連載一：車載以太網(wǎng)時間敏感性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和實現(xiàn)難點

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

隨著汽車電動化、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、主動避撞等系統(tǒng)越來越普遍。這些系統(tǒng)在應(yīng)用時對車載網(wǎng)絡(luò)的實時性、帶寬和可靠性提出了更高的要求。同時，針對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)勢的同時，克服傳輸不確定性的缺點，并且其點對點的工作方式使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更加靈活，可以通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足各個子網(wǎng)實時性、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時流媒體服務(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)的實時音視頻傳輸技術(shù)得以走向市場。AVB組制定的以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio/Video Bridging，以下簡稱AVB）是一項新的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)的實時音視頻性能，同時又保持了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)音視頻實時傳輸技術(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“時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，簡稱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)的功能以實現(xiàn)超低時延的控制網(wǎng)絡(luò)。雖然AVB和TSN這兩個詞通?？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。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）不是單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由一個系列標(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)為適用于車載場景。前四項標(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、啟動時間要求、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)計需要被進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

常用TSN協(xié)議的應(yīng)用場景

在汽車領(lǐng)域，TSN可以應(yīng)用于以下場景：

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)的實時傳遞和同步，在車內(nèi)提供更好的娛樂體驗。具體場景如圖所示，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€后座的娛樂屏，要求在兩個屏上同步播放同一個視頻內(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)時鐘同步，所以需要用到802.1AS-Rev，802.1CB，802.1Qci，802.1Qbv等協(xié)議。

高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）：TSN可用于實現(xiàn)ADAS系統(tǒng)中不同模塊之間的實時數(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 實時同步傳輸?shù)街醒胗嬎闫脚_。對于安全相關(guān)的多媒體數(shù)據(jù)流；傳輸周期小于 10ms；傳輸時延小于 1ms；不允許有數(shù)據(jù)丟失的情況。所以會用到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。算力共享是一個典型的場景，例如區(qū)域控制器使用中央計算平臺的算力實現(xiàn)車輛控制的計算。在此場景中涉及到不同帶寬和不同實時性要求的流量傳輸。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，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)議的實現(xiàn)難點

TSN協(xié)議車載應(yīng)用的實現(xiàn)難點如下：

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

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

3. 缺乏針對車載的TSN協(xié)議相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，且行業(yè)沒有系統(tǒng)級的TSN網(wǎng)絡(luò)測試方案。

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

在協(xié)議層面的實現(xiàn)難點如下：

1. 針對IEEE 802.1Qbv的時間窗口設(shè)計與對齊：需要同時考慮各個流量的優(yōu)先級、帶寬需求、時序要求和鏈路傳輸延時等因素綜合設(shè)計。

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

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

4. 針對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)計監(jiān)控和過濾參數(shù)使通信網(wǎng)絡(luò)對可預(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

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

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

視頻流由兩個樹莓派節(jié)點生成并傳輸至N2和N3，并最終根據(jù)設(shè)計的路徑到達(dá)PC，并在上位機(jī)上顯示。音頻文件存儲在上位機(jī)中，由上位機(jī)發(fā)往N4音頻節(jié)點，通過音頻模塊和音響實現(xiàn)播放。控制報文以以太網(wǎng)的格式從上位機(jī)發(fā)出，到達(dá)N2節(jié)點后轉(zhuǎn)換成CAN報文，并發(fā)送給車模節(jié)點，實現(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)點的時間同步。其中N2的TC377為全局的主時鐘節(jié)點，其他節(jié)點交換機(jī)和控制器均以該節(jié)點時間為參考進(jìn)行時間同步。同時通過上位機(jī)可以動態(tài)的對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系列實現(xiàn)的端節(jié)點分時調(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時端到端延時散點圖，端和橋中應(yīng)用TSN協(xié)議后的實際效果和性能可以被清晰直觀的反應(yīng)。

整個系統(tǒng)實物如圖所示：

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的時間敏感性網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)如何解決上述難點。

敬請期待……

審核編輯 黃宇