面向自動(dòng)駕駛的硅基光電子車載光網(wǎng)絡(luò)(SiPhON)系統(tǒng)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在快速發(fā)展的自動(dòng)駕駛車輛領(lǐng)域，一個(gè)主要挑戰(zhàn)是開發(fā)能夠處理各種傳感器和攝像頭產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。針對(duì)這個(gè)問題，來自慶應(yīng)義塾大學(xué)、東京大學(xué)、大阪大學(xué)和古河電氣工業(yè)株式會(huì)社的合作團(tuán)隊(duì)提出了突破性解決方案。硅基光電子車載光網(wǎng)絡(luò)（SiPhON）有望徹底改變自動(dòng)駕駛車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸方式[1]。
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; w8 [0 Q$ v3 g6 O" @7 P高速車載通信的需求
7 o# w/ n) h$ v+ P; C/ E- ~隨著車輛自動(dòng)化程度提高，越來越多的電子設(shè)備如攝像頭、激光雷達(dá)和雷達(dá)系統(tǒng)被使用。這些傳感器產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要實(shí)時(shí)處理以確保安全高效運(yùn)行。傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)難以滿足這些需求，成為全自動(dòng)駕駛車輛開發(fā)的瓶頸。

% ?. j5 X2 q0 g1 p/ sSiPhON應(yīng)運(yùn)而生，這是一個(gè)專為汽車行業(yè)設(shè)計(jì)的尖端光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在提供高速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，滿足先進(jìn)自動(dòng)駕駛的需求，同時(shí)符合汽車環(huán)境的嚴(yán)格要求。

SiPhON：改變游戲規(guī)則的技術(shù)
SiPhON利用硅基光電子技術(shù)創(chuàng)建高可靠性和高容量的車載網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括一個(gè)中央電子控制單元（ECU），內(nèi)置半導(dǎo)體激光器，而基于硅基光電子集成技術(shù)的調(diào)制器和接收器則分布在車輛各處的Gateway設(shè)備中。

9 H5 ?2 F* V+ b+ \圖1：該圖展示了SiPhON系統(tǒng)的配置，顯示了中央ECU、Gateway設(shè)備以及之間的通信路徑。

3 H% H" t2 f( z( |4 zSiPhON架構(gòu)由兩個(gè)主要組件組成：

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（D-plane）：這個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸容量超過50 Gb/s，潛在可超過100 Gb/s。

控制信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)（C-plane）：該網(wǎng)絡(luò)處理控制信號(hào)和協(xié)議，用于錯(cuò)誤糾正和鏈路建立。
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" ^# D7 M) S# M$ E5 T5 W' RSiPhON的主要優(yōu)勢(shì)是高可靠性。系統(tǒng)通過復(fù)制傳輸路徑和光源實(shí)現(xiàn)冗余，在100 Gb/s容量下平均故障時(shí)間（MTTF）超過50年。
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概念驗(yàn)證演示
3 d1 ~/ R5 J0 X# ~6 C) Y- O為展示SiPhON的能力，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)模擬車載網(wǎng)絡(luò)的概念驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功演示了來自多個(gè)源的高帶寬數(shù)據(jù)的低延遲、無錯(cuò)誤傳輸。

圖2：該圖顯示了概念驗(yàn)證系統(tǒng)的布局，包括主設(shè)備、Gateway設(shè)備以及各種傳感器和攝像頭。
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演示包括：

同時(shí)傳輸兩個(gè)4K攝像頭的視頻信號(hào)，每個(gè)10 Gb/s

來自周邊監(jiān)控雷達(dá)和激光雷達(dá)的低速數(shù)據(jù)傳輸

使用傳輸?shù)臄z像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)物體和交通標(biāo)志識(shí)別
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1 }# c+ ?1 m. {- a# C+ o) G5 L這次成功的演示證明SiPhON能夠處理先進(jìn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)所需的各種數(shù)據(jù)流。

. L: B2 ]/ d0 p7 }3 C* cSiPhON的關(guān)鍵組件
SiPhON系統(tǒng)依賴幾個(gè)創(chuàng)新組件實(shí)現(xiàn)其出色性能：
1. 硅基光電子器件

- C& v; ^0 D2 J圖3：該復(fù)合圖展示了SiPhON使用的硅基光電子器件的各種組件，包括光線路、模塊和波形。
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; V3 [3 w5 ~& \2 U* K( b' ]硅基光電子器件是SiPhON高速能力的核心。這些組件包括：

MZI（馬赫-曾德干涉儀）調(diào)制器用于高速數(shù)據(jù)編碼

鍺PIN光電探測(cè)器用于光信號(hào)接收

用于信號(hào)放大和處理的集成線路
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+ k; @' J0 n7 \2. 光纖和電力線復(fù)合線束

! w# }; _/ O, X3 P$ a: @3 h圖4：該圖顯示了FASPULS（靈活汽車信號(hào)和電力統(tǒng)一線系統(tǒng)）復(fù)合線束，結(jié)合了光纖和電力線。

1 O% ?: q1 o7 [6 YFASPULS線束是關(guān)鍵創(chuàng)新，簡化了車內(nèi)布線同時(shí)支持高速通信。
2 U; P0 Y. |9 N7 B  Y  E9 `, l4 c主要特點(diǎn)包括：
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集成單模光纖和電力線

低連接損耗（1550 nm波長下最大0.4 dB）

高電流容量（每根線50A）

寬工作溫度范圍（-40°C至105°C）

SiPhON的優(yōu)勢(shì)
SiPhON系統(tǒng)為自動(dòng)駕駛車輛開發(fā)提供了幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

高速數(shù)據(jù)傳輸：容量超過50 Gb/s（潛在可達(dá)100 Gb/s），SiPhON可處理先進(jìn)自動(dòng)駕駛所需的海量數(shù)據(jù)流。

低延遲：光網(wǎng)絡(luò)確保快速數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的實(shí)時(shí)決策至關(guān)重要。

高可靠性：冗余設(shè)計(jì)和硅基光電子技術(shù)的使用使系統(tǒng)異�？煽�，MTTF超過50年。

可擴(kuò)展性：以太網(wǎng)兼容接口允許靈活的流量控制和ECU間傳輸容量的簡單擴(kuò)展。

簡化布線：FASPULS復(fù)合線束減少了車輛布線復(fù)雜性，同時(shí)支持高速通信。
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未來展望
SiPhON的演示標(biāo)志著自動(dòng)駕駛車輛技術(shù)開發(fā)的重要里程碑。隨著研究繼續(xù)，我們期待看到更快、更可靠、高度可擴(kuò)展的系統(tǒng)出現(xiàn)。

. F9 j  O* s3 G. hSiPhON背后的技術(shù)有潛力加速自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和互聯(lián)服務(wù)的發(fā)展。通過提供強(qiáng)大的高速通信骨干，SiPhON可能實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的駕駛輔助功能，提高車輛安全性，為全自動(dòng)駕駛車輛奠定基礎(chǔ)。

3 @, `$ C$ j, y0 V3 s' K參考文獻(xiàn)
0 s: W; A- ]0 \  ~4 i; u6 e[1] H. Tsuda et al., "Demonstration of a Highly Reliable Si-Photonics-Based In-Vehicle Optical Network (SiPhON) for Autonomous Driving," in 50th European Conference on Optical Communications (ECOC2024), Frankfurt, Germany, Sept. 22-26, 2024, Paper W2A.117.
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