车载多媒体网络技术论文

1MOST网络技术

1．1MOST网络发展历史

1MOST网络技术是一个由MOST合作组织制定的以通信协议为基础的汽车多媒体信息传输网络技术，其采用光纤线或双绞线作为物理传输介质，实现车内多媒体设备的互联互通。1996年，梅赛德斯以其D2B系统为基础，并与宝马和SMSC合作，开始对MOST进行讨论，并且决定和其他汽车生产商共同进行开发。1998年，宝马、奔驰、别克和SMSC以德国民法合伙人的方式成立了MOST合作组织，之后奥迪很快也加入了该组织。MOST合作组织成立后便致力于协议的快速标准化工作，并迅速地将实际系统搭载于汽车上。图1是2000年ITS世界代表大会上，MOST组织展览厅内奥迪、宝马、梅塞德斯和大众的相关车型［5］，而现在已经有140种车型应用了MOST网络技术。MOST组织已经了三代MOST网络技术规范，分别为MOST25、MOST50和MOST150，而下一代网络带宽能够达到1～5Gbps的网络规范也正在研发当中。虽然每一代MOST网络规范都有些不同，但是其基本特点没有变化，接下来将对其进行详述。

1．2MOST网络基本特点

MOST网络是一个点到点的光纤/电气闭环同步网络，它由一个时间主节点和若干个时间从节点构成，在传输数据信号的同时也传输时钟信号［6，7］。该网络中最多有64个节点，节点之间的最大距离为10米。它相对于传统的车载信息娱乐系统方案而言具有使用线束更少更轻、网络抗电磁干扰能力更强、应用的添加和删除更为方便等优点。图2是MOST网络与OSI网络模型的对比图，图中功能块层完成了网络中设备节点的应用功能和系统功能。网络服务应用套接字层与网络服务基础层共同组成了网络服务功能，控制报文的收发与流数据信道的连接和释放等都由该服务完成。MOST智能网络接口控制器层主要负责套接字管理、智能器件管理、网络保护模式设置和硬件应用看门狗定时器设置等。而物理层则由光学物理层和电气物理层组成，MOST网络信号可以在光纤线或双绞线中进行传输。在MOST网络上，帧是数据传输的基本单元，每个帧又分为三个数据域，分别用于传输控制字节、流数据与异步数据。因为数据帧定时发送，其频率为44．1KHz或48KHz。所以网络中传输的相邻数据帧的相同数据域构成了用于传输对应信息的连续信道，即控制信道、流数据信道和异步数据信道。

1．3MOST网络研究现状

从MOST网络技术产生至今，国内外许多科研人员对其进行了深入的研究。文献［8］首先将MOST网络技术引入到了国内，文中对MOST网络技术进行了综述，较详细地介绍了MOST网络的功能特点、MOST网络的基本结构和MOST网络的设备组成等，并对MOST网络的发展和应用进行了讨论。文献［9］设计并实现了MOST网络的主控制器，为MOST网络技术在国内的发展提供了理论和实践的基础。文献［10］设计了MOST网络音频播放节点，为原型节点的开发做了铺垫，随后文献［11］和文献［12］实现了音频流媒体数据传输和播放功能。文献［13］实现了基于MOST网络的DVD节点，而文献［14］实现了基于MOST网络的收音机节点。文献［15－17］对基于MOST网络的车载语音接口进行了研究，实现了通过语音控制MOST网络。文献［18－22］以各自的设计思想实现了MOST网络与CAN网络的网关，文献［23］使用静态段和控制报文实现了MOST网络和FlexRay网络的网关，这些网关使整车的网络可以进行完整可信的通信，增强了整车的功能性、舒适性和安全性。文献［24］对MOST网络服务进行了改进，使MOST网络服务可以被事件驱动，并使用层次状态机，MOST网络程序的开发变得更加的容易。文献［25］提出了基于FSM模型的车载MOST网络管理系统，该系统可以增强车载MOST网络的灵活性、健壮性和容错性，满足车载信息娱乐系统对即插即用工作方式的需求。而文献［26］则提出了MOST网络连接管理策略，该策略可以有效地提高MOST网络带宽利用率。文献［27－30］在电源管理和能量优化方面对MOST网络进行了深入的研究，使MOST网络可以集中唤醒进入睡眠状态的节点，并且降低了系统的总功耗。

1．4MOST网络未来趋势

MOST网络技术历经15年的发展已经取得了一定的成果，在未来的前进道路上它将会在以下三方面取得进步。首先，MOST组织在其定期的MOSTInformative里提到MOST网络会在拓扑结构方面增加星型、菊花链型和树形等拓扑结构，改善环型网络拓扑结构如果断开则整个网络不可用的缺点。然后，在降低成本方面，MOST150网络使用的是光纤线进行信号传输，在保证传输速率150Mbps的前提下可以在物理层增加非屏蔽双绞线(6类双绞线)和同轴电缆作为传输介质，这样可以拓宽其市场，使更多的车型可以搭载MOST网络。最后，在兼容以太网络方面，车载以太网络技术是MOST网络技术的强劲竞争对手，虽然MOST150网络规范已经提出每个设备节点会有以太网络MAC地址，并提供以太网络数据信道来传输以太网络帧，但是仍有上层软件兼容等许多问题需要解决。而据悉，一汽、比亚迪、长城等车厂都在积极地研究MOST网络，MOST网络技术即将迎来在国内的大发展。

