TSN（时间敏感网络）技术及解决方案介绍-电子工程专辑

TSN（时间敏感网络）技术及解决方案介绍

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简介

对于网络工程师来说，将以太网集成到自动驾驶应用的未来车载网络中是一项复杂的任务。这种复杂性是由于未来车载网络生态系统中通信设备和分布式功能的数量不断增加导致的。

对时间和 Safety 至关重要的网络受到严格的实时限制。这就是为什么选择以太网物理层来处理现代车载网络中的大量 ECU。

因为在车载网络内部处理数据流时必须保证服务质量，所以音频/视频桥接（AVB）及其增强版时间敏感网络（TSN）的规范适用于时间和 Safety 至关重要的车载网络，术语为 AVB/TSN。

AVB/TSN 的目标可分为以下4个主要目标。

为了实现这 4 个目标，AVB/TSN 提出了一套技术解决方案，需要在集成到车载网络的 ECU 中仔细实施和配置。该工具集概述如下：

本文的主要目的是介绍 TSN 技术的相关技术解决方案。

AVB/TSN 技术解决方案

AVB 技术解决方案

TSN 最初作为音视频桥接（AVB）起步，是 IEEE 为专业音频行业的实时音视频应用指定的解决方案。该技术在保证该领域服务质量方面的卓越表现激发了工业自动化领域和汽车领域的好奇心。

AVB 最初预计用于汽车多媒体应用，其性能促使网络工程师考虑将其用于其他应用，如环视摄像系统以及自动驾驶中的雷达、摄像头和激光雷达传感器数据融合。

因此，什么是 AVB ？AVB 解决方案能够提供哪些 QoS？本节的目的是通过对 AVB通信协议的粗略概述来回答这个问题。

对时间要求严格的车辆（如自动驾驶车辆）需要一个共同的时间基准来保证安全。AVB IEEE802.1AS 时间同步协议由实现该性能的机制组成。它主要基于具有时间基准的主ECU，并将其分配给配置为时间从站的其他ECU，以便它们能够纠正其时间偏差（参见下图）。

此外，IEEE 还有 AVB IEEE802.1Qav 和 IEEE802.1Qat 通信协议，以实现确定性的音视频网络。它是否适用于汽车应用，特别是自动驾驶汽车的自动驾驶应用。当自动驾驶汽车被警察拦下时，实时音频/视频流是 AVB 通信协议的一个有趣应用。

IEEE802.1Qat 通信协议基于车载网络的动态带宽预留，以确保资源不会被过度占用。然而，只要数据流仍在车内，带宽预留就会在车内静态执行。

然而，这可能不足以避免 ECU 中的缓冲区溢出和低优先级帧的可接受端到端延迟时间。这就是采用基于 IEEE802.1Qav 信用的流量整形算法的原因。

下图是一种典型的流量整形器，可保证 A 类数据包的最大端到端延迟时间为2毫秒，B 类数据包的最大端到端延迟时间为 50 毫秒。

这使得关键时间数据流的处理具有确定性。基于信用的 shaper 算法减少了容易溢出整个网络的数据流量突发。如下图所示，可以通过连续传输帧之间的时间间隔感知突发流量的减少。

此外，AVB 通过使用 IEEE 1722a 和 IEEE 1722.1 OSI 第2层传输协议提出了一种特殊的数据包格式。

IEEE 1722a 用于将音频和视频格式集成到以太网帧中，如下图所示。

作为处理音频和视频数据流的一部分，音频设备中应包含接收设备播放每帧的时间点信息。该时间点称为呈现时间。下图显示了呈现时间的特征。

此外，IEEE1722a 通信协议提供了一种帧格式，可将 CAN、FlexRay、LIN 和MOST 帧封装到以太网帧中。这对于以太网和传统汽车通信技术之间的网关功能是非常有用的（参见下图）。

通过 IEEE1722.1 传输协议对处理音频/视频流数据流的 ECU 进行命令、控制和连接管理。通过 IEEE1722.1 进行连接管理的示例如下：

此外，为了保持 AVB 所保证的服务质量，必须为此设定条件。当发送和接收 ECU 处理 AVB 帧时，传输路径上的所有 ECU 都必须具备 AVB 功能。下面是一个示例。

TSN 技术解决方案

术语 TSN 被定义为一套解决方案，旨在增强和扩展 AVB 的性能，使其适用于非音频视频应用，并具有更严格的确定性和可靠性要求。本节将解释作为 TSN 技术一部分的每个通信协议的特殊性。

其中一个协议是 IEEE802.1AS-rev 时间同步标准，其目标是改进 AVB IEEE802.1AS 标准。

为什么？因为 AVB IEEE802.1AS 时间同步解决方案并不适合所有的汽车需求。TSN IEEE802.1AS-rev 时间同步通信协议的改进之处在于，即使在发生故障的情况下，也能提供更好的通用时间基准，从而不仅能够建立故障安全的自动驾驶车载网络，还能建立故障运行的网络。

IEEE802.1AS 通信协议的性能取决于相关车辆的自动化水平。这意味着，如果 AVB IEEE802.1AS 更适合车辆自动化级别为 3 的情况，那么对于自动化级别为 4 和 5 的自动驾驶车辆来说，它的性能似乎不够好，而 TSN IEEE802.1AS-rev 更适合这些车辆。

但另一方面，TSN IEEE802.1AS-rev 可能过于复杂和昂贵，不适合自动化级别为 3 的车辆，而 AVB IEEE802.1AS 可能更适合这种车辆。

IEEE802.1AS-rev 时间同步标准基于在车载网络中使用 2 大 Master 同步时间 Slave。如下图所示，当 Master 发生故障时，第二个故障后备 Master 将取代时间Master 的角色。

此外，在复杂的车载网络中可能需要不止一个时基；例如，一个时基用于车载实时控制回路，另一个时基用于车载网络中相关设备对一天中时间的共同理解。每个 Base 都需要一个时间 Master。

一个时间 Master 可用于两个时间 Base，两个不同的时间 Master 可用于两个时间 Base。这两种配置可通过 TSN IEEE802.1AS-rev 通信协议实现，但不能有效地通过 AVB IEEE802.1AS 协议实现。

关于关键自动驾驶车载网络中的确定性和可预测性要求，AVB IEEE802.1Qat 和IEEE802.1Qav 标准有助于实现逻辑确定性，并在一定程度上有助于实现时间确定性，因为它们有助于了解数据流在车载网络中的路径上可能经历的最佳和最坏情况下的传输延迟。

然而，它们无法保护关键数据流免受非关键数据流造成的不可预测的高传输抖动的影响。为了克服这一问题，下图所示的 TSN AVB IEEE802.1Qbv 具有在车载网络中提供更好的确定性和可预测性性能的优点。

这是因为以太网数据包的传输和到达时间点是通过 TSN IEEE802.1Qbv 预先安排和已知的，因此可保证相关数据传输的已知延迟时间和极低的抖动时间。

这意味着，使用 TSN IEEE802.1Qbv 通信协议传输的以太网数据包从发送设备到接收设备的传输延迟时间通常相同，而使用 AVB IEEE802.1Qav 通信协议的情况则绝对不同。

因此，与 AVB TSN IEEE802.1Qav 相比，TSN IEEE802.1Qbv 解决方案能够提供更好的可预测性车辆系统。这就是其规格的原因。

然而，这种解决方案也有一些副作用。TSN IEEE802.1Qbv 的主要副作用是配置工作量大得惊人，这让车载网络工程师怀疑该通信协议提供的高确定性是否真的适用于所有汽车应用。答案肯定是否定的。

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