簡介

      對(duì)于網絡工(gōng)程師(shī)來(lái)說(shuō)，将以太網↓≤✔集成到(dào)自(zì)動駕駛應用(yòng)的(de)未來(lái)車(chē)載π÷‌ 網絡中是(shì)一(yī)項複雜(zá)的(de)任務。這(zhè)種複雜(zá)性是(shì)☆φε€由于未來(lái)車(chē)載網絡生(shēng)态系統中通(tōng)信設備和(hé)↓<分(fēn)布式功能(néng)的(de)數(shù)量不(bù)斷增加導緻Ω≠$的(de)。
      對(duì)時(shí)間(‌∑φ•jiān)和(hé) Safety 至關重要(yào)的(de)網絡受到(dào)嚴格的(¶≈∑de)實時(shí)限制(zhì)。這(zhè)就(jiù)是(shì)為(wèi)什(s↕→hén)麽選擇以太網物(wù)理(lǐ)層來(l↑÷‌→ái)處理(lǐ)現(xiàn)代車(chē)載網絡中的(de)大(£₹₩'dà)量 ECU。
      因為(wèi)在車(chē)載網絡內(nèi∑↔)部處理(lǐ)數(shù)據流時(shí)必須保證¶β¥π服務質量，所以音(yīn)頻(pín)/視(shì)頻(pín)橋接（AVB）及其增強版時∏‍(shí)間(jiān)敏感網絡（TSN）的(d∏σΩe)規範适用(yòng)于時(shí)間(jiān)和(hé) Safety 至關重要(yào)ββ↕↓的(de)車(chē)載網絡，術(shù)語為(wèi) AVB/TSN。 
      AVB/TSN 的(de)目标可(kě)分(f≠λ≠∏ēn)為(wèi)以下(xià)4個(gè)主要(yào)目标。

      為(wèi)了(le)實現(xiàn)這♠★(zhè) 4 個(gè)目标，AVB/TSN 提出了(le)一(yī)套技≤✘(jì)術(shù)解決方案，需要(yào)在集成到(dào)車(chē)載網絡的(dε α€e) ECU 中仔細實施和(hé)配置。該工(gōng)具ε∑≥集概述如(rú)下(xià)： &n'$✔<bsp;
      本文(wén)的(de)主要>✔<(yào)目的(de)是(shì)介紹 TSN 技(jì)術(™∑<shù)的(de)相(xiàng)關技(jì)術(shù)解決方 ≥±>案。 

AVB/TSN 技(jì)術(shù)解決方案

1 AVB 技(jì)術(shù)解決方案

      TSN 最初作(zuò)&≤¶為(wèi)音(yīn)視(shì)頻(pín)橋接（AVB）起步，是(shì) ♠÷IEEE 為(wèi)專業(yè)音(yīn)頻(pín)行(xíng)業σ"✔(yè)的(de)實時(shí)音(yīn)視(shì)頻(pín)應用(yò•Ω☆♠ng)指定的(de)解決方案。該技(jì)術(shù)在保證該領域服務質量方面的(de)卓越表現(xiε‍™àn)激發了(le)工(gōng)業(yè)&↕σ自(zì)動化(huà)領域和(hé)汽車(ch♠∏≠ē)領域的(de)好(hǎo)奇心。

      AVB 最初預計(jì)用(yòng)于汽車(¶λ× chē)多(duō)媒體(tǐ)應用(yòng)，其性能(néng)促 ¥σ∞使網絡工(gōng)程師(shī)考慮将其用(yòng)于其他(tā)應用(yòn•&g)，如(rú)環視(shì)攝像系統以及自(zì)動駕駛中的(de)雷達、攝像頭和(h✘☆ é)激光(guāng)雷達傳感器(qì)數(shù)據↑Ω融合。
 
