簡介

對于網絡工程師來說，將以太網集成到自動駕駛應用的未來車載網絡中是一項復雜的任務。這種復雜性是由于未來車載網絡生態系統中通信設備和分布式功能的數量不斷增加導致的。

對時間和 Safety 至關重要的網絡受到嚴格的實時限制。這就是為什么選擇以太網物理層來處理現代車載網絡中的大量 ECU。

因為在車載網絡內部處理數據流時必須保證服務質量，所以音頻/視頻橋接（AVB）及其增強版時間敏感網絡（TSN）的規范適用于時間和 Safety 至關重要的車載網絡，術語為 AVB/TSN。

AVB/TSN 的目標可分為以下4個主要目標。

為了實現這 4 個目標，AVB/TSN 提出了一套技術解決方案，需要在集成到車載網絡的 ECU 中仔細實施和配置。該工具集概述如下：

本文的主要目的是介紹 TSN 技術的相關技術解決方案。

AVB/TSN 技術解決方案

AVB 技術解決方案

TSN 最初作為音視頻橋接（AVB）起步，是 IEEE 為專業音頻行業的實時音視頻應用指定的解決方案。該技術在保證該領域服務質量方面的卓越表現激發了工業自動化領域和汽車領域的好奇心。

AVB 最初預計用于汽車多媒體應用，其性能促使網絡工程師考慮將其用于其他應用，如環視攝像系統以及自動駕駛中的雷達、攝像頭和激光雷達傳感器數據融合。

因此，什么是 AVB ？AVB 解決方案能夠提供哪些 QoS？本節的目的是通過對 AVB通信協議的粗略概述來回答這個問題。

對時間要求嚴格的車輛（如自動駕駛車輛）需要一個共同的時間基準來保證安全。AVB IEEE802.1AS 時間同步協議由實現該性能的機制組成。它主要基于具有時間基準的主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 通信協議，以實現確定性的音視頻網絡。它是否適用于汽車應用，特別是自動駕駛汽車的自動駕駛應用。當自動駕駛汽車被警察攔下時，實時音頻/視頻流是 AVB 通信協議的一個有趣應用。

IEEE802.1Qat 通信協議基于車載網絡的動態帶寬預留，以確保資源不會被過度占用。然而，只要數據流仍在車內，帶寬預留就會在車內靜態執行。

然而，這可能不足以避免 ECU 中的緩沖區溢出和低優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 類數據包的最大端到端延遲時間為2毫秒，B 類數據包的最大端到端延遲時間為 50 毫秒。

這使得關鍵時間數據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網絡的數據流量突發。如下圖所示，可以通過連續傳輸幀之間的時間間隔感知突發流量的減少。

此外，AVB 通過使用 IEEE 1722a 和 IEEE 1722.1 OSI 第2層傳輸協議提出了一種特殊的數據包格式。

IEEE 1722a 用于將音頻和視頻格式集成到以太網幀中，如下圖所示。

作為處理音頻和視頻數據流的一部分，音頻設備中應包含接收設備播放每幀的時間點信息。該時間點稱為呈現時間。下圖顯示了呈現時間的特征。

此外，IEEE1722a 通信協議提供了一種幀格式，可將 CAN、FlexRay、LIN 和MOST 幀封裝到以太網幀中。這對于以太網和傳統汽車通信技術之間的網關功能是非常有用的（參見下圖）。

通過 IEEE1722.1 傳輸協議對處理音頻/視頻流數據流的 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 所保證的服務質量，必須為此設定條件。當發送和接收 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 技術解決方案

術語 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用，并具有更嚴格的確定性和可靠性要求。本節將解釋作為 TSN 技術一部分的每個通信協議的特殊性。

其中一個協議是 IEEE802.1AS-rev 時間同步標準，其目標是改進 AVB IEEE802.1AS 標準。

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 時間同步通信協議的改進之處在于，即使在發生故障的情況下，也能提供更好的通用時間基準，從而不僅能夠建立故障安全的自動駕駛車載網絡，還能建立故障運行的網絡。

IEEE802.1AS 通信協議的性能取決于相關車輛的自動化水平。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 時間同步標準基于在車載網絡中使用 2 大 Master 同步時間 Slave。如下圖所示，當 Master 發生故障時，第二個故障后備 Master 將取代時間Master 的角色。

此外，在復雜的車載網絡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絡中相關設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 通信協議實現，但不能有效地通過 AVB IEEE802.1AS 協議實現。

關于關鍵自動駕駛車載網絡中的確定性和可預測性要求，AVB IEEE802.1Qat 和IEEE802.1Qav 標準有助于實現邏輯確定性，并在一定程度上有助于實現時間確定性，因為它們有助于了解數據流在車載網絡中的路徑上可能經歷的最佳和最壞情況下的傳輸延遲。

然而，它們無法保護關鍵數據流免受非關鍵數據流造成的不可預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 具有在車載網絡中提供更好的確定性和可預測性性能的優點。

這是因為以太網數據包的傳輸和到達時間點是通過 TSN IEEE802.1Qbv 預先安排和已知的，因此可保證相關數據傳輸的已知延遲時間和極低的抖動時間。

這意味著，使用 TSN IEEE802.1Qbv 通信協議傳輸的以太網數據包從發送設備到接收設備的傳輸延遲時間通常相同，而使用 AVB IEEE802.1Qav 通信協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測性車輛系統。這就是其規格的原因。

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，這讓車載網絡工程師懷疑該通信協議提供的高確定性是否真的適用于所有汽車應用。答案肯定是否定的。

審核編輯：湯梓紅