簡(jiǎn)介

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程師來(lái)說(shuō)，將以太網(wǎng)集成到自動(dòng)駕駛應(yīng)用的未來(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。這種復(fù)雜性是由于未來(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)中通信設(shè)備和分布式功能的數(shù)量不斷增加導(dǎo)致的。

對(duì)時(shí)間和 Safety 至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)格的實(shí)時(shí)限制。這就是為什么選擇以太網(wǎng)物理層來(lái)處理現(xiàn)代車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中的大量 ECU。

因?yàn)樵谲?chē)載網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部處理數(shù)據(jù)流時(shí)必須保證服務(wù)質(zhì)量，所以音頻/視頻橋接（AVB）及其增強(qiáng)版時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的規(guī)范適用于時(shí)間和 Safety 至關(guān)重要的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，術(shù)語(yǔ)為 AVB/TSN。

AVB/TSN 的目標(biāo)可分為以下4個(gè)主要目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)這 4 個(gè)目標(biāo)，AVB/TSN 提出了一套技術(shù)解決方案，需要在集成到車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的 ECU 中仔細(xì)實(shí)施和配置。該工具集概述如下：

本文的主要目的是介紹 TSN 技術(shù)的相關(guān)技術(shù)解決方案。

AVB/TSN 技術(shù)解決方案

AVB 技術(shù)解決方案

TSN 最初作為音視頻橋接（AVB）起步，是 IEEE 為專(zhuān)業(yè)音頻行業(yè)的實(shí)時(shí)音視頻應(yīng)用指定的解決方案。該技術(shù)在保證該領(lǐng)域服務(wù)質(zhì)量方面的卓越表現(xiàn)激發(fā)了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和汽車(chē)領(lǐng)域的好奇心。

AVB 最初預(yù)計(jì)用于汽車(chē)多媒體應(yīng)用，其性能促使網(wǎng)絡(luò)工程師考慮將其用于其他應(yīng)用，如環(huán)視攝像系統(tǒng)以及自動(dòng)駕駛中的雷達(dá)、攝像頭和激光雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)融合。

因此，什么是 AVB ？AVB 解決方案能夠提供哪些 QoS？本節(jié)的目的是通過(guò)對(duì) AVB通信協(xié)議的粗略概述來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。

對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的車(chē)輛（如自動(dòng)駕駛車(chē)輛）需要一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)保證安全。AVB IEEE802.1AS 時(shí)間同步協(xié)議由實(shí)現(xiàn)該性能的機(jī)制組成。它主要基于具有時(shí)間基準(zhǔn)的主ECU，并將其分配給配置為時(shí)間從站的其他ECU，以便它們能夠糾正其時(shí)間偏差（參見(jiàn)下圖）。

此外，IEEE 還有 AVB IEEE802.1Qav 和 IEEE802.1Qat 通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)確定性的音視頻網(wǎng)絡(luò)。它是否適用于汽車(chē)應(yīng)用，特別是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的自動(dòng)駕駛應(yīng)用。當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)被警察攔下時(shí)，實(shí)時(shí)音頻/視頻流是 AVB 通信協(xié)議的一個(gè)有趣應(yīng)用。

IEEE802.1Qat 通信協(xié)議基于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)帶寬預(yù)留，以確保資源不會(huì)被過(guò)度占用。然而，只要數(shù)據(jù)流仍在車(chē)內(nèi)，帶寬預(yù)留就會(huì)在車(chē)內(nèi)靜態(tài)執(zhí)行。

然而，這可能不足以避免 ECU 中的緩沖區(qū)溢出和低優(yōu)先級(jí)幀的可接受端到端延遲時(shí)間。這就是采用基于 IEEE802.1Qav 信用的流量整形算法的原因。

下圖是一種典型的流量整形器，可保證 A 類(lèi)數(shù)據(jù)包的最大端到端延遲時(shí)間為2毫秒，B 類(lèi)數(shù)據(jù)包的最大端到端延遲時(shí)間為 50 毫秒。

這使得關(guān)鍵時(shí)間數(shù)據(jù)流的處理具有確定性。基于信用的 shaper 算法減少了容易溢出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量突發(fā)。如下圖所示，可以通過(guò)連續(xù)傳輸幀之間的時(shí)間間隔感知突發(fā)流量的減少。

此外，AVB 通過(guò)使用 IEEE 1722a 和 IEEE 1722.1 OSI 第2層傳輸協(xié)議提出了一種特殊的數(shù)據(jù)包格式。

IEEE 1722a 用于將音頻和視頻格式集成到以太網(wǎng)幀中，如下圖所示。

作為處理音頻和視頻數(shù)據(jù)流的一部分，音頻設(shè)備中應(yīng)包含接收設(shè)備播放每幀的時(shí)間點(diǎn)信息。該時(shí)間點(diǎn)稱(chēng)為呈現(xiàn)時(shí)間。下圖顯示了呈現(xiàn)時(shí)間的特征。

此外，IEEE1722a 通信協(xié)議提供了一種幀格式，可將 CAN、FlexRay、LIN 和MOST 幀封裝到以太網(wǎng)幀中。這對(duì)于以太網(wǎng)和傳統(tǒng)汽車(chē)通信技術(shù)之間的網(wǎng)關(guān)功能是非常有用的（參見(jiàn)下圖）。