      因此，什(shén)麽是(shì) AVB ‍™‍？AVB 解決方案能(néng)夠提供哪些(xi£♥ē) QoS？本節的(de)目的(de)是(shì)通(tōng)過對(duì) A♠¥VB通(tōng)信協議(yì)的(de)'λ σ粗略概述來(lái)回答(dá)這(zhè)個(gè)問↑¶β(wèn)題。 
      對(duì)時(shí)間(jiān)​∏Ω要(yào)求嚴格的(de)車(chē)輛(liàng)（如(rú)自≤±δ×(zì)動駕駛車(chē)輛(liàng)）需要(yào)一(yī)個(gè)共同的(de)時≥₩(shí)間(jiān)基準來(lái)保證安全。AVB IE  ↔←EE802.1AS 時(shí)間(jiān)同步協議(yì)由實現(x₩¶ ₹iàn)該性能(néng)的(de)機(j€§$ī)制(zhì)組成。它主要(yào)基于具有(yǒu)時(shí)間(←→"εjiān)基準的(de)主ECU，并将其分(f ±ēn)配給配置為(wèi)時(shí)間(jiān)從(cóng)站(zhàn)的(de)其他₹§(tā)ECU，以便它們能(néng)夠糾正其時(shí)間(jiān)偏±✘≥±差（參見(jiàn)下(xià)圖）。
      §↔Ω±此外(wài)，IEEE 還(hái)有(yǒu) AVB IEEE802.✘Ω1Qav 和(hé) IEEE802.1Qa™₹≈t 通(tōng)信協議(yì)，以實現(xiàn)确定性的(de)音(yīn)視(shì)頻(€™©&pín)網絡。它是(shì)否适用(yòng)于汽車(chē)應用→∑(yòng)，特别是(shì)自(zì)↔↔動駕駛汽車(chē)的(de)自(zì)動駕駛應用(yòng)。當自(zì)λα₽≈動駕駛汽車(chē)被警察攔下(xià)時(shí)，實時(shí)音(yīn)頻(pín)/♠ ¥視(shì)頻(pín)流是(shì) AVB 通(tōng)信協議(€∑yì)的(de)一(yī)個(gè)有(yǒu)趣應用(yòng)。 
      IEEE802.1Qat 通(tōngε')信協議(yì)基于車(chē)載網絡的(de)動态帶寬預留，以确保資源不(bù)會(∞₽€huì)被過度占用(yòng)。然而，隻要(yào)數(shù)據流仍在車(chē)內(nèi↓≥®)，帶寬預留就(jiù)會(huì)在車(chē)內(nèi)靜(jìng)态執行(xín♠÷​g)。 
      然而，這(zhβ✘∏≈è)可(kě)能(néng)不(bù)足以避免 ECU 中的(de)緩沖區(qū)溢出和(ε∏hé)低(dī)優先級幀的(de)可(kě)接受端到(dào)端延遲時(shí)間(jiān)∏λ。這(zhè)就(jiù)是(shì)采用(yòng)基于 IEEE802.1Qav 信用( ←✘♥yòng)的(de)流量整形算(suàn)法的(de₹≈✘)原因。
      下(xià)圖是(shì)一(yī)種典型的(de)¥☆∞→流量整形器(qì)，可(kě)保證 A 類≥λ≥數(shù)據包的(de)最大(dà)端到(dào)端延遲時(shí)間(jiān)為(wè‍σ₽i)2毫秒(miǎo)，B 類數(shù)據包的(de)最大(dà)端到(dà&≠"δo)端延遲時(shí)間(jiān)為(wèi) 5•¥0 毫秒(miǎo)。
