【導讀】隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，車(chē)內電子系統規模和復雜性日益增強，智能化系統如車(chē)道偏離警告、主動(dòng)避撞等系統越來(lái)越普遍。這些系統在應用時(shí)對車(chē)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)，針對未來(lái)智能汽車(chē)電子電氣架構，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )也需要新型的通信技術(shù)支持。
車(chē)載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢，常用TSN協(xié)議種類(lèi)和現狀
隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，車(chē)內電子系統規模和復雜性日益增強，智能化系統如車(chē)道偏離警告、主動(dòng)避撞等系統越來(lái)越普遍。這些系統在應用時(shí)對車(chē)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)，針對未來(lái)智能汽車(chē)電子電氣架構，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )也需要新型的通信技術(shù)支持。
與傳統車(chē)載網(wǎng)絡(luò )相比，車(chē)載以太網(wǎng)可以達到百兆千兆甚至更好的傳輸速度，能夠支持高數據帶寬和高通信速率，非常適合汽車(chē)中的ADAS、車(chē)載娛樂(lè )等系統，并逐漸成為汽車(chē)主干網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)以太網(wǎng)通信協(xié)議的發(fā)展，它可以在保留傳統以太網(wǎng)優(yōu)勢的同時(shí)，克服傳輸不確定性的缺點(diǎn)，并且其點(diǎn)對點(diǎn)的工作方式使得網(wǎng)絡(luò )規劃更加靈活，可以通過(guò)不同的拓撲結構滿(mǎn)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(chēng)AVB）是一項新的IEEE 802標準，其在傳統以太網(wǎng)的基礎上，通過(guò)保障帶寬、限制延遲和精準時(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 )多媒體應用。AVB關(guān)注于增強傳統以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)音視頻性能，同時(shí)又保持了100%向后兼容傳統以太網(wǎng)，是極具發(fā)展潛力的下一代網(wǎng)絡(luò )音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。
為了更準確地反映AVB的持續發(fā)展，IEEE AVB任務(wù)組名稱(chēng)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(chēng)TSN）小組”。TSN任務(wù)組基于最初的AVB標準架構，并致力于開(kāi)發(fā)更強的功能以實(shí)現超低時(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，以支持更多的應用領(lǐng)域。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）不是單一的標準，而是由一個(gè)系列標準組成。
下表是一系列TSN協(xié)議標準，然而并不是所有的協(xié)議都適用于車(chē)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被認為適用于車(chē)載場(chǎng)景。前四項標準是其中最常用，也最可能成為第一批應用于車(chē)載的TSN協(xié)議。這些協(xié)議可以保證車(chē)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(chē)這一典型的物理信息系統中，系統通信網(wǎng)絡(luò )的復雜性、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準協(xié)議及其參數設計需要被進(jìn)一步研究和優(yōu)化。
常用TSN協(xié)議的應用場(chǎng)景
在汽車(chē)領(lǐng)域，TSN可以應用于以下場(chǎng)景：
車(chē)載信息娛樂(lè )系統：TSN可用于傳輸車(chē)載娛樂(lè )系統中的音頻、視頻等多媒體數據，確保數據的實(shí)時(shí)傳遞和同步，在車(chē)內提供更好的娛樂(lè )體驗。具體場(chǎng)景如圖所示，高清地圖和定位信息通過(guò) T-BOX 經(jīng)過(guò)中央網(wǎng)關(guān)傳遞給車(chē)機 HUT 和儀表；HUT 車(chē)機上的多媒體視頻流通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸到兩個(gè)后座的娛樂(lè )屏，要求在兩個(gè)屏上同步播放同一個(gè)視頻內容。由于數據要求帶寬大，要求快速冗余切換和精準時(shí)鐘同步，所以需要用到802.1AS-Rev，802.1CB，802.1Qci，802.1Qbv等協(xié)議。
高級駕駛輔助系統（ADAS）：TSN可用于實(shí)現ADAS系統中不同模塊之間的實(shí)時(shí)數據交換，例如傳感器數據的傳輸、決策和控制命令的傳遞。確保這些數據的時(shí)間同步和確定性傳輸，保證傳感器融合或決策規劃算法正常工作。雷達、激光雷達、超聲波、攝像頭等環(huán)境感知傳感器數據融合，對數據傳輸帶寬要求很大，傳感器數據融合尤其是采用后端數據融合的解決方案，要求來(lái)自不同傳感器的數據可以 實(shí)時(shí)同步傳輸到中央計算平臺。對于安全相關(guān)的多媒體數據流；傳輸周期小于 10ms；傳輸時(shí)延小于 1ms；不允許有數據丟失的情況。所以會(huì )用到802.1AS-Rev，802.1Qbv，802.1Qbu。
