車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，常用TSN協(xié)議種類和現(xiàn)狀

隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，車內(nèi)電子系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性日益增強(qiáng)，智能化系統(tǒng)如車道偏離警告、主動(dòng)避撞等系統(tǒng)越來越普遍。這些系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、帶寬和可靠性提出了更高的要求。同時(shí)，針對(duì)未來智能汽車電子電氣架構(gòu)，車載網(wǎng)絡(luò)也需要新型的通信技術(shù)支持。

與傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)相比，車載以太網(wǎng)可以達(dá)到百兆千兆甚至更好的傳輸速度，能夠支持高數(shù)據(jù)帶寬和高通信速率，非常適合汽車中的ADAS、車載娛樂等系統(tǒng)，并逐漸成為汽車主干網(wǎng)絡(luò)。隨著以太網(wǎng)通信協(xié)議的發(fā)展，它可以在保留傳統(tǒng)以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，克服傳輸不確定性的缺點(diǎn)，并且其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的工作方式使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更加靈活，可以通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足各個(gè)子網(wǎng)實(shí)時(shí)性、冗余性和成本的需求。

為了在以太網(wǎng)上提供同步化低延遲的實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)，IEEE 802.3工作組在2005年11月成立AVB工作組，制定了一系列音視頻傳輸技術(shù)的協(xié)議，使得基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)音視頻傳輸技術(shù)得以走向市場(chǎng)。AVB組制定的以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio/Video Bridging，以下簡(jiǎn)稱AVB）是一項(xiàng)新的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)，其在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過保障帶寬、限制延遲和精準(zhǔn)時(shí)鐘同步，為網(wǎng)絡(luò)提供完美的服務(wù)質(zhì)量，以支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用。AVB關(guān)注于增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)音視頻性能，同時(shí)又保持了100%向后兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。

為了更準(zhǔn)確地反映AVB的持續(xù)發(fā)展，IEEE AVB任務(wù)組名稱在2012年11月正式更改為“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，簡(jiǎn)稱TSN）小組”。TSN任務(wù)組基于最初的AVB標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，并致力于開發(fā)更強(qiáng)的功能以實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延的控制網(wǎng)絡(luò)。雖然AVB和TSN這兩個(gè)詞通?？梢曰Q使用，但是TSN協(xié)議簇里提出了許多新的概念和功能，以支持更多的應(yīng)用領(lǐng)域。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）不是單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)組成。

下表是一系列TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，然而并不是所有的協(xié)議都適用于車載場(chǎng)景。其中IEEE 802.1 AS、IEEE 802.1 Qbv、IEEE 802.1 CB、IEEE 802.1 Qci、IEEE 802.1 Qbu、IEEE 802.1 Qch、IEEE 802.1 Qcc和IEEE 802.1 Qcr被認(rèn)為適用于車載場(chǎng)景。前四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是其中最常用，也最可能成為第一批應(yīng)用于車載的TSN協(xié)議。這些協(xié)議可以保證車載網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，確定性傳輸和可靠性。然而在汽車這一典型的物理信息系統(tǒng)中，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、啟動(dòng)時(shí)間要求、功能安全和信息安全等多方面因素都迫使這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及其參數(shù)設(shè)計(jì)需要被進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

常用TSN協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景

在汽車領(lǐng)域，TSN可以應(yīng)用于以下場(chǎng)景：

車載信息娛樂系統(tǒng)：TSN可用于傳輸車載娛樂系統(tǒng)中的音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞和同步，在車內(nèi)提供更好的娛樂體驗(yàn)。具體場(chǎng)景如圖所示，高清地圖和定位信息通過 T-BOX 經(jīng)過中央網(wǎng)關(guān)傳遞給車機(jī) HUT 和儀表；HUT 車機(jī)上的多媒體視頻流通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)絻蓚€(gè)后座的娛樂屏，要求在兩個(gè)屏上同步播放同一個(gè)視頻內(nèi)容。由于數(shù)據(jù)要求帶寬大，要求快速冗余切換和精準(zhǔn)時(shí)鐘同步，所以需要用到802.1AS-Rev，802.1CB，802.1Qci，802.1Qbv等協(xié)議。

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）：TSN可用于實(shí)現(xiàn)ADAS系統(tǒng)中不同模塊之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，例如傳感器數(shù)據(jù)的傳輸、決策和控制命令的傳遞。確保這些數(shù)據(jù)的時(shí)間同步和確定性傳輸，保證傳感器融合或決策規(guī)劃算法正常工作。雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波、攝像頭等環(huán)境感知傳感器數(shù)據(jù)融合，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求很大，傳感器數(shù)據(jù)融合尤其是采用后端數(shù)據(jù)融合的解決方案，要求來自不同傳感器的數(shù)據(jù)可以 實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)街醒胗?jì)算平臺(tái)。對(duì)于安全相關(guān)的多媒體數(shù)據(jù)流；傳輸周期小于 10ms；傳輸時(shí)延小于 1ms；不允許有數(shù)據(jù)丟失的情況。所以會(huì)用到802.1AS-Rev，802.1Qbv，802.1Qbu。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車跨域通信：在新型汽車電子電氣架構(gòu)背景下，車載以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡(luò)連接各區(qū)域控制器如圖所示。算力共享是一個(gè)典型的場(chǎng)景，例如區(qū)域控制器使用中央計(jì)算平臺(tái)的算力實(shí)現(xiàn)車輛控制的計(jì)算。在此場(chǎng)景中涉及到不同帶寬和不同實(shí)時(shí)性要求的流量傳輸。TSN能滿足不同類型流量的通信需求，為了實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)中通信能力的最優(yōu)分配，達(dá)到低延時(shí)，高可靠和確定性的傳輸，可能用到的TSN協(xié)議有802.1AS-Rev，802.1CB，802.1Qci，802.1Qbv，802.1Qbu等。