      這(zhè)使得☆≥ ♦(de)關鍵時(shí)間(jiān)數(shù)據流的(♦εφde)處理(lǐ)具有(yǒu)确定性。"®基于信用(yòng)的(de) shaper 算(su £àn)法減少(shǎo)了(le)容易溢出整個¶λγ(gè)網絡的(de)數(shù)據流量突發。如(rú)下(xià)圖所示，₽ ¶可(kě)以通(tōng)過連續傳輸幀之間(jiān)的(de)時(shí)δ 間(jiān)間(jiān)隔感知(zhī←→​$)突發流量的(de)減少(shǎo)。 
      &nbσ↓λβsp;此外(wài)，AVB 通(tōng)過使用(yòng) IEEE 1722♣≈§a 和(hé) IEEE 1722.1 OSI 第2層傳輸協議(yì)提出了(le)一(yī ♦§©)種特殊的(de)數(shù)據包格式。 γ∏™±;
       IEEE 172σ 2a 用(yòng)于将音(yīn)頻(pín)和(hé)↑σ☆視(shì)頻(pín)格式集成到(dào)以太網幀中，如(rú)下✘€§♣(xià)圖所示。 
       作(zuò)為(wèi)處理(l ↔≠₹ǐ)音(yīn)頻(pín)和(hé)視(shì)頻(pín)數(shù)據流的(de)一(yī>→≤±)部分(fēn)，音(yīn)頻(pín)設備中應包含接收設‌>‍備播放(fàng)每幀的(de)時(shí)間(jiān)點信息。α✘該時(shí)間(jiān)點稱為(wèi)呈現(xiàn)時(sh×Ωí)間(jiān)。下(xià)圖顯示了(le)呈現(xi€‌©πàn)時(shí)間(jiān)的(de)特征。 
       ♣←;此外(wài)，IEEE1722a 通(tōng)信協議(yì)提供了(le)一(yī)種★™§✔幀格式，可(kě)将 CAN、FlexRay、LIN♦ ÷¥ 和(hé)MOST 幀封裝到(dào)以太網幀中→★< 。這(zhè)對(duì)于以太網和(h✘πé)傳統汽車(chē)通(tōng)信技(jì)術(shù)之間(jiān)的(de)網±→關功能(néng)是(shì)非常有(yǒu)用(yòng)的(de)（參見(jπ∑ ¥iàn)下(xià)圖）。
      通(tōng)過 IEEE1722.1≤≤ 傳輸協議(yì)對(duì)處理(lǐ)音(yīn)頻(pín)/視(shì)頻(pín)流數(<‍₽shù)據流的(de) ECU 進行(xíng)命令、控制(zhìφ→§)和(hé)連接管理(lǐ)。通(tōng)過 IEEE172★☆♥2.1 進行(xíng)連接管理(lǐ)的(de)示例如(rú)下(xià)： &nbsβ"♠γp;
       此外(wài)，為​✘(wèi)了(le)保持 AVB 所保證的(de)服務質量，必須™β≈γ為(wèi)此設定條件(jiàn)。當發送和<α♦(hé)接收 ECU 處理(lǐ) AV£¶€B 幀時(shí)，傳輸路(lù)徑上(shàng)的(de)所有(yǒu) ECU 都‍÷✘(dōu)必須具備 AVB 功能(néng)。下(xià)面是(shì)一(y¥♠ī)個(gè)示例。 