智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)跨域通信：在新型汽車(chē)電子電氣架構背景下，車(chē)載以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡(luò )連接各區域控制器如圖所示。算力共享是一個(gè)典型的場(chǎng)景，例如區域控制器使用中央計算平臺的算力實(shí)現車(chē)輛控制的計算。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(mǎn)足不同類(lèi)型流量的通信需求，為了實(shí)現骨干網(wǎng)絡(luò )中通信能力的最優(yōu)分配，達到低延時(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(zhù)自動(dòng)駕駛和智能交通技術(shù)的發(fā)展，TSN在汽車(chē)領(lǐng)域的應用還將繼續擴展。
常用TSN協(xié)議的實(shí)現難點(diǎn)
TSN協(xié)議車(chē)載應用的實(shí)現難點(diǎn)如下：
1. 缺乏成熟的協(xié)議功能性能仿真平臺，現有的如OMNet++，RTaW和TSN System在功能和車(chē)載場(chǎng)景適配上都有局限，無(wú)法真實(shí)模擬車(chē)載場(chǎng)景進(jìn)行仿真。
2. 車(chē)載以太網(wǎng)交換機和端節點(diǎn)芯片對協(xié)議的支持和開(kāi)放程度有限。
3. 缺乏針對車(chē)載的TSN協(xié)議相關(guān)測試標準，且行業(yè)沒(méi)有系統級的TSN網(wǎng)絡(luò )測試方案。
4. TSN協(xié)議復雜度高，在復雜的網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景下參數設計困難，和不同交換機的配置方法各不相同，需要自動(dòng)化的設計和配置方法來(lái)降低技術(shù)實(shí)現的難度和所需成本。
在協(xié)議層面的實(shí)現難點(diǎn)如下：
1. 針對IEEE 802.1Qbv的時(shí)間窗口設計與對齊：需要同時(shí)考慮各個(gè)流量的優(yōu)先級、帶寬需求、時(shí)序要求和鏈路傳輸延時(shí)等因素綜合設計。
2. 針對IEEE 802.1CB冗余路徑選擇和冗余幀的處理：報文的復制會(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衡。設計冗余路徑時(shí)需要考慮冗余路徑之間的跳數差不能過(guò)大，否則可能會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )中發(fā)生故障或者鏈路斷裂時(shí)出現報文突發(fā)或亂序的情況。
3. 針對 IEEE 802.1AS同步啟動(dòng)時(shí)間和冗余同步方案：系統在啟動(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)保證同步精度的穩定是在車(chē)載應用時(shí)的難點(diǎn)。
4. 針對IEEE 802.1Qci監控和過(guò)濾參數的配置：在復雜的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中，正確設計監控和過(guò)濾參數使通信網(wǎng)絡(luò )對可預見(jiàn)和不可預見(jiàn)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(shí)現難點(diǎn)，同濟大學(xué)開(kāi)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。
系統的整體結構如圖所示，由一個(gè)主控節點(diǎn)N1，兩個(gè)視頻轉發(fā)節點(diǎn)N2和N3，一個(gè)音頻節點(diǎn)N4以及兩個(gè)帶攝像頭的樹(shù)莓派節點(diǎn)組成。其中N2節點(diǎn)同時(shí)還是車(chē)模的控制節點(diǎn)。N1-N4每個(gè)節點(diǎn)都包含以太網(wǎng)交換機和主控MCU TC3x7。四節點(diǎn)組成的主干網(wǎng)絡(luò )通過(guò)1000BASE-T1連接形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò )。
視頻流由兩個(gè)樹(shù)莓派節點(diǎn)生成并傳輸至N2和N3，并最終根據設計的路徑到達PC，并在上位機上顯示。音頻文件存儲在上位機中，由上位機發(fā)往N4音頻節點(diǎn)，通過(guò)音頻模塊和音響實(shí)現播放?？刂茍笪囊砸蕴W(wǎng)的格式從上位機發(fā)出，到達N2節點(diǎn)后轉換成CAN報文，并發(fā)送給車(chē)模節點(diǎn)，實(shí)現車(chē)門(mén)和車(chē)燈的控制。
IEEE 802.1AS是網(wǎng)絡(luò )的基礎，用于所有節點(diǎn)的時(shí)間同步。其中N2的TC377為全局的主時(shí)鐘節點(diǎn)，其他節點(diǎn)交換機和控制器均以該節點(diǎn)時(shí)間為參考進(jìn)行時(shí)間同步。同時(shí)通過(guò)上位機可以動(dòng)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(shí)現的端節點(diǎn)分時(shí)調度機制。除此之外上位機還能控制網(wǎng)絡(luò )中干擾流量的生成，通過(guò)視頻卡頓的直觀(guān)感受和視頻流實(shí)時(shí)端到端延時(shí)散點(diǎn)圖，端和橋中應用TSN協(xié)議后的實(shí)際效果和性能可以被清晰直觀(guān)的反應。
整個(gè)系統實(shí)物如圖所示：
下一篇我們將結合IEEE 802.1AS，IEEE 802.1Qbv，IEEE 802.1CB協(xié)議標準，深入解析基于英飛凌AURIX? TC3xx的時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò )演示系統如何解決上述難點(diǎn)。
敬請期待……
本文轉載自：英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈
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