车载以太网时间敏感性网络应用场景和实现难点

随着汽车电动化、智能化、网联化的快速发展，车内电子系统规模和复杂性日益增强，智能化系统如车道偏离警告、主动避撞等系统越来越普遍。这些系统在应用时对车载网络的实时性、带宽和可靠性提出了更高的要求。同时，针对未来智能汽车电子电气架构，车载网络也需要新型的通信技术支持。

车载以太网发展趋势，常用TSN协议种类和现状

随着汽车电动化、智能化、网联化的快速发展，车内电子系统规模和复杂性日益增强，智能化系统如车道偏离警告、主动避撞等系统越来越普遍。这些系统在应用时对车载网络的实时性、带宽和可靠性提出了更高的要求。同时，针对未来智能汽车电子电气架构，车载网络也需要新型的通信技术支持。

与传统车载网络相比，车载以太网可以达到百兆千兆甚至更好的传输速度，能够支持高数据带宽和高通信速率，非常适合汽车中的ADAS、车载娱乐等系统，并逐渐成为汽车主干网络。随着以太网通信协议的发展，它可以在保留传统以太网优势的同时，克服传输不确定性的缺点，并且其点对点的工作方式使得网络规划更加灵活，可以通过不同的拓扑结构满足各个子网实时性、冗余性和成本的需求。

为了在以太网上提供同步化低延迟的实时流媒体服务，IEEE 802.3工作组在2005年11月成立AVB工作组，制定了一系列音视频传输技术的协议，使得基于以太网的实时音视频传输技术得以走向市场。AVB组制定的以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio/Video Bridging，以下简称AVB）是一项新的IEEE 802标准，其在传统以太网的基础上，通过保障带宽、限制延迟和精准时钟同步，为网络提供完美的服务质量，以支持各种基于音频、视频的网络多媒体应用。AVB关注于增强传统以太网的实时音视频性能，同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。

为了更准确地反映AVB的持续发展，IEEE AVB任务组名称在2012年11月正式更改为“时间敏感网络（Time Sensitive Network，简称TSN）小组”。TSN任务组基于最初的AVB标准架构，并致力于开发更强的功能以实现超低时延的控制网络。虽然AVB和TSN这两个词通常可以互换使用，但是TSN协议簇里提出了许多新的概念和功能，以支持更多的应用领域。时间敏感网络（TSN）不是单一的标准，而是由一个系列标准组成。

下表是一系列TSN协议标准，然而并不是所有的协议都适用于车载场景。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被认为适用于车载场景。前四项标准是其中最常用，也最可能成为第一批应用于车载的TSN协议。这些协议可以保证车载网络的时间同步，确定性传输和可靠性。然而在汽车这一典型的物理信息系统中，系统通信网络的复杂性、启动时间要求、功能安全和信息安全等多方面因素都迫使这些标准协议及其参数设计需要被进一步研究和优化。

常用TSN协议的应用场景

在汽车领域，TSN可以应用于以下场景：

车载信息娱乐系统：TSN可用于传输车载娱乐系统中的音频、视频等多媒体数据，确保数据的实时传递和同步，在车内提供更好的娱乐体验。具体场景如图所示，高清地图和定位信息通过 T-BOX 经过中央网关传递给车机 HUT 和仪表；HUT 车机上的多媒体视频流通过网关传输到两个后座的娱乐屏，要求在两个屏上同步播放同一个视频内容。由于数据要求带宽大，要求快速冗余切换和精准时钟同步，所以需要用到802.1AS-Rev，802.1CB，802.1Qci，802.1Qbv等协议。

高级驾驶辅助系统（ADAS）：TSN可用于实现ADAS系统中不同模块之间的实时数据交换，例如传感器数据的传输、决策和控制命令的传递。确保这些数据的时间同步和确定性传输，保证传感器融合或决策规划算法正常工作。雷达、激光雷达、超声波、摄像头等环境感知传感器数据融合，对数据传输带宽要求很大，传感器数据融合尤其是采用后端数据融合的解决方案，要求来自不同传感器的数据可以 实时同步传输到中央计算平台。对于安全相关的多媒体数据流；传输周期小于 10ms；传输时延小于 1ms；不允许有数据丢失的情况。所以会用到802.1AS-Rev，802.1Qbv，802.1Qbu。

