車聯網：不僅僅是趨勢

2020-03-13

全球汽車行業正處于數十年來較大的轉型之中，同時存在兩個并發的大趨勢-驅動技術的根本變化和汽車網絡。實際上，“ 趨勢 ”一詞在這里不夠用，因為在實現全自動或部分自動駕駛的道路上，車輛聯網是必不可少的基本步驟。實際上，即使在不考慮自動駕駛的情況下，連接性對于OEM來說也已起著決定性的作用，它是新業務和服務模式的關鍵。

有許多用例，它們強調了在所有領域中不斷推動這一概念的重要性。這是因為車輛網絡是各種技術的總稱，這些技術共同決定了汽車發展的新高度。這里一個特別的方面是，一些概念和創新深入挖掘了數十年歷史的車輛架構的基因，并對其進行了重新思考。

這很重要，因為只有采用與現有結構不同的解決方案才能應對實現完全聯網和自動化車輛的挑戰。下面將更詳細地考慮三個主題。首先是內部通信，其特點是汽車以太網和新的汽車架構的出現。

第二種是外部通信，其形式為新的移動通信標準5G及其對天線技術的改變。

最后，還有網絡安全問題，這是車輛聯網趨勢持續成功的關鍵考慮因素。畢竟，只有內部和外部網絡都建立在安全的基礎上，安全的自動駕駛愿景才能成為現實。

其基本思想是將車輛分為幾個區域。這將使得在區域內合并對連接至關重要的安全相關控制單元，以及通過區域段的信息流路由。一種可行的方法是將車輛分為兩個到六個區域，每個區域都有單獨的分區處理單元，這些單元通過環形拓撲電纜互連。這產生了冗余，從而即使在模塊之一或連接電纜出現故障的情況下，車輛也可以繼續運行。車輛每個單獨區域中的計算機將處理區域內的數據處理，并將相關數據發送到主計算機。主計算機連接到云，以進行進一步的分析。

與隨時間發展的傳統車輛架構相比，多區域布局的可擴展性和優化的結構使其與眾不同。在發生數據的地方對其進行收集，匯總，然后通過汽車以太網將其發送到主計算機。這樣可以大大降低系統復雜性。另一個優點是，將來可以由區域內的各個軟件解決方案映射當前由硬件使用控制單元處理的功能。當今的車輛可以安裝100多個相互依存復雜的控制單元。使用多區域體系結構可以大大減少該數目。

前面提到的汽車以太網是增加內部通信帶寬，同時降低系統復雜性的又一個里程碑。更大的帶寬是必需的，因為自動駕駛汽車必須通過自己的傳感器（不斷生成數據）和執行器來獨立映射行駛功能，而不依賴于其他道路使用者或基礎設施的數據。因此，車輛需要一個敏捷的神經系統，將數據分發到部署在車輛中的處理單元。這可以以汽車以太網的形式獲得。

這項源自IT世界的技術被認為是面向未來的，可在車輛內實現大帶寬和快速信號處理。當前提供高達10 Gbps的汽車數據網絡。拉斯維加斯的CES 2019展示了針對此問題的首個解決方案。

一個重要的方面是，汽車以太網必須具有故障安全性和運行可靠性。如前所述，解決方案是使用冗余線束，以補償部分故障并確保整個系統持續運行。以太網的一項關鍵任務是將安全關鍵數據從車輛傳感器快速傳輸到處理單元，以便（例如）車輛能夠在城市交通中獨立運行。

用于增加自動車輛的舒適性和便利性的其他數據來自外部，通過天線。它還必須滿足特定要求，以便可以將外部數據快速傳遞到車輛中的計算機。這將我們帶入第二個主題或趨勢：外部溝通。

