車(chē)用以太網(wǎng)或?qū)⒊蓪?shí)現(xiàn)ADAS及自動(dòng)駕駛關(guān)鍵

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(zhuān)有性質(zhì)，因此成為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）應(yīng)用及自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。為達(dá)成操控車(chē)輛所需的安全與精確延遲（Latency）要求，業(yè)界現(xiàn)正開(kāi)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(shí)序、備援性（Redundancy）及故障偵測(cè)能力的開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，以利此項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用于全車(chē)各項(xiàng)功能。

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與以太網(wǎng)絡(luò)共同的目標(biāo)是利用其先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)運(yùn)行日益精密復(fù)雜的應(yīng)用程序，從信息娛樂(lè)到先進(jìn)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(chē)上診斷系統(tǒng)（On-board Diagnostics， OBD）、韌體更新以及環(huán)景攝影機(jī)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(shí)現(xiàn)如主動(dòng)式定速巡航控制、車(chē)道維持輔助、交通標(biāo)志辨識(shí)、行人偵測(cè)以及碰撞回避等先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用程序所需的傳感器融合。

未來(lái)，以太網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)的直接控制，提供諸如煞車(chē)、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(dòng)駕駛所需的一切功能。

提高通訊協(xié)議要求 提升可靠度降低延遲

機(jī)能性的提高，意味著須要加強(qiáng)車(chē)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(jī)以及如雷達(dá)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(duì)于時(shí)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(lèi)的應(yīng)用程序中發(fā)生封包丟失的情形，便可能無(wú)法及時(shí)煞車(chē)，造成難以彌補(bǔ)的災(zāi)難。同理，若是系統(tǒng)帶寬難以容納來(lái)自多臺(tái)攝影機(jī)與傳感器的數(shù)據(jù)聚合，則根本不可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

從以太網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)來(lái)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(wèn)控制（Media Access Control， MAC）層。

TSN標(biāo)準(zhǔn)加快制定 滿(mǎn)足安全性/低延遲要求

目前開(kāi)發(fā)中的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)是以滿(mǎn)足未來(lái)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)功能及自動(dòng)系統(tǒng)在安全性、可靠度和延遲方面的要求為目標(biāo)，確保所有汽車(chē)組件之間可靠且適時(shí)地相互操作。為達(dá)成操控車(chē)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(biāo)準(zhǔn)制定單位IEEE 802.1現(xiàn)正開(kāi)發(fā)一套新的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，合稱(chēng)為時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking， TSN）（表1），用以實(shí)現(xiàn)低延遲、精確且可靠的同步封包傳輸。

表1 主要TSN標(biāo)準(zhǔn)

TSN是影音橋接（AVB）標(biāo)準(zhǔn)的超集（Superset），說(shuō)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(jìn)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?xún)?nèi)，且所要求的實(shí)施更勝許多關(guān)鍵任務(wù)功能的要求。各類(lèi)主要的TSN標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明如下：

IEEE 802.1AS-Rev：時(shí)效性應(yīng)用之時(shí)序與同步

IEEE 802.1AS-Rev標(biāo)準(zhǔn)于主時(shí)鐘及故障偵測(cè)中導(dǎo)入備援能力，提升電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）中實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)定的可靠性，并滿(mǎn)足ISO 26262功能安全要求。

IEEE 802.1Qbv：已排程流量強(qiáng)化

IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)取自IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序增加時(shí)間感知隊(duì)列排空程序，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)將傳輸閘加入八個(gè)優(yōu)先隊(duì)列，可于特定時(shí)點(diǎn)關(guān)閉低優(yōu)先度隊(duì)列以利高優(yōu)先度隊(duì)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(lèi)似于自動(dòng)車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）在2011-AS6802中所稱(chēng)的時(shí)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(jí)串流等周期性影音（AV）流量傳輸。

IEEE 802.1Qbv導(dǎo)入保護(hù)頻帶概念，即是于特定時(shí)期阻止訊務(wù)開(kāi)始傳輸，以確保控制訊框可于排定時(shí)間發(fā)送。為支持已排程訊務(wù)，必須利用時(shí)間感知整形降低通訊延遲及跳動(dòng)。方法是將具時(shí)間感知性的高優(yōu)先度A級(jí)數(shù)據(jù)TA1-TA3插入兩個(gè)O1訊框片段之間，藉此縮短延遲。在保護(hù)頻帶期間內(nèi)會(huì)封鎖非時(shí)效性數(shù)據(jù)的傳輸，以免新進(jìn)的時(shí)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。

IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br：考慮訊框優(yōu)先

如IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br所定義的優(yōu)先可避免保護(hù)頻帶過(guò)大，且可于訊框開(kāi)始傳輸后將之分段。換言之，高度優(yōu)先訊框可中斷低度優(yōu)先訊框的傳輸。IEEE 802.3br標(biāo)準(zhǔn)定義必要的訊框片段數(shù)據(jù)封裝和偵錯(cuò)監(jiān)測(cè)值，最小為64字節(jié)。發(fā)送隊(duì)列的優(yōu)先和控制關(guān)系到輸出埠上傳輸?shù)牧髁?。圖2說(shuō)明TA1、TA2及TA3的IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br訊框優(yōu)先（Frame Preemption）實(shí)施情形。

圖2 時(shí)序表樣本

IEEE 802.1Qci：逐一串流過(guò)濾與管理

有關(guān)輸入部接收流量的IEEE 802.1Qci標(biāo)準(zhǔn)尚處于早期階段，其目的為緩和錯(cuò)誤操作節(jié)點(diǎn)造成的影響，定義了管理與過(guò)濾功能，包括偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)中其他系統(tǒng)造成的破壞性傳輸并加以減輕，改善該網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性。

IEEE 802.1CB：提升可靠度之訊框復(fù)制與消除

同樣處于早期階段的IEEE 802.1CB標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入無(wú)縫備援及故障偵測(cè)，旨在提升機(jī)能安全以及訊框復(fù)制與消除作業(yè)。例如，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可為環(huán)狀相連，執(zhí)行雙向流量傳輸，因而需要兩條不同路徑通往終點(diǎn)。IEEE 802.1CB標(biāo)準(zhǔn)于接收節(jié)點(diǎn)規(guī)范如何消除重復(fù)訊框。為確保功能安全，必須具備高度可用性、冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)以及快速故障偵測(cè)能力。環(huán)形拓?fù)涫怯诰W(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)入備援性的一種方式。IEEE 802.1CB和IEEE 802.1AS-Rev標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入故障偵測(cè)方法。

MAC合并子層模塊 支持多種TSN標(biāo)準(zhǔn)

眾廠商多年來(lái)致力于提供以汽車(chē)應(yīng)用為主的AVB標(biāo)準(zhǔn)及TSN標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)MAC產(chǎn)品。其中，Cadence以太網(wǎng)絡(luò)MAC不僅支持傳送隊(duì)列，近來(lái)更新增對(duì)于IEEE 802.1AS-Rev與IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)的支持，在每一傳送隊(duì)列使用開(kāi)閘定時(shí)器和關(guān)閘定時(shí)器。

該公司現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)MAC合并子層（MAC Merge Layer， MMSL）模塊，具備兩種以太網(wǎng)絡(luò)MAC選擇，其一是可優(yōu)先MAC（pMAC），另一者為快速M(fèi)AC（eMAC）（圖3）。eMAC僅用于支持單一傳送隊(duì)列。停用優(yōu)先時(shí)，MMSL會(huì)在eMAC與pMAC之間進(jìn)行逐框調(diào)停。eMAC仍為最高優(yōu)先，但從pMAC送出的訊框會(huì)以未經(jīng)修改的原狀送出。

圖3 MAC合并子層

除此之外，該公司也提供支持IEEE 802.1Qbu優(yōu)先硬件要求的解決方案。待IEEE 802.1CB和IEEE 802.1Qci標(biāo)準(zhǔn)定義更加明確后，也將提供對(duì)應(yīng)支持。

新興TSN標(biāo)準(zhǔn)可靠性佳 加快汽車(chē)以太網(wǎng)絡(luò)部署

如新一代AVB傳輸協(xié)議等新興TSN標(biāo)準(zhǔn)所提供的特性，能夠完全滿(mǎn)足ISO 26262要求，并將汽車(chē)以太網(wǎng)絡(luò)的部署擴(kuò)展至安全關(guān)鍵系統(tǒng)。TSN標(biāo)準(zhǔn)旨在提升以太網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性、可靠度、備援性以及故障偵測(cè)能力，以利以太網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)控制與安全關(guān)鍵應(yīng)用程序方面的利用。

本文作者皆任職于Cadence，Sachin Dhingra為資深產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理