1.E/E架构设计的挑战

1.1架构设计导向的改变

随着智能互联、自动驾驶、电动汽车及共享出行的发展，软件、计算能力和先进传感器正逐渐立于统治地位。这一变革的结果之一是车辆架构将变为从以信号为导向的架构设计变为以通用运算平台为基础的、面向服务的架构(SOA)，全新的软件和电子架构发展之路将越来越清晰。

在汽车SOA体系架构设计的大趋势大潮流下，更多的系统需求需要被编码在系统里面，同时需要有自我意识的汽车网络物理系统，能够根据对其状态和环境的理解，在运行时自主做出自我解释的决定。同时，面向服务的架构也有相应的优势：

更易维护：建立在以 SOA基础上的信息系统，有着清晰的分层架构。当需求发生变化的时候，不需要修改提供业务服务的接口，只需要调整业务服务流程或者修改操作即可，整个应用系统也更容易被维护。
图2.清晰的分层架构

高可用性：该特点是在于服务提供者和服务使用者的松散耦合关系上得以发挥与体现。使用者无须了解提供者的具体实现细节。

1.2通过模块化实现SW和HW的可扩展性和可重用性

模块化的隐私和信任：横跨整车的各个边界，各个模块的角色、能力以及权限必须能够实现集中管理；
模块化安全性的需求：必须能够保证在某些区域错误禁止发生。

1.3 高投入高成本的集成和测试

从整个系统测试到持续部署和测试的转变，需要更关注自动化问题；在虚拟平台上的早期验证和确认是关键；另外，测试覆盖率必须以可变性和验证的执行路径来衡量，而不是以公里数来驱动；设计中使用的方法和工具种类繁多，需要智能地结合它们的优点，而不是用更复杂的东西来取代它们。

1.4 设计硬件和软件的可扩展性

架构在设计之初就基本上选择好了，软件则将会在车辆开发过程或者交付到客户的时候增加应的功能；

如何设计 "面向未来 "的E/E架构？即在架构、技术（链路速度）和TSN协议选择（如Qbv、Qbu、CB...）方面做出优化设计选择？

由算法工具提供的潜在的解决方案：

面向服务的转变（SOA）：大数据和人工智能算法用于关联许多现有的各种设计规范；
满足模块化的特性：集中式安全模型的传递性信任算法，故障遏制区域内故障概率的数学模型及其产生的 "模块错误率"；
高投入的集成、测试：设计复杂性指标和测试覆盖率计算器；以不同的精度模拟 "全栈 "系统行为，可能插入真实的组件进行软件在环或硬件在环测试案例，以建立对整个系统的信任。

2.基于TSN的分区SOA架构原型

2.1TSN网络架构仿真

基于上述的SOA架构原型，可以在RTaW-Pegase软件中进行仿真分析。在下面这个TSN核心网络的模型中，包括冗余的中央计算机（应用平台）：车身、运动、数据分析、ADAS，三个局域控制器，17个ECU节点包括HMI、动力系统、充电系统、摄像头、人工智能后端计算器、接入点等。

2.2利用RTaW-Pegase将设计问题进行分解

Overload分析：确定架构扩展性的上限；独立于TSN协议；快速、粗略的分析；

过载网络指的是一条或多条链路的负载高于100%，即TSN协议已经可以满足时间限制了。如上图所示，当增加至90项服务时，会有10%的网络过载，然后过载率急剧上升；这表明，无论我们的流量传输满足的TSN协议如何，该架构最多只能支持60-80项额外服务。

TSN解决方案的总网络容量：评估TSN调度方案支持额外流量的相对能力，能够估算出架构寿命，精确、计算密集型分析；

使用CBS+最高优先级的传输等级，可以增加55项新服务（在75%的保证水平上），与在最高优先级上使用CBS+TAS的结果类似。

成本/可扩展性分析：考虑不同的TSN调度方案的成本，成本应把开发时间、价格、风险等诸多因素考虑进去；

在RTaW-Pega软件里面，我们可以知道不同TSN解决方案的成本组成架构，可以设置我们对网络延展性需求的百分比，以及可以在网络架构安全地新增多少项服务；同时，我们可以比较同一架构上的竞争性TSN解决方案，也可以比较不同的架构之间的性价比。

架构能力：除了通信要求外，还要考虑到CPU的要求

假设：每个服务需要的CPU处理时间与它所处理的流量数量成正比，在本案例中，所有处理器的CPU能力都是相同的；其中红色曲线是考虑CPU性能要求形成的，蓝色曲线是不考虑CPU性能的。

架构合成：通过添加硬件组件（单个组件或模块）来扩展核心拓扑结构，同时需要对手动创建的候选架构进行基准测试。

扩展拓扑结构：可通过增加硬件组件，如下所示：

ECUs/Processors/SoCs：算力，可靠性、安全性；
Switches：增加带宽，缩短线缆的长度（如通过菊花链）；
带有内部网关的ECUs：空间、成本的优化，可重复使用性；
连接网关：获得额外的带宽（例如在骨干网上）；
网络接口+链路：平衡负载，可靠性、安全性。

基于核心拓扑结构RTaW-Pegase生成的架构：①在 "hot-spots"附近增加ECU，即在未来增加的服务数量方面，受到此影响最大的ECU ；②参数指定拓扑平衡和hot-spots覆盖之间的权衡。

使用10BASE-T1S的菊花链和总线拓扑结构，以及不同类型的CPU开辟了更多的设计选项，可以在RTaW-Pegase软件中系统地进行探索。

3.总结与展望

现阶段的汽车网络架构设计使计算机辅助的E/E架构设计成为可能，包括支持的TSN架构和技术选择，并且复杂性、时间和成本效益、可扩展性要求是关键驱动因素。

RTaW-Pegase可计算性能指标，例如网络负载、通信延迟和缓冲区利用率，从而有可能在所有情况下预测网络性能，并且可以比较不同的设计和配置选项，使您能够避免过度配置资源（链接速度，交换机中的内存，不需要的技术等）。另外，RTaW-Pegase包括设计空间分配算法，以优化网络拓扑（例如，交换机的数量和位置），数据流路由以及在工作站上分配软件功能。

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