2IDB-1394网络技术I

DB-1394网络技术是IEEE-1394技术的汽车版本，其传输速率可高达400Mbps，它的高带宽确保了音视频娱乐应用的高保真传输，并且可以更迅速的传输到想要播放的终端。除此之外，其即插即用的特性，也正符合了消费者对于产品的需求，没有过多繁杂且不必要的操作。IDB-1394为了满足信号的高速传输需求，并且同时考虑到车上的电磁干扰环境，所以其采用光纤线作为物理传输介质，但是为了降低成本，其使用铜导线作为物理传输介质的技术标准IDB-1394Cu也在实验当中。IDB-1394还提供数字传输内容保护DTCP(DigitalTransmissionCon-tentProtection)技术，其可以有效地保护版权，防止传输内容的泄露［31］。目前人们对于IDB-1394网络技术的关注度越来越高，并且期望其在将来的市场上能够得到更广泛的应用。虽然它拥有灵活的协议栈，但是现在只有少数日系车厂支持IDB-1394网络技术，并且在许多方面它仍需要提高。

3车载以太网络技术

在以太网络发展的30多年里，它凭借低廉的价格、强大的数据传输能力和良好的可扩展性等优点，成为了应用最为普遍的局域网络技术［32，33］。随着工业以太网络技术的发展和应用，人们对于以太网络逐渐产生了实时性的要求，这样便产生了实时以太网络RTE(RealTimeEthernet)［34］。2011年单对非屏蔽双绞线通信技术的问世，并且汽车驾驶员辅助、娱乐和通信等各方面应用的涌现，因此以宝马公司为首，人们为了提高车载网络的带宽和通用性，以实时以太网络协议为前提，以单对非屏蔽双绞线通信技术为基础，提出了车载以太网络技术。

3．1实时以太网络协议

虽然传统以太网络有众多优点，但是它并不能进行实时数据的传输，不符合车载网络的要求。时间触发以太网络TTEth-ernet(TimeTriggeredEthernet)［35，36］是一种基于时间触发的实时以太网络，它结合了决策、容错和实时性，时间触发信息可以在预定的时间内传输，该网络适用于刹车线控和转向线控等方面。而以太网络音视频桥(EthernetAudio/VideoBridging，EthernetAVB)技术则是更具发展潜力的网络音视频实时传输技术，相比于TTEthernt技术更适合用于车载多媒体系统，因为它可以提供精准时间同步、媒体流量整形、接收控制以及非实时设备鉴定，在保障实时数据流传输的同时，兼容传统以太网数据的传输。并且它是一项新的IEEE802．1标准，在传统以太网络的基础上，为实时音视频流数据传输提供高可靠、低延迟和低成本的实现方案，弥补了传统以太网络传输实时数据的缺陷。EthernetAVB协议栈主要包括5个协议，分别为精准时间同步协议PTP(PrecisionTimeProtocol)，流预留协议SRP(StreamReservationProtocol)，队列及转发协议QFP(QueuingandFor-wardingProtocol)，音视频桥接传输协议AVBTP(Audio/VideoBridgingTransportProtocol)和实时传输协议RTP(Real-timeTransportProtocol)。EthernetAVB协议栈PTP:它以IEEEP1588V2为原型，将原来的IP路由协议应用到只有两层结构的局域以太网络中。主要包括两个方面，一个方面是主时钟的选择，另一方面是同步机制，即时间补偿和时钟频率匹配。PTP通过最佳主时钟算法来选择PTP域的一个主时钟，并以它为根建立一个用于同步的生成树，每一个时间敏感的设备节点都要与主时钟同步。在本地网络中，同时定义一些潜在主时钟，当访问主时钟失败时，自动切换到其中一个潜在主时钟并建立相应的生成树，以保证网络时钟同步。主时钟确定后，通过时间戳机制来发送同步信息［37］，并通过传统以太网络数据包传递时间戳，当含有时间戳的消息进出需要时钟同步的端口时，会与本地时钟进行对比，利用相应的路径延迟补偿算法对本地时钟进行匹配。匹配后的从节点再发送含有时间戳的信息，与下一个从节点进行时间同步匹配。SRP:为了保证数据传输和转发的服务质量，降低时延和抖动，SRP根据网络拓扑的带宽情况，预先锁定传输路径，并且预留一部分带宽，确保音视频流设备间端到端的带宽可用性。SRP使用信号协议SP(SignalingProtocol)和功能扩展的IEEE802．1多注册协议MRP(MultipleRegistrationProtocol)交换音视频流的带宽描述消息，并对带宽资源进行预留［38］。

