下，在传统汽车EEA的基础上再增加自动驾驶功能几无可能。汽车的智能化发展使得传统汽车EEA的变革势在必行。传统汽车EEA在适应汽车智能化发展时，需要面对四大挑战。第一，传统汽车EEA大量使用CAN/LIN总线[1]，这样的总线速率低，仅支持每秒几兆比特的数据传输速率，远远不能满足智能汽车的高速传感器（如激光雷达、摄像头等）要求的每秒吉比特级的数据传输速率，因此新型的高速数据传输技术将取代CAN/LIN总线在汽车内互联的主导地位。第二，虽然传统汽车EEA采用总线形式，但其总线的组网通信能力较弱，这种连接方式使得连接线缆的数量随着传感器数量的增加而增加，大量的线缆增加了设计、生产和维修等全流程的难度，同时也增加了整车质量和汽车成本。采用基于网络的区域架构可以较好地解决此问题，对分布在汽车内不同位置的各类传感器的数据进行分区域汇聚，然后通过主干高速数据线来完成所有数据的传输和共享，能有效地规避线缆直连带来的一些缺陷。一方面，分区域汇聚有效缩短了连接传感器线缆的长度，另一方面主干高速数据线能有效替代大量贯穿整车的低速线缆，从而在整体上降低整车的线缆使用量，并且高效地实现各传感器的数据在各功能模块间的共享。第三，传统汽车EEA标准化程度较低，各汽车企业都构建了各自的供应链体系，很难获取大规模的产业链带来的价值，使部分零部件成本居高不下。可以预见，在汽车智能化演进的过程中，产业链的分工将越来越复杂，产业链条将越来越长。如果不能形成一个大多数汽车企业都认可并遵循的新架构标准，汽车的智能化将会进展缓慢。第四，传统汽车EEA功能的扩展和演进受到制约，显然很难跟上当前产品更新迭代的节奏。因此，一个全新的可扩展、可演进的架构将会是智能汽车架构的最佳选择。
在与国内外多家大型汽车企业联合研发的过程中，华为公司智能汽车研究团队提出的CCA获得了较多肯定。CCA包括车载网络通信架构和车载计算架构两个部分，其中，车载网络通信架构是一种区域化的网络架构，各种传感器和计算功能都是网络的节点，各种传感器的原始数据以及计算的中间结果都可以在网络中自由地传输和共享。高达25 Gbit/s的主干通信能力，使得车载网络可以高速、低时延地传输各种数据。结合华为公司的车载操作系统，CCA还具备良好的可扩展性和演进性，增加新传感器仅相当于在网络中增加了一个数据节点，而增加新功能仅需更新软件。
华为公司深知良好的产业环境和形成共识对于一个产业健康发展的重要性，特别编写本书就是抛砖引玉，希望与业界分享华为公司对未来智能汽车EEA演进的理解和想法。本书介绍的车载网络通信架构是一种低成本、可平滑扩展的全新架构，不仅华为公司对这种架构进行了反复论证，而且与华为公司合作的汽车企业也投入力量进行了开发和试验。我们希望通过本书，帮助读者认识到汽车的智能化发展必须革新传统汽车EEA，并就如何革新传统汽车EEA提出建议，同时展示需要改进的各种相关技术。
本书分为8章，首先分析传统汽车EEA的局限性及其变革的必要性，然后介绍车载网络通信架构与拓扑，支持该架构的关键部件和协议，车载网络通信架构的网络安全、功能安全、物理层传输和传输介质等，主要内容如下。
第1章 汽车电子与电气系统的发展趋势——从EEA到CCA
这一章详细介绍传统汽车EEA的优缺点和面临的问题，提出华为公司推荐的面向智能化发展的整车架构CCA。CCA包括车载网络通信架构和车载计算架构，本书重点介绍CCA的车载网络通信架构。采用车载网络通信架构，将车载骨干网络统一为以太网，可以简化通信标准，提升传输速率，减少线缆数量，大幅降低汽车制造成本。
第2章 车载网络通信架构与拓扑
这一章详细介绍CCA的重点技术，包括车载网络通信架构的架构图、拓扑变化，以及发生故障情况下的拓扑倒换变化。