通過(guò) IEEE1722.1 傳輸協(xié)議對(duì)處理音頻/視頻流數(shù)據(jù)流的 ECU 進(jìn)行命令、控制和連接管理。通過(guò) IEEE1722.1 進(jìn)行連接管理的示例如下：

此外，為了保持 AVB 所保證的服務(wù)質(zhì)量，必須為此設(shè)定條件。當(dāng)發(fā)送和接收 ECU 處理 AVB 幀時(shí)，傳輸路徑上的所有 ECU 都必須具備 AVB 功能。下面是一個(gè)示例。

TSN 技術(shù)解決方案

術(shù)語(yǔ) TSN 被定義為一套解決方案，旨在增強(qiáng)和擴(kuò)展 AVB 的性能，使其適用于非音頻視頻應(yīng)用，并具有更嚴(yán)格的確定性和可靠性要求。本節(jié)將解釋作為 TSN 技術(shù)一部分的每個(gè)通信協(xié)議的特殊性。

其中一個(gè)協(xié)議是 IEEE802.1AS-rev 時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是改進(jìn) AVB IEEE802.1AS 標(biāo)準(zhǔn)。

為什么？因?yàn)?AVB IEEE802.1AS 時(shí)間同步解決方案并不適合所有的汽車(chē)需求。TSN IEEE802.1AS-rev 時(shí)間同步通信協(xié)議的改進(jìn)之處在于，即使在發(fā)生故障的情況下，也能提供更好的通用時(shí)間基準(zhǔn)，從而不僅能夠建立故障安全的自動(dòng)駕駛車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，還能建立故障運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。

IEEE802.1AS 通信協(xié)議的性能取決于相關(guān)車(chē)輛的自動(dòng)化水平。這意味著，如果 AVB IEEE802.1AS 更適合車(chē)輛自動(dòng)化級(jí)別為 3 的情況，那么對(duì)于自動(dòng)化級(jí)別為 4 和 5 的自動(dòng)駕駛車(chē)輛來(lái)說(shuō)，它的性能似乎不夠好，而 TSN IEEE802.1AS-rev 更適合這些車(chē)輛。

但另一方面，TSN IEEE802.1AS-rev 可能過(guò)于復(fù)雜和昂貴，不適合自動(dòng)化級(jí)別為 3 的車(chē)輛，而 AVB IEEE802.1AS 可能更適合這種車(chē)輛。

IEEE802.1AS-rev 時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)基于在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中使用 2 大 Master 同步時(shí)間 Slave。如下圖所示，當(dāng) Master 發(fā)生故障時(shí)，第二個(gè)故障后備 Master 將取代時(shí)間Master 的角色。

此外，在復(fù)雜的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中可能需要不止一個(gè)時(shí)基；例如，一個(gè)時(shí)基用于車(chē)載實(shí)時(shí)控制回路，另一個(gè)時(shí)基用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)設(shè)備對(duì)一天中時(shí)間的共同理解。每個(gè) Base 都需要一個(gè)時(shí)間 Master。

一個(gè)時(shí)間 Master 可用于兩個(gè)時(shí)間 Base，兩個(gè)不同的時(shí)間 Master 可用于兩個(gè)時(shí)間 Base。這兩種配置可通過(guò) TSN IEEE802.1AS-rev 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，但不能有效地通過(guò) AVB IEEE802.1AS 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于關(guān)鍵自動(dòng)駕駛車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中的確定性和可預(yù)測(cè)性要求，AVB IEEE802.1Qat 和IEEE802.1Qav 標(biāo)準(zhǔn)有助于實(shí)現(xiàn)邏輯確定性，并在一定程度上有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)間確定性，因?yàn)樗鼈冇兄诹私鈹?shù)據(jù)流在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中的路徑上可能經(jīng)歷的最佳和最壞情況下的傳輸延遲。

然而，它們無(wú)法保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流免受非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流造成的不可預(yù)測(cè)的高傳輸抖動(dòng)的影響。為了克服這一問(wèn)題，下圖所示的 TSN AVB IEEE802.1Qbv 具有在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中提供更好的確定性和可預(yù)測(cè)性性能的優(yōu)點(diǎn)。

這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包的傳輸和到達(dá)時(shí)間點(diǎn)是通過(guò) TSN IEEE802.1Qbv 預(yù)先安排和已知的，因此可保證相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊阎舆t時(shí)間和極低的抖動(dòng)時(shí)間。

這意味著，使用 TSN IEEE802.1Qbv 通信協(xié)議傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備的傳輸延遲時(shí)間通常相同，而使用 AVB IEEE802.1Qav 通信協(xié)議的情況則絕對(duì)不同。

因此，與 AVB TSN IEEE802.1Qav 相比，TSN IEEE802.1Qbv 解決方案能夠提供更好的可預(yù)測(cè)性車(chē)輛系統(tǒng)。這就是其規(guī)格的原因。

然而，這種解決方案也有一些副作用。TSN IEEE802.1Qbv 的主要副作用是配置工作量大得驚人，這讓車(chē)載網(wǎng)絡(luò)工程師懷疑該通信協(xié)議提供的高確定性是否真的適用于所有汽車(chē)應(yīng)用。答案肯定是否定的。

審核編輯：湯梓紅