隨著自動(dòng)駕駛和智能交通技術(shù)的發(fā)展，TSN在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還將繼續(xù)擴(kuò)展。

常用TSN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

TSN協(xié)議車載應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)如下：

1. 缺乏成熟的協(xié)議功能性能仿真平臺(tái)，現(xiàn)有的如OMNet++，RTaW和TSN System在功能和車載場(chǎng)景適配上都有局限，無法真實(shí)模擬車載場(chǎng)景進(jìn)行仿真。

2. 車載以太網(wǎng)交換機(jī)和端節(jié)點(diǎn)芯片對(duì)協(xié)議的支持和開放程度有限。

3. 缺乏針對(duì)車載的TSN協(xié)議相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且行業(yè)沒有系統(tǒng)級(jí)的TSN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方案。

4. TSN協(xié)議復(fù)雜度高，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下參數(shù)設(shè)計(jì)困難，和不同交換機(jī)的配置方法各不相同，需要自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和配置方法來降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度和所需成本。

在協(xié)議層面的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)如下：

1. 針對(duì)IEEE 802.1Qbv的時(shí)間窗口設(shè)計(jì)與對(duì)齊：需要同時(shí)考慮各個(gè)流量的優(yōu)先級(jí)、帶寬需求、時(shí)序要求和鏈路傳輸延時(shí)等因素綜合設(shè)計(jì)。

2. 針對(duì)IEEE 802.1CB冗余路徑選擇和冗余幀的處理：報(bào)文的復(fù)制會(huì)占用多個(gè)路徑的帶寬資源，需要進(jìn)行可靠性和帶寬利用率之間的權(quán)衡。設(shè)計(jì)冗余路徑時(shí)需要考慮冗余路徑之間的跳數(shù)差不能過大，否則可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生故障或者鏈路斷裂時(shí)出現(xiàn)報(bào)文突發(fā)或亂序的情況。

3. 針對(duì) IEEE 802.1AS同步啟動(dòng)時(shí)間和冗余同步方案：系統(tǒng)在啟動(dòng)到同步完成的時(shí)間和同步失效后如何以最快速度切換到備用時(shí)鐘或備用冗余鏈路，同時(shí)保證同步精度的穩(wěn)定是在車載應(yīng)用時(shí)的難點(diǎn)。

4. 針對(duì)IEEE 802.1Qci監(jiān)控和過濾參數(shù)的配置：在復(fù)雜的車載網(wǎng)絡(luò)中，正確設(shè)計(jì)監(jiān)控和過濾參數(shù)使通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)可預(yù)見和不可預(yù)見的異常具備足夠的彈性是比較困難的。

基于英飛凌AURIX?的解決方案

針對(duì)上述實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，同濟(jì)大學(xué)開發(fā)了基于英飛凌AURIX? TC3xx的時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示，由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)N1，兩個(gè)視頻轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)N2和N3，一個(gè)音頻節(jié)點(diǎn)N4以及兩個(gè)帶攝像頭的樹莓派節(jié)點(diǎn)組成。其中N2節(jié)點(diǎn)同時(shí)還是車模的控制節(jié)點(diǎn)。N1-N4每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含以太網(wǎng)交換機(jī)和主控MCU TC3x7。四節(jié)點(diǎn)組成的主干網(wǎng)絡(luò)通過1000BASE-T1連接形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

視頻流由兩個(gè)樹莓派節(jié)點(diǎn)生成并傳輸至N2和N3，并最終根據(jù)設(shè)計(jì)的路徑到達(dá)PC，并在上位機(jī)上顯示。音頻文件存儲(chǔ)在上位機(jī)中，由上位機(jī)發(fā)往N4音頻節(jié)點(diǎn)，通過音頻模塊和音響實(shí)現(xiàn)播放?？刂茍?bào)文以以太網(wǎng)的格式從上位機(jī)發(fā)出，到達(dá)N2節(jié)點(diǎn)后轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文，并發(fā)送給車模節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車門和車燈的控制。

IEEE 802.1AS是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，用于所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。其中N2的TC377為全局的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)交換機(jī)和控制器均以該節(jié)點(diǎn)時(shí)間為參考進(jìn)行時(shí)間同步。同時(shí)通過上位機(jī)可以動(dòng)態(tài)的對(duì)上述既定的音視頻流量和控制流量進(jìn)行TSN協(xié)議的配置，例如IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1CB、IEEE 802.1Qci和基于TC3系列實(shí)現(xiàn)的端節(jié)點(diǎn)分時(shí)調(diào)度機(jī)制。除此之外上位機(jī)還能控制網(wǎng)絡(luò)中干擾流量的生成，通過視頻卡頓的直觀感受和視頻流實(shí)時(shí)端到端延時(shí)散點(diǎn)圖，端和橋中應(yīng)用TSN協(xié)議后的實(shí)際效果和性能可以被清晰直觀的反應(yīng)。

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)物如圖所示：

下一篇我們將結(jié)合IEEE 802.1AS，IEEE 802.1Qbv，IEEE 802.1CB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，深入解析基于英飛凌AURIX? TC3xx的時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)如何解決上述難點(diǎn)。

敬請(qǐng)期待……

審核編輯 黃宇