第3章 车载网络通信架构的关键部件
这一章重点讲述支撑车载网络通信架构的关键部件，包括车载网关硬件框图、操作系统、中间件和支撑的应用软件等内容。
第4章 车载网络通信协议
这一章通过具体的应用案例详细介绍车载网络通信架构所需的二、三、四层通信协议，以及这些通信协议之间的关系。
第5章 车载网络通信架构的网络安全
这一章主要介绍车载网络通信架构对网络安全的要求。在车载网络通信架构中，进行了3个层级的架构设计，包括部件和接口的安全、按照安全威胁等级划分的分域安全、车与外界的通信安全，确保汽车系统难以被非法入侵。
第6章 车载网络通信架构的功能安全
这一章介绍车载网络通信架构的功能安全，重点介绍与汽车可靠性设计相关的安全，包括功能安全国际体系和设计要求等内容。
第7章 车载以太网物理层传输
物理层的收发器是整个通信系统的基石，这一章介绍车载网络通信架构的物理层传输技术，阐述超大带宽的数字信号是如何通过以太网发送、传输和接收的。
第8章 车载以太网传输介质
这一章介绍车载以太网的传输介质和相关要求，包括车载以太网电缆和连接器、与其相关的电磁兼容问题，以及未来可能采用的车载光缆。车载通信的带宽还在不断提高，这些技术的国际标准和国内标准还在不断制定中。
车载CCA概念的雏形最早由华为公司的王浩提出，特此表示感谢！另外，我们也对参与本书内容审阅的专家表示感谢。
本书编写人员虽有多年从业经验，但书中存在错漏之处在所难免，诚恳地期待广大读者和专家学者指正。若对本书有任何意见和建议，请发送邮件至shantal.shen@huawei.com，全体编写人员在此表示衷心的感谢。
【注释】
[1] CAN即Controller Area Network，控制器局域网；LIN即Local Interconnect Network，本地互联网。
汽车行业正在发生着百年不遇的变革——从单纯的交通工具向“可移动的网络节点、注重乘员全方位体验”转变。这样的转变，使汽车的“带电”部件急剧增加；这样的趋势，使传统汽车EEA发生了极大变化。这些变化将对所有汽车企业的基础平台产生很大的冲击，直接关系到这些汽车企业未来的发展。什么是汽车的EEA，未来这些架构的转变将面临什么样的挑战？本章将简要地介绍这些背景以及我们希望解决的问题。
在汽车行业百余年的历史中，汽车制造商不断满足着消费者对汽车的安全性、舒适性、便捷性和环保的需求。当我们把视线聚焦到汽车本身时可以发现，它从最初几乎没有什么电子与电气部件，到20世纪70年代开始出现大量的车载电子与电气部件，如音响设备、影像设备、通信设备、辅助驾驶功能设备等，以满足人们对驾驶安全性和舒适性的各种需求。对汽车制造商的产品开发人员来说，电子与电气部件的增加，也使这些部件之间的连接和通信的复杂度快速增长。20世纪80年代，德国汽车零部件供应商博世历时3年开发出CAN总线，这种简单、高效的车载通信系统大大简化了整车电子与电气系统的拓扑结构。CAN总线是一种运行在双绞线上的差分电平总线系统，有着可靠性高、结构简单、成本低等突出优点，一经推出，就基本解决了各种功能简单、数据传输速率较低的部件之间的通信和接入问题。CAN总线从20世纪90年代初开始应用在量产车型上，在不到十年时间里，迅速被各大汽车企业接纳，由此奠定了其在汽车通信网络中长达二三十年的主导地位。
然而，CAN总线也存在不足，该总线带宽较小，这决定了采用CAN总线作为骨干网的汽车要实现整车功能，只能依赖于功能单一的分布式ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）。汽车需要增加新的功能时，通常需要增加新的ECU，而各个ECU之间只能通过有限的通信来实现一些对时延要求不高的简单功能的组合。