一般情况下，把整个带宽的75%预留给时间敏感的音视频流数据，剩下的25%用来传输传统的以太网络数据。SRP包含注册和预留两部分，流预留服务中，把流服务的提供者定义为Talker，接受者定义为Listener。Talker对音视频流所需带宽资源进行协商预留，Listener则注册并接收所需的音视频流。Talker初始时广播一个提供声明，表示自己能够提供流数据并说明其属性，使接受者知道Talker的存在以及数据已经准备好发送了。消息传播的过程中，会沿途收集信道的服务质量信息，而收集到的信息分为两种。当信道已经准备好了，则反馈一个正的提供声明注册消息，表示通信路径已经准备好了，可以发送数据;当反馈一个负的提供声明注册消息时，则不可以发送。Listener也可以发送请求声明，广播想要接收的信息，消息传播的过程中，沿途运载资源分配结果信息，该信息也分为正负两种情况，正的请求声明表示能够接收到信息，负的请求声明表示信道没有准备好。同样，Talker和Listener也可以根据自身情况使用MRP信号机制，撤销提供或者请求信息来结束信道锁定和预留。SRP内部周期性的状态机维护着Talker及Listener的注册信息，能够动态地对网络节点状态进行监测并更新其内部注册信息数据库，以适应网络拓扑的动态改变。QFP:它是AVB协议栈中的伴随协议，大部分实现在交换机中，负责数据传输的处理和转发机制，确保传统的以太网络数据流量不会干扰到实时音视频流。QFP主要包括三个部分，流量整形、优先级划分和队列管理。为了避免时间敏感的音视频流数据和普通数据对带宽的竞争，EthernetAVB交换机拥有若干个输入输出队列，音视频流数据和普通数据分别进入不同的队列，所有的交换机和网桥都使用优先级传输选择算法，并且赋予音视频流数据最高的优先级。交换机进行队列转发时，音视频流数据总是优先于传统以太网数据进行转发。还有一种基于可信因子的整形算法，用来处理不同的音视频实时数据(A类音视频流和B类音视频流)的转发，只有当可信因子大于或等于0并且信道中没有冲突的报文时才可以进行传输。当该报文进行传输时，可信因子会以一个发送斜率减少，同样，当一个实时报文在队列中等待时，可信因子会以一个闲置斜率增加，这样只要信道一空闲它就会被传输。另外，AVBTP主要负责对EthernetAVB实时流数据进行打包，同时负责流的建立、控制以及结束。而RTP在基于IP的三层应用上利用EthernetAVB的性能，通过桥接及路由在局域网内提供时间同步、延迟保障和带宽预留的服务，以保障实时音视频流的传输。

3．2单对非屏蔽双绞线

2005年AVnu联盟成立，使得EthernetAVB得到市场效益的推动，这主要集中在车载网络和消费电子领域。但是传统以太网络的物理层并不能达到车载网络对通信介质的要求，因此2011年OPEN联盟成立，该联盟专门为车载以太网络提供物理层介质，其倡导采用全双工的单对非屏蔽双绞线进行通信。为单对非屏蔽双绞线和传统屏蔽线缆，相比之下单对非屏蔽双绞线做出了两个方面的改进:一方面是减少了线束，使成本比传统电缆降低80%，重量轻30%，从而有效提高汽车燃油效率［39］;而另一方面则是频率从200MHz降低到了50MHz，使其无需屏蔽就具有抗电磁干扰的能力。另外，单对非屏蔽双绞线还可以实现电力传输，在文献［40］中作者应用博通系列芯片验证了双绞线实现电力传输的情况。虽然在理论上单对非屏蔽双绞线通信技术满足了车载网络对于布线的苛刻要求，但目前并没有关于它应用到具体车型的测试或者验收报告，车载以太网络的进一步发展仍然需要许多技术的不断完善。

4三种车载多媒体网络对比

这三种车载多媒体网络各有其突出优点:MOST网络技术可以传输多种数据类型，物理层可以使用不同的传输介质，拥有成熟的技术规范和大量的支持厂商;IDB-1394网络技术数据传输速率最高，在芯片内部提供数字传输内容保护技术，并且相对其他两种技术而言所需芯片更少;车载以太网络技术来源于传统以太网络，具有更广泛的应用空间，并且其拓扑结构最为灵活。

5结语

本文对现有的主流车载多媒体网络技术进行了综述。首先在发展历史、基本特点、研究现状和未来趋势等四方面对MOST网路技术进行了论述。然后简单介绍了IDB-1394网络技术的特点和现状，接着从实时以太网络协议和单对非屏蔽双绞线两方面论述了车载以太网络技术发展的前提和基础。最后对三种网络技术进行了比较。车载多媒体网络技术正在向着更高带宽、更小延迟和更加灵活的方向发展，而三种车载多媒体网络技术的竞争还将继续下去。可以预见，车载多媒体网络技术的发展将极大地推动自动驾驶和车载信息系统等领域技术的发展，从而人们可以享受到更加舒适便捷的车载服务。

作者：秦贵和 单位：吉林大学计算机科学与技术学院