外部交流：車輛是網絡世界的一部分

天線在聯網車輛中起著決定性的作用。為了與其他車輛和基礎設施實現順暢的聯網，它們必須提供高性能，大范圍的傳輸，同時還必須將信號快速傳輸到車輛中的處理單元。

天線技術的挑戰基本上是，新5G移動通信標準的推出將頻帶從現在的7 GHz以下擴展到將來的52.6 GHz。高頻信號的較高衰減會導致范圍減小，這又因無方向性天線的發送和接收信號能力有限而導致問題。

解決方案是使用多個定向天線，而不是具有全向輻射方向圖的天線。這些天線即使在車輛行駛時，也可以在特定方向上連續控制波束，以增加射程。這對于從道路上的其他車輛接收信號并傳輸車輛自身的信號是必要的。此外，它們必須相互連接并與車輛的計算機聯網。這又需要上述汽車以太網來進行快速數據傳輸。

另一個挑戰涉及帶寬主題。例如，由于可用帶寬僅為每秒幾兆比特，因此當前以高度處理的形式發送傳感器數據?，F在這已經足夠了，但考慮到自動駕駛的未來用例是不夠的，因為在某些情況下必須接收和發送未處理的傳感器數據才能映射新的智能功能。

天線必須覆蓋更大的頻率范圍，以提供必要的帶寬。這需要擴展現有標準，并且目前各個小組正在對此進行研究。在5.9 GHz頻帶中，美國，歐洲和中國地區為此分配了不同的帶寬。尤其是在歐洲和中國，隨著安全相關應用的推出，這些功能已得到充分利用，而5G V2X的帶寬不足或沒有帶寬。

OEM廠商目前正在研究一種壓縮數據的方式，以使5.9 GHz頻帶中的可用帶寬足夠。在歐洲也存在緊張情況，其中60 GHz頻段的頻率范圍保留給V2X。該范圍在技術上要求很高。存在物理問題，因為氧分子的共振頻率在該范圍內。當這些分子開始振蕩時，它們會從無線電波中吸收能量，使射程降至幾米，并極大地限制了應用范圍，例如不同車輛與基礎設施之間的通信。

這是一個事實的驚人說明，在不斷發展的道路上和旅途中的網絡會受到天線技術新組件開發中眾多細節的影響，這對于外部通信至關重要。 

網絡安全：始終在線，但安全

安全性是整個車輛網絡持續成功的非常重要的因素。網絡犯罪分子早就將網絡車輛以及未來的自動車輛指定為潛在的攻擊目標?；旧?，攻擊的可能性會隨著與外界的接口數量的增加而增加。這意味著OEM和供應商必須快速靈活地應對新的威脅情況。

快速，可靠和輕松地對車輛進行更新的一種方法是空中固件（FOTA），這意味著可通過移動通信接口更新軟件。此方法可能潛在地允許通過修補程序，要集成的新功能以及要更新的密碼算法來連續快速地糾正弱點。

通過這種方法，配備有移動通信接口的控制單元充當后端與車輛中要更新的設備之間的中介。它通過無線接口接收所有軟件包，并將它們分發到目標設備。另外，充當主設備的處理單元監視并協調整個更新過程。

這里的決定性方面是，必須實施FOTA流程，以使其不成為攻擊的網關。這樣做的先決條件是，例如通過使用TLS協議進行加密，對無線接口進行加密保護。為此所需的密鑰和證書必須使用機密和防操作的方法加載到設備中，并存儲在設備中受保護的內存區域中。

專用硬件安全模塊（HSM）對于實現安全存儲和實現加密算法的安全執行非常重要。當設備軟件啟動時，可以通過安全的安裝過程和安全檢查來防止未經授權安裝操縱軟件。通過這兩種方法，都可以使用數字簽名來驗證軟件的真實性。必須在批量生產中禁用開發接口（例如UART，USB或JTAG），或者使用加密方法對其進行保護，以防止設備滲透。

最后，應該指出的是，汽車網絡的大趨勢由許多部分組成，每個部分都提出了自己的特殊挑戰。作為供應商，我們與制造商協作幫助應對挑戰，從而開啟汽車歷史的新篇章。

本文內容來自:EEtimes