TSN開放標準掛保證 車用以太網(wǎng)搶進ADAS市場

作者：Arthur Marris/Sachin Dhingra/Robert Schweiger

以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有成本低、重量輕、數(shù)據(jù)傳輸率高的特性，且并非專有性質(zhì)，因此成為實現(xiàn)先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應(yīng)用及自動駕駛的關(guān)鍵。為達成操控車輛所需的安全與精確延遲(Latency)要求，業(yè)界現(xiàn)正開發(fā)多種有助于提升以太網(wǎng)絡(luò)型應(yīng)用程序可靠度、時序、備援性(Redundancy)及故障偵測能力的開放性標準，以利此項技術(shù)運用于全車各項功能。

汽車產(chǎn)業(yè)與以太網(wǎng)絡(luò)共同的目標是利用其先進網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)運行日益精密復(fù)雜的應(yīng)用程序，從信息娛樂到先進駕駛輔助系統(tǒng)，乃至于關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的控制。目前，以太網(wǎng)絡(luò)用于車上診斷系統(tǒng)(On-board Diagnostics, OBD)、韌體更新以及環(huán)景攝影機的拍攝影像傳輸。下一階段是利用以太網(wǎng)絡(luò)將傳感器與內(nèi)嵌中央處理器(CPU)連接，實現(xiàn)如主動式定速巡航控制、車道維持輔助、交通標志辨識、行人偵測以及碰撞回避等先進駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用程序所需的傳感器融合。

未來，以太網(wǎng)絡(luò)將運用于動力傳動系統(tǒng)和底盤的直接控制，提供諸如煞車、轉(zhuǎn)向、變速以及引擎控制等關(guān)鍵任務(wù)功能，且終將于此匯集自動駕駛所需的一切功能(圖1 先進駕駛輔助系統(tǒng))。

提高通訊協(xié)議要求 提升可靠度降低延遲
機能性的提高，意味著須要加強車載組件之間的連接性，尤其是帶寬、安全性與可靠度以及延遲等部分。 隨著處理器、攝影機以及如雷達等感應(yīng)組件數(shù)量持續(xù)增加，不僅所需帶寬更大，也更講求對于時效性數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而傳輸?shù)目煽啃匀Q于精確且短暫的延遲，特別是在關(guān)鍵任務(wù)控制方面。舉例而言，若在碰撞回避之類的應(yīng)用程序中發(fā)生封包丟失的情形，便可能無法及時煞車，造成難以彌補的災(zāi)難。同理，若是系統(tǒng)帶寬難以容納來自多臺攝影機與傳感器的數(shù)據(jù)聚合，則根本不可能實現(xiàn)自動駕駛。

從以太網(wǎng)絡(luò)觀點來看，帶寬主要是應(yīng)用于物理層(PHY Layer)，而可靠度及延遲主要是應(yīng)用于媒體訪問控制(Media Access Control, MAC)層。

TSN標準加快制定 滿足安全性/低延遲要求
目前開發(fā)中的開放標準是以滿足未來先進駕駛輔助系統(tǒng)功能及自動系統(tǒng)在安全性、可靠度和延遲方面的要求為目標，確保所有汽車組件之間可靠且適時地相互操作。為達成操控車輛所需的安全性及低延遲要求，以太網(wǎng)絡(luò)切換與數(shù)據(jù)傳輸控制法定標準制定單位IEEE 802.1現(xiàn)正開發(fā)一套新的開放標準，合稱為時效性網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Networking, TSN)(表1)，用以實現(xiàn)低延遲、精確且可靠的同步封包傳輸。

表1 主要TSN標準

TSN是影音橋接(AVB)標準的超集(Superset)，說明如何于以太網(wǎng)絡(luò)上保障帶寬并執(zhí)行數(shù)據(jù)同步，進而確保服務(wù)質(zhì)量(QoS)，其所規(guī)范的精確度為一微秒(μs)以內(nèi)，且所要求的實施更勝許多關(guān)鍵任務(wù)功能的要求。各類主要的TSN標準說明如下：

IEEE 802.1AS-Rev：時效性應(yīng)用之時序與同步
IEEE 802.1AS-Rev標準于主時鐘及故障偵測中導(dǎo)入備援能力，提升電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)中實時時鐘設(shè)定的可靠性，并滿足ISO 26262功能安全要求。

IEEE 802.1Qbv：已排程流量強化
IEEE 802.1Qbv標準依據(jù)取自IEEE 802.1AS標準的時序增加時間感知隊列排空程序，同時支持已排定流量、Credit-based調(diào)度流量及其他橋接式流量(Bridged Traffic)。

此標準將傳輸閘加入八個優(yōu)先隊列，可于特定時點關(guān)閉低優(yōu)先度隊列以利高優(yōu)先度隊列立即使用網(wǎng)絡(luò)，藉此保障高優(yōu)先度低延遲控制訊框的存取權(quán)，類似于自動車工程師學(xué)會(SAE)在2011-AS6802中所稱的時間觸發(fā)型以太網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)如每125微秒傳輸一次訊框的IEEE 1722發(fā)話A級串流等周期性影音(AV)流量傳輸。

IEEE 802.1Qbv導(dǎo)入保護頻帶概念，即是于特定時期阻止訊務(wù)開始傳輸，以確?？刂朴嵖蚩捎谂哦〞r間發(fā)送。為支持已排程訊務(wù)，必須利用時間感知整形降低通訊延遲及跳動。方法是將具時間感知性的高優(yōu)先度A級數(shù)據(jù)TA1-TA3插入兩個O1訊框片段之間，藉此縮短延遲。在保護頻帶期間內(nèi)會封鎖非時效性數(shù)據(jù)的傳輸，以免新進的時間感知(高度優(yōu)先)數(shù)據(jù)封包遭到其他數(shù)據(jù)O所延遲。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)兼具優(yōu)先及確定性質(zhì)，為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。