簡(jiǎn)介
對于網(wǎng)絡(luò )工程師來(lái)說(shuō)，將以太網(wǎng)集成到自動(dòng)駕駛應用的未來(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中是一項復雜的任務(wù)。這種復雜性是由于未來(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )生態(tài)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(shí)間和 Safety 至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò )受到嚴格的實(shí)時(shí)限制。這就是為什么選擇以太網(wǎng)物理層來(lái)處理現代車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中的大量 ECU。
因為在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )內部處理數據流時(shí)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）的規范適用于時(shí)間和 Safety 至關(guān)重要的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )，術(shù)語(yǔ)為 AVB/TSN。
AVB/TSN 的目標可分為以下4個(gè)主要目標。
AVB/TSN 技術(shù)解決方案
1 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(zhuān)業(yè)音頻行業(yè)的實(shí)時(shí)音視頻應用指定的解決方案。該技術(shù)在保證該領(lǐng)域服務(wù)質(zhì)量方面的卓越表現激發(fā)了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和汽車(chē)領(lǐng)域的好奇心。
AVB 最初預計用于汽車(chē)多媒體應用，其性能促使網(wǎng)絡(luò )工程師考慮將其用于其他應用，如環(huán)視攝像系統以及自動(dòng)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(guò)對 AVB通信協(xié)議的粗略概述來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。
對時(shí)間要求嚴格的車(chē)輛（如自動(dòng)駕駛車(chē)輛）需要一個(gè)共同的時(shí)間基準來(lái)保證安全。AVB IEEE802.1AS 時(shí)間同步協(xié)議由實(shí)現該性能的機制組成。它主要基于具有時(shí)間基準的主ECU，并將其分配給配置為時(shí)間從站的其他ECU，以便它們能夠糾正其時(shí)間偏差（參見(jiàn)下圖）。
IEEE802.1Qat 通信協(xié)議基于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)帶寬預留，以確保資源不會(huì )被過(guò)度占用。然而，只要數據流仍在車(chē)內，帶寬預留就會(huì )在車(chē)內靜態(tài)執行。
然而，這可能不足以避免 ECU 中的緩沖區溢出和低優(yōu)先級幀的可接受端到端延遲時(shí)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(lèi)數據包的最大端到端延遲時(shí)間為2毫秒，B 類(lèi)數據包的最大端到端延遲時(shí)間為 50 毫秒。
這使得關(guān)鍵時(shí)間數據流的處理具有確定性?；谛庞玫?shaper 算法減少了容易溢出整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據流量突發(fā)。如下圖所示，可以通過(guò)連續傳輸幀之間的時(shí)間間隔感知突發(fā)流量的減少。
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。
2 TSN 技術(shù)解決方案
術(shù)語(yǔ) 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(shù)一部分的每個(gè)通信協(xié)議的特殊性。
其中一個(gè)協(xié)議是 IEEE802.1AS-rev 時(shí)間同步標準，其目標是改進(jìn) AVB IEEE802.1AS 標準。為什么？因為 AVB IEEE802.1AS 時(shí)間同步解決方案并不適合所有的汽車(chē)需求。TSN IEEE802.1AS-rev 時(shí)間同步通信協(xié)議的改進(jìn)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(shí)間基準，從而不僅能夠建立故障安全的自動(dòng)駕駛車(chē)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(chē)輛的自動(dòng)化水平。這意味著(zhù)，如果 AVB IEEE802.1AS 更適合車(chē)輛自動(dòng)化級別為 3 的情況，那么對于自動(dòng)化級別為 4 和 5 的自動(dòng)駕駛車(chē)輛來(lái)說(shuō)，它的性能似乎不夠好，而 TSN IEEE802.1AS-rev 更適合這些車(chē)輛。
但另一方面，TSN IEEE802.1AS-rev 可能過(guò)于復雜和昂貴，不適合自動(dòng)化級別為 3 的車(chē)輛，而 AVB IEEE802.1AS 可能更適合這種車(chē)輛。
IEEE802.1AS-rev 時(shí)間同步標準基于在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中使用 2 大 Master 同步時(shí)間 Slave。如下圖所示，當 Master 發(fā)生故障時(shí)，第二個(gè)故障后備 Master 將取代時(shí)間Master 的角色。
此外，在復雜的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中可能需要不止一個(gè)時(shí)基；例如，一個(gè)時(shí)基用于車(chē)載實(shí)時(shí)控制回路，另一個(gè)時(shí)基用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中相關(guān)設備對一天中時(shí)間的共同理解。每個(gè) Base 都需要一個(gè)時(shí)間 Master。
一個(gè)時(shí)間 Master 可用于兩個(gè)時(shí)間 Base，兩個(gè)不同的時(shí)間 Master 可用于兩個(gè)時(shí)間 Base。這兩種配置可通過(guò) TSN IEEE802.1AS-rev 通信協(xié)議實(shí)現，但不能有效地通過(guò) AVB IEEE802.1AS 協(xié)議實(shí)現。
關(guān)于關(guān)鍵自動(dòng)駕駛車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中的確定性和可預測性要求，AVB IEEE802.1Qat 和IEEE802.1Qav 標準有助于實(shí)現邏輯確定性，并在一定程度上有助于實(shí)現時(shí)間確定性，因為它們有助于了解數據流在車(chē)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(wú)法保護關(guān)鍵數據流免受非關(guān)鍵數據流造成的不可預測的高傳輸抖動(dòng)的影響。為了克服這一問(wèn)題，下圖所示的 TSN AVB IEEE802.1Qbv 具有在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中提供更好的確定性和可預測性性能的優(yōu)點(diǎn)。
這意味著(zhù)，使用 TSN IEEE802.1Qbv 通信協(xié)議傳輸的以太網(wǎng)數據包從發(fā)送設備到接收設備的傳輸延遲時(shí)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測性車(chē)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(chē)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(chē)應用。答案肯定是否定的。
轉自汽車(chē)電子與軟件