20世纪90年代之后，车载电子产品的蓬勃发展进一步推动了新的车载通信技术的出现，图1.1展示了技术的发展。这些技术包括车载影音娱乐和车载导航需要的MOST（Media Oriented System Transport，面向媒体的系统传输）技术、传输视频数据所需要的LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号）技术、GMSL（Gigabit Multimedia Serial Link，吉比特多媒体串行链路）、广泛应用于制动和转向等底盘控制的事件触发FlexRay技术，以及应用于车门、车窗等简单控制器的LIN总线技术等。直至今日，这些车载通信技术仍在被广泛地使用着，汽车通信网络呈现出一种多总线共存的局面。在这一时期，汽车内部的通信和控制基本上采用堆叠模式，多种总线并存，而不是有机结合发展，这导致汽车电子与电气方面的复杂度不断增加，汽车的生产维护成本也不断增加。
图1.1 车载通信技术的发展
2007年，美国汽车零部件供应商德尔福公司首次提出了整车EEA的概念，开始从整车的角度系统地看待车载电子与电气部件的通信网络问题。整车EEA的提出，标志着汽车行业对整车电子与电气部件及其整体架构的设计开发进入一个全新的阶段。各大汽车制造商在车型平台化的开发理念下，基于各自产品定位和配置、供应链体系和供应能力，以及技术路线，逐步形成了适合自己的整车EEA开发策略和规范，以保证其生产的车型的通用性，从而在提高开发效率的同时，降低了开发投入。
2015年至今，汽车领域逐渐出现“新四化”的概念：电动化、智能化、网联化、共享化。汽车“新四化”已经逐渐成为汽车企业发展的共识，尤其是智能化使汽车在从生产下线到报废的整个生命周期内，不再是独立的、一成不变的个体，而是成为软件可升级、硬件也可更换和升级的“移动的电子产品”。为满足汽车智能化的需要，使整车在全生命周期内可升级软硬件、推出新功能，车载通信的大带宽和车载控制器的高算力的重要性变得日益显著，而这些正在发生的革命性的变化给基于CAN总线的传统EEA带来了巨大的挑战。在汽车“新四化”提出之前就存在的车载通信技术（CAN总线等）已经应用于整车网络近30年的时间，这些技术支持的带宽面对汽车的发展已经捉襟见肘。权宜之下，业界开发出了CAN FD（CAN with Flexible Data-rate，灵活速率CAN）总线技术，将带宽提高到2 Mbit/s，以支持采用CAN总线为骨干网的传统汽车EEA的平滑演进。但这种带宽的提升无疑是杯水车薪，CAN FD总线技术只能是一个临时方案。时至今日，汽车行业迫切需要一种具备更大带宽、支持可持续演进、成本可控的新一代车载网络通信技术，以及基于该技术的全新整车EEA。
随着汽车行业的不断发展，在当今智能化的时代，传统汽车EEA既面临技术上的挑战，也面临商业上的挑战。
汽车“新四化”，特别是智能化和网联化的发展，孕育了V2X（Vehicle to Everything，车联万物）等新业态，车内也出现了高清的显示系统、内外传感器（以摄像头为代表）等相关的应用和设备。这一系列变化对汽车的通信网络提出了更大带宽的需求。未来车内各种电子与电气部件对传输速率的需求（如图1.2所示）不同，特别是与影像相关的设备会产生较大的数据流量，这些设备之间的互联需要通过以车载网关为核心的车载网络来实现。
注：粗箭头表示在可预见的未来有超过1000 Mbit/s的带宽需求，细箭头表示暂未有超过1000 Mbit/s的带宽需求的趋势。
图1.2 对智能汽车带宽需求的预测