2 TSN 技(jì)術(shù)解決方案

     術(shù)語 TSN 被定義為(‌&σ<wèi)一(yī)套解決方案，旨在增強和(hé)擴展 AVB 的(de↔α)性能(néng)，使其适用(yòng)于非音(yīn)頻(pín)視(shì)頻(pín)↓₹≥應用(yòng)，并具有(yǒu)更嚴格的(de)确定性和(hé)可(kě)靠性要(yào)&↔求。本節将解釋作(zuò)為(wèi) TSN 技(jε₽✘'ì)術(shù)一(yī)部分(fēn)的(de)每個(gè)通(tōng)信協議(yì)的(&εδεde)特殊性。

     其中一(yī)個(gè)協議(≤←γyì)是(shì) IEEE802.1AS-rev 時(shí)間(jiān)同♦♠步标準，其目标是(shì)改進 AVB IEEE802.1A→☆σS 标準。
     為(δ♥¥wèi)什(shén)麽？因為(wèi) AVB IEE₩π£₩E802.1AS 時(shí)間(jiān)同步解決方案并不(bù)适合所有(yǒu)的(de) ≤ ☆汽車(chē)需求。TSN IEEE802.1AS-rev 時(shí)間(jiān)同步通(t™&ōng)信協議(yì)的(de)改進之處在于，即使在發生(shēng)故障的(de)情況下(¶∏φ↔xià)，也(yě)能(néng)提供更好(hǎo)的(d​λ♥e)通(tōng)用(yòng)時(shí)間(jiāβ↑n)基準，從(cóng)而不(bù)僅能±≈λ (néng)夠建立故障安全的(de)自(zì)動駕駛車(chē)載網絡，還(há€δi)能(néng)建立故障運行(xíng)的(de)網₽©∏↕絡。
     IEEE802.1AS 通(tōng)信協 ±←議(yì)的(de)性能(néng)取決于相(xiàng)關車←₽<(chē)輛(liàng)的(de)自(zì)動化(huà)水(shuǐ±α→)平。這(zhè)意味著(zhe)，如(rú)果 AVB IEEE80 §≤←2.1AS 更适合車(chē)輛(liàng)自(zì)動化•ασσ(huà)級别為(wèi) 3 的(de)情況，那(nà)麽對(duì)于✘​↕®自(zì)動化(huà)級别為(wèi) 4 和↔≤ (hé) 5 的(de)自(zì)動駕駛車(chē)輛(liàn☆★£g)來(lái)說(shuō)，它的(de)性能(n↓★éng)似乎不(bù)夠好(hǎo)，而 ​∞✔TSN IEEE802.1AS-rev 更适合這(zhè)些(xi ¥ē)車(chē)輛(liàng)。
     ε∑☆α但(dàn)另一(yī)方面，TSN IEEE802.1AS-rev Ω÷‍¶可(kě)能(néng)過于複雜(zá)和(hé)昂貴，不(bù)适合自(zì)動化(huà)級↔πδ∏别為(wèi) 3 的(de)車(chē)輛(liàng)，而 AVB IEEE∞<>☆802.1AS 可(kě)能(néng)更适合這(zhè)種車(chē)輛(liàng↑¥₩ )。
     IEEE802.1AS-rev 時(shí)間(jiāπ≠n)同步标準基于在車(chē)載網絡中使用(yòng) 2 大(dàσ& ) Master 同步時(shí)間(jiān) Slave。如(rú)下(xià)圖所‌ →示，當 Master 發生(shēng)故障時(shí)，第二個(gè)故障後備 Maste‍✔"↕r 将取代時(shí)間(jiān)Master 的(de)角色。&nbs£$&p;
     此外(wài)，在複雜(zá)的(de)車(chē♦" £)載網絡中可(kě)能(néng)需要(yào)不(bù)止一(yī)個(g£♥§è)時(shí)基；例如(rú)，一(yī)個(gè)時(shí)基¶♠用(yòng)于車(chē)載實時(shí)控制(zhì)回路(lù)，另¶©β一(yī)個(gè)時(shí)基用(yòng)于車(chē)載網絡中相(xiàng)關設✔ 備對(duì)一(yī)天中時(shí)間(jiān)的(d¥∞¥e)共同理(lǐ)解。每個(gè) Base 都(dōu)需要≈÷λσ(yào)一(yī)個(gè)時(shí§↑)間(jiān) Master。
     一(yī)個(gè)時(shí)間(ji ★∞ān) Master 可(kě)用(yòng)于兩個(gè)時(shí)間(jiān) Base，兩個(gè)不(♦>  bù)同的(de)時(shí)間(jiān) Maste≤☆γαr 可(kě)用(yòng)于兩個(gè)時(shí)間(jiān) Base。這(zhè)兩種配置可(kě)通(tōng♦¶)過 TSN IEEE802.1AS-rev 通(tōng)信協議(yì)實現₹€(xiàn)，但(dàn)不(bù)能(néng)有(yǒu)效地(dì)通(tōng)過 A¥≤&VB IEEE802.1AS 協議(yì)'♣實現(xiàn)。  

