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引言& L$ f$ y: P( Z5 ^
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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]。
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1 p% T" P8 `$ D9 W7 n+ {1 V o车载网络架构的演变
2 ~6 q; B5 p% X8 e6 z( C0 Y5 k- V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。
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' B7 \9 B( E8 W: n) J) ]图1：车载网络架构的演变，展示了gateway、域和区域架构。9 o3 y. m# p# x! c
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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。
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5 P, s6 @& C j9 ~3 Y+ d. {以太网和时间敏感网络（TSN）( M" z3 J1 x- Z6 N6 Z) B
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。
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! Q7 ]/ M. f1 a; nTSN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。
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- ?; I2 z9 w5 |8 r$ r图2：TSN和AVB以太网调度，显示CDT、AVB和保护带时隙。# M) @2 y( b I' s
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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。
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SiPhON简介
2 [ y U' Q: r: o+ n; b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。& m( a; I7 R3 f& e0 O" K
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SiPhON的主要特点：
3 D8 \. l) P8 M% W0 e. [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
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图3：SiPhON的光学车载骨干网络架构。
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n" G1 G$ ~! s$ W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。
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! k6 M. ?7 a, tSiPhON中的时隙调度" M; k" T# u* j3 q6 D1 L. y& \
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1 |( x+ p' j) X) R" ~ g
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# D1 e. I3 t# ~0 g" I' F/ X6 o5 T动态时隙调度算法提供了几个优势：# y1 _6 X* ~0 U: v; c8 U- y
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3 M( D$ J7 M" N- x) t
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图4：Gateway 1中传入和传出控制数据包和数据时隙的示例。
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动态时隙调度算法使用来自网关的反馈信息，包括：" }; ]0 V& _% h+ d5 e: S9 ~
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
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% K6 ^. `/ i7 ~& }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。
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性能评估
r7 C7 ]0 p( k; g. Y7 @/ M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。5 `. d, y6 X: ]2 z
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图5：用于性能评估的模拟车载网络拓扑。
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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。' K9 Q) d$ h8 s
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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。
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0 ~( l0 V& n( m" X# r, j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。; l& P; l' o* I
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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。' q- m8 \* S4 G& b+ H7 [
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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。
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2 `7 I1 C9 h8 ]; b3 }5 FSiPhON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
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[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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