自动驾驶是汽车智能化“皇冠上的明珠”，其对整车网络的要求不仅仅是大带宽。围绕着自动驾驶这一目标，整车各系统需要和车外设施相互配合，这给整车EEA带来颠覆性的影响。为了更全面地阐释自动驾驶给汽车带来的影响，首先简单介绍一下自动驾驶的现状和发展趋势。
自动驾驶的终极目标是完全不需要人类驾驶员的驾驶方式，是汽车行业甚至是人工智能等科技行业的梦想。当下，无论是在技术方面，还是在汽车产业链、基础配套设施、法律法规方面，自动驾驶都面临诸多难题。仅从技术角度看，基于当前行业初步达成的一些基本共识，如今自动驾驶对通信网络、计算、存储都有着难以满足的极高要求——大带宽（网络支持10 Gbit/s以上的高峰值传输速率）、低时延（端到端时延小于10 ms）、高同步（传感融合达微秒级，规划控制达毫秒级）、高可靠性、高安全性等；要求计算能力支持海量数据的处理（生成数据的速度超过1 Gbit/s），算力大于300 TOPS（Tera Operations Per Second，每秒万亿次操作）；若使用传统的导航地图，覆盖全中国需要约15 GB的存储空间，而使用自动驾驶所需的高精度地图，其数据量按道路长度换算可达10 Mbit/km（全国高速公路数据量约占3.5 TB，主要公路数据量约占50 TB），数据采集系统的存储性能支持数量可观的自动驾驶的感知传感器，包含激光雷光、高清摄像头、毫米波雷达等，产生的数据高达每小时数太比特。
因此，自动驾驶的实现不是一蹴而就的，逐级实现是必经之路。2021年8月发布的GB/T 40429—2021《汽车驾驶自动化分级》的总体划分思路基本沿用了SAE International（Society of Automotive Engineers International，国际自动机工程师学会，曾用名为美国汽车工程师学会）和NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration，美国国家高速公路安全管理局）的划分思路，即主要以汽车横向和纵向运动控制、对汽车周边目标和事件的探测与响应、动态驾驶任务接管的责任主体，以及系统的设计运行条件的限制来划分驾驶自动化分级（如表1.1所示）。
表1.1 汽车驾驶自动化分级与划分要素的关系①
注：① 资料来源为GB/T 40429—2021《汽车驾驶自动化分级》。
② 排除商业和法规因素等限制。
在自动驾驶分级制度的指导下，国内外主流汽车企业陆续推出搭载自动驾驶系统的整车量产的商用路标。总体上看，大多数汽车企业已于2020—2021年落地介于2级和3级之间的自动驾驶，而3级及以上的自动驾驶则将于2021—2025年落地。由于3级（有条件自动驾驶）在具体工程实现上对“条件”的界定不明确，各汽车企业在3级量产车的市场宣传和真正技术实现上往往存在时间差。而4级自动驾驶虽然可以在限定区域内实现对驾驶员的彻底解放，但限定区域也存在海量场景，在4级自动驾驶的落地上不可避免地存在长尾效应。综上所述，行业普遍认为迈向5级自动驾驶的征程将会是一个持续10年、分场景逐步成熟的过程。
从技术实现的角度看，面向有价值的使用场景，从简单到复杂、从高频到低频、从消除痛点到优化体验，以终为始，以统一的可扩展的架构和软硬件能力为基础，一步一个脚印地稳步向同一个方向“进攻”，分场景逐步“攻克”，这样的发展路径正逐渐被汽车行业的头部厂商认可，将成为一条最可行的实现路径。