      關于關鍵自(zì)動駕駛車(ch×λ¥€ē)載網絡中的(de)确定性和(hé)可(kě)預測性要(yào)求，AVB•♠ IEEE802.1Qat 和(hé)IEEE802.1‍±Qav 标準有(yǒu)助于實現(xiàn)邏輯确定性，并在一(yī)定程度上(shàng)有→÷(yǒu)助于實現(xiàn)時(shí)間(jiān☆ε$∑)确定性，因為(wèi)它們有(yǒu)助于了(le)解數(shù)據流在車(chē)載網α↕ 絡中的(de)路(lù)徑上(shàng)可(kě)能×♣"(néng)經曆的(de)最佳和(hé)最壞情況∞​φ↓下(xià)的(de)傳輸延遲。

      然而，它們無法保護×>σ‌關鍵數(shù)據流免受非關鍵數(shù)據流造成的(de)不(bù)可(kě)預測的(de)★±β高(gāo)傳輸抖動的(de)影(yǐng)響。為(wèi)了(le)克服這(zhè)一δπ(yī)問(wèn)題，下(xià)圖所示的(de) TSN AV♣☆→★B IEEE802.1Qbv 具有(yǒu)‌φ™ 在車(chē)載網絡中提供更好(hǎo)的(de)确定性≥¥→←和(hé)可(kě)預測性性能(néng)的(de☆✔≤)優點。

      這(©‌φ☆zhè)是(shì)因為(wèi)以太網數(shù)據包的(de)傳輸和(hé‌€≈↔)到(dào)達時(shí)間(jiān)點是(shì)通<↓ ☆(tōng)過 TSN IEEE802.1Qbvα© 預先安排和(hé)已知(zhī)的(de)，因此可(kě)保證相(xiàn₹'©g)關數(shù)據傳輸的(de)已知(zhī)延遲•✔時(shí)間(jiān)和(hé)極低(dī)的(de)抖動時(shí)♣λσ間(jiān)。
      這(zhè)意味著(zhe)，使用(yòng)£  TSN IEEE802.1Qbv 通(tōng)信協議(yì♣÷Ω>)傳輸的(de)以太網數(shù)據包從(cóng)發送設備到(dào)接收設備的≥€&(de)傳輸延遲時(shí)間(jiān)通(tōng)常相(xiàng)同，而使$>用(yòng) AVB IEEE802.1Qav ★δσ通(tōng)信協議(yì)的(de)情況則絕對(duì)不(b™÷★‌ù)同。
      因此φ±，與 AVB TSN IEEE802.1Qav 相(xiàng)比，TSN IEEE80&$•↓2.1Qbv 解決方案能(néng)夠提供更好(>₹↓hǎo)的(de)可(kě)預測性車(chē)輛(liàng)系統。✔Ω"↓這(zhè)就(jiù)是(shì)其規格的(de)原因。 

      然而，這(zhè)種解決方案也(y★¥∞ě)有(yǒu)一(yī)些(xiē)副作(zuò)用(yòng)。TSN IEEE8λ≈∑∑02.1Qbv 的(de)主要(yào)副作(zuò)用(yòng)是(shì)¥α✘配置工(gōng)作(zuò)量大(dà)得(de‌♦✔∞)驚人(rén)，這(zhè)讓車(chē)載網絡工(gōα±δng)程師(shī)懷疑該通(tōng)信協議(yì∏>)提供的(de)高(gāo)确定性是(shì)否真的£∏≈≥(de)适用(yòng)于所有(yǒu)汽車(chē)應用(yòng ↑)。答(dá)案肯定是(shì)否定的(de)。

轉自(zì)汽車(chē)電(diàn)子(zǐ♣£λ)與軟件(jiàn)