智能网联汽车跨域通信：在新型汽车电子电气架构背景下，车载以太网作为骨干网络连接各区域控制器如图所示。算力共享是一个典型的场景，例如区域控制器使用中央计算平台的算力实现车辆控制的计算。在此场景中涉及到不同带宽和不同实时性要求的流量传输。TSN能满足不同类型流量的通信需求，为了实现骨干网络中通信能力的最优分配，达到低延时，高可靠和确定性的传输，可能用到的TSN协议有802.1AS-Rev，802.1CB，802.1Qci，802.1Qbv，802.1Qbu等。

随着自动驾驶和智能交通技术的发展，TSN在汽车领域的应用还将继续扩展。

常用TSN协议的实现难点

TSN协议车载应用的实现难点如下：

1. 缺乏成熟的协议功能性能仿真平台，现有的如OMNet++，RTaW和TSN System在功能和车载场景适配上都有局限，无法真实模拟车载场景进行仿真。

2. 车载以太网交换机和端节点芯片对协议的支持和开放程度有限。

3. 缺乏针对车载的TSN协议相关测试标准，且行业没有系统级的TSN网络测试方案。

4. TSN协议复杂度高，在复杂的网络场景下参数设计困难，和不同交换机的配置方法各不相同，需要自动化的设计和配置方法来降低技术实现的难度和所需成本。

在协议层面的实现难点如下：

1. 针对IEEE 802.1Qbv的时间窗口设计与对齐：需要同时考虑各个流量的优先级、带宽需求、时序要求和链路传输延时等因素综合设计。

2. 针对IEEE 802.1CB冗余路径选择和冗余帧的处理：报文的复制会占用多个路径的带宽资源，需要进行可靠性和带宽利用率之间的权衡。设计冗余路径时需要考虑冗余路径之间的跳数差不能过大，否则可能会导致网络中发生故障或者链路断裂时出现报文突发或乱序的情况。

3. 针对 IEEE 802.1AS同步启动时间和冗余同步方案：系统在启动到同步完成的时间和同步失效后如何以最快速度切换到备用时钟或备用冗余链路，同时保证同步精度的稳定是在车载应用时的难点。

4. 针对IEEE 802.1Qci监控和过滤参数的配置：在复杂的车载网络中，正确设计监控和过滤参数使通信网络对可预见和不可预见的异常具备足够的弹性是比较困难的。

基于英飞凌AURIX™的解决方案

针对上述实现难点，同济大学开发了基于英飞凌AURIX™ TC3xx的时间敏感性网络演示系统。

系统的整体结构如图所示，由一个主控节点N1，两个视频转发节点N2和N3，一个音频节点N4以及两个带摄像头的树莓派节点组成。其中N2节点同时还是车模的控制节点。N1-N4每个节点都包含以太网交换机和主控MCU TC3x7。四节点组成的主干网络通过1000BASE-T1连接形成环形网络。

视频流由两个树莓派节点生成并传输至N2和N3，并最终根据设计的路径到达PC，并在上位机上显示。音频文件存储在上位机中，由上位机发往N4音频节点，通过音频模块和音响实现播放。控制报文以以太网的格式从上位机发出，到达N2节点后转换成CAN报文，并发送给车模节点，实现车门和车灯的控制。

IEEE 802.1AS是网络的基础，用于所有节点的时间同步。其中N2的TC377为全局的主时钟节点，其他节点交换机和控制器均以该节点时间为参考进行时间同步。同时通过上位机可以动态的对上述既定的音视频流量和控制流量进行TSN协议的配置，例如IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1CB、IEEE 802.1Qci和基于TC3系列实现的端节点分时调度机制。除此之外上位机还能控制网络中干扰流量的生成，通过视频卡顿的直观感受和视频流实时端到端延时散点图，端和桥中应用TSN协议后的实际效果和性能可以被清晰直观的反应。

整个系统实物如图所示：