連載一:車載以太網(wǎng)時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)
車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢,常用TSN協(xié)議種類和現(xiàn)狀
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202401/455201.htm隨著汽車電動(dòng)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(dòng)避撞等系統(tǒng)越來越普遍。這些系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)對車載網(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(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(guī)劃更加靈活,可以通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足各個(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。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(xiàng)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(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(yīng)用。AVB關(guān)注于增強(qiáng)傳統(tǒng)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(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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)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(yīng)用領(lǐng)域。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)不是單一的標(biāo)準(zhǔn),而是由一個(gè)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(xiàng)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(shí)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(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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及其參數(shù)設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)傳遞和同步,在車內(nèi)提供更好的娛樂體驗(yàn)。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€(gè)后座的娛樂屏,要求在兩個(gè)屏上同步播放同一個(gè)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(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(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS):TSN可用于實(shí)現(xiàn)ADAS系統(tǒng)中不同模塊之間的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)同步傳輸?shù)街醒胗?jì)算平臺(tái)。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(shí)延小于 1ms;不允許有數(shù)據(jù)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(gè)典型的場景,例如區(qū)域控制器使用中央計(jì)算平臺(tái)的算力實(shí)現(xiàn)車輛控制的計(jì)算。在此場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能滿足不同類型流量的通信需求,為了實(shí)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(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。
隨著自動(dòng)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(shí)現(xiàn)難點(diǎn)
TSN協(xié)議車載應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)如下:
1. 缺乏成熟的協(xié)議功能性能仿真平臺(tái),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(shí)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(diǎn)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(jí)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(jì)困難,和不同交換機(jī)的配置方法各不相同,需要自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和配置方法來降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度和所需成本。
在協(xié)議層面的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)如下:
1. 針對IEEE 802.1Qbv的時(shí)間窗口設(shè)計(jì)與對齊:需要同時(shí)考慮各個(gè)流量的優(yōu)先級(jí)、帶寬需求、時(shí)序要求和鏈路傳輸延時(shí)等因素綜合設(shè)計(jì)。
2. 針對IEEE 802.1CB冗余路徑選擇和冗余幀的處理:報(bào)文的復(fù)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(quán)衡。設(shè)計(jì)冗余路徑時(shí)需要考慮冗余路徑之間的跳數(shù)差不能過大,否則可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生故障或者鏈路斷裂時(shí)出現(xiàn)報(bào)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(tǒng)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(wěn)定是在車載應(yīng)用時(shí)的難點(diǎn)。
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(jì)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(shí)現(xiàn)難點(diǎn),同濟(jì)大學(xué)開發(fā)了基于英飛凌AURIX? TC3xx的時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)。
系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示,由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)N1,兩個(gè)視頻轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)N2和N3,一個(gè)音頻節(jié)點(diǎn)N4以及兩個(gè)帶攝像頭的樹莓派節(jié)點(diǎn)組成。其中N2節(jié)點(diǎn)同時(shí)還是車模的控制節(jié)點(diǎn)。N1-N4每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含以太網(wǎng)交換機(jī)和主控MCU TC3x7。四節(jié)點(diǎn)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(gè)樹莓派節(jié)點(diǎn)生成并傳輸至N2和N3,并最終根據(jù)設(shè)計(jì)的路徑到達(dá)PC,并在上位機(jī)上顯示。音頻文件存儲(chǔ)在上位機(jī)中,由上位機(jī)發(fā)往N4音頻節(jié)點(diǎn),通過音頻模塊和音響實(shí)現(xiàn)播放??刂茍?bào)文以以太網(wǎng)的格式從上位機(jī)發(fā)出,到達(dá)N2節(jié)點(diǎn)后轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文,并發(fā)送給車模節(jié)點(diǎn),實(shí)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(diǎn)的時(shí)間同步。其中N2的TC377為全局的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)交換機(jī)和控制器均以該節(jié)點(diǎn)時(shí)間為參考進(jìn)行時(shí)間同步。同時(shí)通過上位機(jī)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(xiàn)的端節(jié)點(diǎn)分時(shí)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(shí)時(shí)端到端延時(shí)散點(diǎn)圖,端和橋中應(yīng)用TSN協(xié)議后的實(shí)際效果和性能可以被清晰直觀的反應(yīng)。
整個(gè)系統(tǒng)實(shí)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(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)如何解決上述難點(diǎn)。
敬請期待……
本文轉(zhuǎn)載自:英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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