沿着这个思路，我们再来了解一下当下在2级自动驾驶汽车上普遍采用的计算分布式架构，该架构支持LKA（Lane Keep Assistance，车道保持辅助）、ACC（Adaptive Cruise Control，自适应巡航控制）、AEB（Automatic Emergency Brake，自动紧急制动）等具体的功能。计算分布式架构的开发形成独立的子功能模块，并通过子功能模块间的交互来提供特定场景下的自动驾驶体验。计算分布式架构在实现2级自动驾驶场景下的一些特定功能上，有成本收益可预期、功能独立、易于开发等优势，但如果按照此路线向5级自动驾驶演进，就需要不停增加功能单一的模块形成组合功能，以应对越来越多的自动驾驶场景。从逻辑上看，这是一种繁复而且无法闭环的做法。为了解决这一问题，计算集中式架构应运而生。该架构面向“场景”，将感知到的信息进行汇总，通过集中的数据融合、计算和规划决策，实现最优的行驶控制。计算集中式架构是朝着完全自动驾驶演进的不二法门，自动驾驶的计算分布式架构和计算集中式架构如图1.3所示。
图1.3 自动驾驶的计算分布式架构和计算集中式架构
自动驾驶的计算集中式架构带来了大带宽的网络通信能力和高算力的控制器，打破了CAN网络小带宽、低算力的固有限制，业界开始从整车角度对功能部署和实现进行重新思考。
从商业上看，围绕以CAN总线作为骨干网的汽车EEA进行整车开发，以及由此形成的商业形态也已经难以持续发展。
前文提到过，基于传统汽车EEA的汽车需要依靠增加特定功能的控制器来增加新功能。以一辆普通轿车为例，车载通信线缆的总长度已达3～5 km，重达30～60 kg，线缆上大大小小数十个功能控制单元通过CAN总线相互连接，通过极为复杂和烦琐的CAN通信矩阵来实现特定功能的控制单元之间的通信，并实现特定的组合功能。如今汽车智能化蓬勃发展，通过不断增加硬件模块来实现急剧增长的智能化功能的方式，无论从成本、开发还是运营的角度来看都是难以为继的。本质上，传统汽车对驾驶员的驾驶体验关注不多，汽车制造商在完成对各个控制器功能的分配后，不需要结合驾驶员用车的具体使用场景来开发控制器；而智能化更关心的是驾驶员的驾驶体验，汽车制造商要求汽车在不同的使用场景下能够以不同的组合方式和最贴合用户使用习惯的方式呈现汽车功能。
传统汽车EEA面临的难以应对的商业挑战还包括重塑汽车企业和供应商之间的供应和协作关系。如今，汽车企业在实现整车销售后，对汽车进行持续的运营和价值变现变得日益重要，需要在整车生命周期内不断向汽车提供升级和维护的服务。而传统开发方式是汽车企业对量产下线时整车的汽车状态和功能等提出确定性的要求，然后将整车拆分成功能模块，分别交付给供应商进行高度定制化的开发，这种开发模式使整车一旦量产下线，需要面对数十个硬件供应商、数百个底层软件和应用软件的软件供应商。无论是从产品功能变更的技术可行性角度，还是从供应商与汽车企业之间的商业可行性角度来看，由此形成的商业模式都变成了不可能存在的模式。
“新四化”带来的汽车行业对智能化和网联化的需求，使得业界越来越“渴望”一个区别于传统汽车EEA的可扩展可演进的智能汽车架构。在这一背景下，全新的车载计算与通信架构应运而生。
根据前文描述的乘用车的发展趋势，车载网络通信架构至少面临以下挑战。
（1）汽车正在以前所未有的速度变“聪明”。这种变化带来的是车载传感器数量、车内连接节点数，以及车载通信对带宽需求的急剧增加。汽车使用了温度、振动、压力、微波雷达、超声波雷达、摄像头、激光雷达等各种传感器，车内的各电子与电气部件间的连接变得日益复杂。
（2）汽车与外部网络（包括其他汽车、公有云、数据中心、移动边缘中心等）的通信愈加频繁，汽车和外部网络的连接越来越多，一辆汽车成为互联网的一个移动节点。
（3）随着汽车自动驾驶等级的不断提升，汽车越来越依赖分布式或集中式的计算系统辅助指导驾驶决策和提升驾驶者的驾驶体验，由此产生的各类数据对车载网络的带宽和传输时延也提出了新的要求（要求带宽高于传统CAN等总线4个数量级以上，但现有总线技术远远无法满足要求）。
