AVB/TSN技術(shù)解決方案

簡介

對于網(wǎng)絡(luò)工程師來說，將以太網(wǎng)集成到自動駕駛應(yīng)用的未來車載網(wǎng)絡(luò)中是一項復(fù)雜的任務(wù)。這種復(fù)雜性是由于未來車載網(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。

對時間和 Safety 至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)格的實時限制。這就是為什么選擇以太網(wǎng)物理層來處理現(xiàn)代車載網(wǎng)絡(luò)中的大量 ECU。

因為在車載網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部處理數(shù)據(jù)流時必須保證服務(wù)質(zhì)量，所以音頻/視頻橋接（AVB）及其增強版時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的規(guī)范適用于時間和 Safety 至關(guān)重要的車載網(wǎng)絡(luò)，術(shù)語為 AVB/TSN。

AVB/TSN 的目標(biāo)可分為以下4個主要目標(biāo)。

為了實現(xiàn)這 4 個目標(biāo)，AVB/TSN 提出了一套技術(shù)解決方案，需要在集成到車載網(wǎng)絡(luò)的 ECU 中仔細(xì)實施和配置。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 為專業(yè)音頻行業(yè)的實時音視頻應(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)自動化領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域的好奇心。

AVB 最初預(yù)計用于汽車多媒體應(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)以及自動駕駛中的雷達、攝像頭和激光雷達傳感器數(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)的目的是通過對 AVB通信協(xié)議的粗略概述來回答這個問題。

對時間要求嚴(yán)格的車輛（如自動駕駛車輛）需要一個共同的時間基準(zhǔn)來保證安全。AVB IEEE802.1AS 時間同步協(xié)議由實現(xiàn)該性能的機制組成。它主要基于具有時間基準(zhǔn)的主ECU，并將其分配給配置為時間從站的其他ECU，以便它們能夠糾正其時間偏差（參見下圖）。

此外，IEEE 還有 AVB IEEE802.1Qav 和 IEEE802.1Qat 通信協(xié)議，以實現(xiàn)確定性的音視頻網(wǎng)絡(luò)。它是否適用于汽車應(yīng)用，特別是自動駕駛汽車的自動駕駛應(yīng)用。當(dāng)自動駕駛汽車被警察攔下時，實時音頻/視頻流是 AVB 通信協(xié)議的一個有趣應(yīng)用。

IEEE802.1Qat 通信協(xié)議基于車載網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)帶寬預(yù)留，以確保資源不會被過度占用。然而，只要數(shù)據(jù)流仍在車內(nèi)，帶寬預(yù)留就會在車內(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)先級幀的可接受端到端延遲時間。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 類數(shù)據(jù)包的最大端到端延遲時間為2毫秒，B 類數(shù)據(jù)包的最大端到端延遲時間為 50 毫秒。

這使得關(guān)鍵時間數(shù)據(jù)流的處理具有確定性?；谛庞玫?shaper 算法減少了容易溢出整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量突發(fā)。如下圖所示，可以通過連續(xù)傳輸幀之間的時間間隔感知突發(fā)流量的減少。

此外，AVB 通過使用 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)備播放每幀的時間點信息。該時間點稱為呈現(xiàn)時間。下圖顯示了呈現(xiàn)時間的特征。

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。這對于以太網(wǎng)和傳統(tǒng)汽車通信技術(shù)之間的網(wǎng)關(guān)功能是非常有用的（參見下圖）。

通過 IEEE1722.1 傳輸協(xié)議對處理音頻/視頻流數(shù)據(jù)流的 ECU 進行命令、控制和連接管理。通過 IEEE1722.1 進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，傳輸路徑上的所有 ECU 都必須具備 AVB 功能。下面是一個示例。

TSN 技術(shù)解決方案

術(shù)語 TSN 被定義為一套解決方案，旨在增強和擴展 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)一部分的每個通信協(xié)議的特殊性。

其中一個協(xié)議是 IEEE802.1AS-rev 時間同步標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是改進 AVB IEEE802.1AS 標(biāo)準(zhǔn)。

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

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

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

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

此外，在復(fù)雜的車載網(wǎng)絡(luò)中可能需要不止一個時基；例如，一個時基用于車載實時控制回路，另一個時基用于車載網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)設(shè)備對一天中時間的共同理解。每個 Base 都需要一個時間 Master。

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

關(guān)于關(guān)鍵自動駕駛車載網(wǎng)絡(luò)中的確定性和可預(yù)測性要求，AVB IEEE802.1Qat 和IEEE802.1Qav 標(biāo)準(zhǔn)有助于實現(xiàn)邏輯確定性，并在一定程度上有助于實現(xiàn)時間確定性，因為它們有助于了解數(shù)據(jù)流在車載網(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，它們無法保護關(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)測的高傳輸抖動的影響。為了克服這一問題，下圖所示的 TSN AVB IEEE802.1Qbv 具有在車載網(wǎng)絡(luò)中提供更好的確定性和可預(yù)測性性能的優(yōu)點。

這是因為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的傳輸和到達時間點是通過 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時間和極低的抖動時間。

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)備的傳輸延遲時間通常相同，而使用 AVB IEEE802.1Qav 通信協(xié)議的情況則絕對不同。

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)測性車輛系統(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應(yīng)用。答案肯定是否定的。

審核編輯：湯梓紅