为了全面应对未来乘用车发展的需求和挑战，解决传统汽车EEA在面向汽车“新四化”发展时遇到的技术和商业问题，汽车行业普遍的做法是集中控制、减少控制器的数量，围绕功能集合/功能域的方式开发域控制器。在原有的汽车对动力、底盘、车身控制的要求之外，汽车企业对新增的网联、座舱、自动驾驶等智能化系统采用域控制器的方式进行开发，这样既做到了对传统汽车整车架构的兼容，减少了投入和成本，同时从整车配置的市场角度来看，也可以方便地对新增的智能化系统进行高、低配“裁剪”，从而可以让消费者根据需求选择配置。
从长期演进的角度来看，这种应急的做法还有许多方面需要改进。首先，依托原有架构来优先解决新增功能的问题，对传统功能进行逐步收敛和整合，不能充分利用资源（成本也会不断增加），也无法实现新增的智能域控制系统在生命周期内的系统升级，无法改进传统部件，使之满足新要求；其次，持续的智能化演进，特别是从辅助驾驶向更高阶段的自动驾驶的发展，需要从整车的角度考虑汽车的网络安全和功能安全，而非将新增的智能化部件和传统部件割裂开来分别考虑；最后，汽车“新四化”的发展需要巨额投入，需要从根本上解决原有汽车企业整车架构存在大量私有协议和规范的问题，这些问题造成了软、硬件的过度定制化。因此，采用系统搭积木的方式解决不了长期演进的问题。
随着消费者对智能汽车的要求越来越接近他们对电子消费品的要求，可以预见车载高性能计算机的问世只是时间问题，随之而来的将会是持续演进的、与以往完全不同的全新EEA。因此，大多数汽车企业都将EEA的演进当作最核心的产品战略来进行研究和规划。
通常一代全新车型的开发需要3～4年，而新EEA的预研和开发在此之前更是经过数年的打磨和培育。从目前全球头部汽车企业对下一代架构的研究和开发的公开信息来看，大众的vw.OS、雷诺的FACE项目、沃尔沃的SPA2架构、通用以及丰田的下一代架构理念，均呈现出了采用分布式的区域网关/区域控制器进行线束收敛、采用集中计算来提高算力的架构的特点，奥迪、宝马、戴姆勒等头部汽车企业研究新EEA的新闻也屡屡见诸各大汽车媒体。
无论各厂商的新EEA的拓扑有什么差别，这些架构都是以车载计算和网络通信能力为演进方向进行创新和变革的。华为公司经过多年研究，利用其在通信领域的丰富经验和技术，与汽车领域合作伙伴共同研究推出车载计算与通信架构——CCA。该架构适合汽车的发展趋势，同时兼容自2级自动驾驶开始的汽车EEA的发展变化和未来演进。在本章接下来的内容中，我们将介绍CCA，并和传统汽车EEA进行对比。鉴于车载计算架构的内容颇多，本书只是重点介绍CCA中的通信架构——车载网络通信架构。
作为智能网联汽车的系统方案供应商，为了更好地与汽车企业的整车开发相结合，华为公司将整车平台进行分层，其中以CCA +车载OS（Operating System，操作系统）为核心构建数字系统架构，使能汽车企业进行高效的整车开发。
CCA由计算集中部署的计算架构和分布式的通信架构两个子部分构成。其中，计算架构将整车按照汽车功能域划分成智能驾驶域、整车控制域和智能座舱域，每个功能域由一个对应的域控制器集中控制。通信架构则主要由分布式网关设施构成，并采用了业界普遍认可的、可支持10～25 Gbit/s带宽的车载以太网。该架构的核心特征就是由以太网+车载网关+环形拓扑构成，同时也支持其他变形的网络架构，如星形网络架构、星形网络和环形网络兼容的混合网络架构，充分满足汽车智能化带来的大带宽、高可靠性、低时延、上电零等待时间、低成本等需求。CCA在整车平台的分层位置如图1.4所示，CCA为整车提供了一个功能齐全、开放且可演进的整车平台架构，可叠加各类定制化车载OS，并具备丰富的应用生态集成和演进能力。如图1.4所示，最下面两层分别是整车的底盘系统和高压系统/动力系统，最上面两层是应用生态和车载云，中间两层是CCA定义的架构，包括硬件拓扑（CCA，从下往上数第3层）和软件架构（车载OS，从下往上数第4层）。
注：HOS为华为鸿蒙操作系统，AOS为华为智能驾驶操作系统，VOS为华为智能车控操作系统。
图1.4 CCA在整车平台分层的位置
整个CCA的设计思路是对原本复杂的整车各种软硬件系统进行分层，架构设计理念包括软硬件解耦、分布式网络、集中式计算等基本思路，有助于汽车企业和各部件供应商从繁复的、缺乏附加值的软硬件定制化工作中解脱出来，减少部件供应商和系统供应商之间不必要的磨合和沟通的时间，进而集中精力进行各自的研发，深挖各自的价值特性，从而为整车产品、汽车企业和最终消费者提供更多的价值和更好的产品体验。
图1.5展示了CCA的一个简单实例——4个分布式车载网关形成的车载环形网络通信架构，承载3个集中式部署的域控制器与汽车上各类传感器、ECU和信息娱乐系统的数据通信。
图1.5 CCA的一个简单实例
域控制器按照汽车的功能域可细分为MDC（Mobile Data Center，移动数据中心，也被称为车载计算平台控制器或中央计算控制器）、VDC（Vehicle Domain Controller，整车域控制器）和CDC（Cockpit Domain Controller，座舱域控制器），这3个部分构成了华为CCA的车载计算架构，3个部分的介绍如下。
MDC：对应前文所述的智能驾驶域，基于各类传感器收集的信息实时地产生自动驾驶和无人驾驶的驾驶动作控制信号，并将驾驶动作控制信号通过车载网关发送给汽车的加速装置、减速装置、转向盘和行驶挡位等操纵制动单元，即负责整车的信息收集、处理和决策、控制命令的下发。
VDC：对应前文所述的整车控制域，VDC负责统一控制汽车内的各类车身电子设备（车灯、车门、车窗、座椅等）、动力系统（电驱动、电池管理、车载电源等）、热管理系统等汽车的基础系统，通过将大部分整车基础部件和系统的ECU的功能收编至VDC，极大降低了这些部件和系统的ECU的复杂度。
CDC：对应前文所述的智能座舱域，CDC统一管控车载娱乐系统和人机交互系统等，收编大部分与汽车行驶安全无关的座舱功能。
其中，作为智能汽车的核心，自动驾驶控制中枢MDC尤为复杂，它是CCA中计算的核心，其基本硬件架构如图1.6所示。
注：HMI即Human Machine Interface，人机界面。
LAN即Local Area Network，局域网。
SoC即System on a Chip，单片系统。
图1.6 MDC的基本硬件架构
MDC硬件平台包含数据交换（包括图中的区域网关、LAN交换机）、MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）、AI（Artificial Intelligence，人工智能）处理、逻辑处理、图像处理、存储处理等功能模块。各个传感器的原始数据就近接入区域网关，转化为以太网格式的数据，进入MDC。MDC对数据进行集中处理，并向TBOX（Telematics Box，远程信息处理盒子）、CDC、黑匣子输出相应数据。本书重点聚焦在网络通信架构，读者可以参考华为公司对外发布的MDC资料来了解与计算架构MDC相关的软硬件的详细信息。
车载网络通信架构由一到多个车载网关相连组成。车载网关的主要功能是提供传感器信号流量和控制信号流量的转接、互通、汇聚与可靠传输，以及不同功能域之间的信息安全隔离等。各域控制器均通过网关设备相连，绝大部分传感器、车身部件ECU、车载电子终端等也通过网关设备与域控制器相连，连通协议使用标准车载以太网协议，互联介质通常是符合车规级标准的线缆。车载网络通信架构主要有以下特征。
第一，相比于传统汽车EEA的通信架构，车载网络通信架构增加了车载网关。车载网关的物理形态通常是一个小盒子，各种传感器、ECU等（包括摄像头）通过端口接入车载网关。车载网关将传感器等输出的信号进行转换，封装到以太网信号中，再传递信号到目的车载网关，通过目的车载网关解封装出对应信号，再传递给对应设备。这样设计的目的是将车载骨干网络统一为以太网，简化网络通信标准。
第二，车载网关之间通过以太网互联，通常采用环形拓扑互联，环形拓扑的优点是网络不存在单一通道，可以通过环形网络保护备份，从而有效提高网络的可靠性。实际上，也可以组成星形网络，或通过环形和星形拓扑混合组网，具体的组网方式可根据汽车企业的需求来确定。
第三，无论是传感器、ECU还是各种计算单元，都不是拓扑上的网络节点，而是外挂到车载网关上的接入设备。但是，有些性能强大的计算处理单元也可以支持车载网关的功能，从而直接成为拓扑上的网络节点。
第四，车载网络通信架构设计中的一个思路是提升传输带宽、减少线缆数量。CAN/LIN/MOST等总线的传输带宽比较低，而点到点的以太网传输带宽可以达到甚至超过10 Gbit/s。以太网使用一对差分线缆就可以有效地将原来的多路低速信号复接进网络，从而有效减少线缆数量。
此外，车载网络通信架构的使用可以大幅降低汽车企业成本，例如装配成本、维护成本、开发成本等。
经过标准化的整车线束便于工厂的自动化生产，可以大幅降低整车的装配成本；标准化的线束便于售后的维护和故障的修理，提高了效率，节约了汽车企业维修和保养的成本；新架构支持软硬件分离，极大地提高了汽车企业不同车型的通用性，在新架构下，添加传感器和ECU变得非常方便。所有传感器和ECU就近接入车载网关，任何添加都不影响整车的通信架构，这大大节约了整车的开发成本、采购成本，缩短了整车的开发周期等；在新架构下，所有信号复用到高速以太网上传输，有效减少了摄像头等设备使用的高速线缆数量，减少了20%以上的线缆长度，可以大幅度降低高速线缆成本、减轻线缆质量。
新架构对计算单元的硬件接口进行了标准化处理，计算单元（如MDC等设备）只需要通过以太网接口接入网络，有效减少了硬件接口的种类和数量，使计算单元的硬件接口甚至硬件盒子都得到了标准化，降低了计算单元的生产成本，提高了不同厂商产品的兼容性，给汽车企业选择供应商带来了极大的便利。
新架构还有助于创造新的商业模式。在软硬件分离的基础上，可以做到传感器等电子部件的按需增减和即插即用，从而为汽车企业商业模式的创新提供广阔的空间。新架构支持面向未来的平滑升级和扩展，未来车载网络带宽会不断增加，只需要兼容地升级车载网关，例如速度可以升级到25 Gbit/s甚至更高，就可以有效满足未来网络带宽的需求。
车载网络通信架构增加的车载网关功能简单，可以使用单芯片集成方式来制造，成本非常低。
本章简要介绍了CCA的相关知识，比较了它与传统汽车EEA的异同，后续章节将从架构和技术实现的角度来详细介绍。本章重点在于车载网络通信架构，仅简单提及车载网络计算架构的内容，读者如感兴趣，可以另行收集资料了解这些内容。
[1] 全国汽车标准化技术委员会.汽车驾驶自动化分级：GB/T 40429—2021[S].北京：中国标准出版社，2020.
[2] 华为技术有限公司.华为发布MDC智能驾驶计算平台白皮书[EB/OL].（2020-10-28）[2021-06-11].
