孔祥明 李長(zhǎng)龍 梁貴友 周時(shí)瑩 高長(zhǎng)勝

【摘要】隨著車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性和大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重需求逐步增加，時(shí)間敏感以太網(wǎng)（TSN）成為以車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)的電子電氣架構(gòu)中必不可少的技術(shù)。為了驗(yàn)證TSN協(xié)議對(duì)車載以太網(wǎng)的延時(shí)影響，通過(guò)對(duì)TSN主要協(xié)議族的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，使用RTaW軟件建模，通過(guò)Zonal架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)4種不同情況的車載以太網(wǎng)流量進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，采用TSN協(xié)議的車載以太網(wǎng)在干擾流量占主要鏈路為80%帶寬時(shí)，最差端到端時(shí)延約增加0.1 us，接近無(wú)干擾情況延時(shí)。仿真表明TSN對(duì)車載以太網(wǎng)傳輸隊(duì)列延遲有可靠保證，TSN將在音視頻傳輸、高等級(jí)自動(dòng)駕駛、安全備份等方面發(fā)揮更大的作用。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車；時(shí)間敏感以太網(wǎng)；車載以太網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393.11?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220281

Research on Application of Time Sensitive Ethernet Technologies

Kong Xiangming1，2， Li Changlong1，2， Liang Guiyou1，2， Zhou Shiying1，2， Gao Changsheng1，2

（China FAW Group Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 With the increasing demand for real-time and large capacity data transmission in the in-vehicle network， Time Sensitive Networking （TSN） has become an essential technology in the electronic and electrical architecture with vehicle ethernet as the backbone network. In order to verify the delay effect of TSN protocol on vehicle ethernet， this paper analyzes the technical characteristics and application scenarios of the main TSN protocol family， uses RTaW software modeling， and simulates the traffic of vehicle ethernet under 4 different conditions through the Zonal architecture network. The results show that when the interference traffic accounts for 80% of the main link bandwidth， the worst end-to-end delay of vehicle ethernet using TSN protocol increases by about 0.1 us， which is close to no-interference case delay. Simulation results show that TSN can guarantee the delay of vehicle ethernet transmission queue reliably. TSN will play a greater role in audio and video transmission， high-level automatic driving， security backup and other aspects.

Key words： Intelligent and Connected Vehicle（ICV）， Time Sensitive Networking（TSN）， Vehicular ethernet

【歡迎引用】 孔祥明， 李長(zhǎng)龍， 梁貴友， 等. 時(shí)間敏感以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 汽車文摘，2024（7）： 37-43.

【Cite this paper】 KONG X M， LI C L， LIANG G Y， et al. Research on Application of Time Sensitive Ethernet Technologies[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（7）： 37-43.

0 引言

當(dāng)前車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于通信帶寬、速率要求逐步增加，傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)難以同時(shí)滿足汽車對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性的需求。傳統(tǒng)以太網(wǎng)雖技術(shù)成熟但最初并非用于車載網(wǎng)絡(luò)，只解決了帶寬和速率的需求，沒(méi)有過(guò)多涉及時(shí)序且沒(méi)有充分考慮時(shí)延，導(dǎo)致傳統(tǒng)以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中出現(xiàn)延時(shí)增加和抖動(dòng)情況。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking， TSN）是電氣和電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）802.1工作小組中的TSN工作小組制定的系列標(biāo)準(zhǔn)，即在非確定性的以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)確定性的最小時(shí)延的協(xié)議族，其定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地傳輸。北京理工大學(xué)鄒淵[1]提出了以端口數(shù)均勻、負(fù)載均衡和信息流端到端延時(shí)最低為優(yōu)化目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化框架。國(guó)汽（北京）智能網(wǎng)聯(lián)汽車研究院李群[2]提出了一種新型車載以太網(wǎng)TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試原理。吉林大學(xué)楊浩[3]對(duì)TSN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)和性能進(jìn)行歸納總結(jié)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞TSN的研究主要集中在協(xié)議綜述、優(yōu)化分析、算法設(shè)計(jì)、測(cè)試原理等方面。

針對(duì)缺少實(shí)際應(yīng)用研究和真實(shí)仿真的問(wèn)題，本文提出了時(shí)間敏感以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究。首先介紹TSN主要協(xié)議，對(duì)車載典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行說(shuō)明；然后使用RTaW軟件建立實(shí)車仿真拓?fù)洌瑢?duì)部分TSN協(xié)議不同場(chǎng)景分別進(jìn)行仿真；對(duì)目標(biāo)流量經(jīng)過(guò)的主要鏈路添加干擾流量，按照鏈路總帶寬的20%、40%、60%、80%添加干擾；在 Qbv 整型下，對(duì)比制動(dòng)踏板傳感器流量和制動(dòng)踏板執(zhí)行器流量的最差端到端時(shí)延，旨在驗(yàn)證TSN協(xié)議對(duì)車載以太網(wǎng)延時(shí)的影響。

1 主要協(xié)議介紹

TSN是一系列標(biāo)準(zhǔn)，TSN協(xié)議族（見(jiàn)圖1）非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇。它從時(shí)間同步、延遲、可靠性、資源管理4個(gè)方面考慮擴(kuò)展傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不同系統(tǒng)在時(shí)效性方面的需求，本章介紹主要的TSN協(xié)議內(nèi)容。

1.1 IEEE 802.1AS

時(shí)間敏感應(yīng)用的定時(shí)和同步（IEEE 802.1AS）通常被稱為廣義的精確時(shí)間協(xié)議（generalized Precision Time Protocol， gPTP）。最新版IEEE 802.1AS-2020取代了2011年發(fā)布的IEEE801.AS-2011。該協(xié)議的主要作用是實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步和主時(shí)鐘備份，確保連接在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步，并達(dá)到μs級(jí)甚至ns級(jí)精度。汽車領(lǐng)域典型的應(yīng)用場(chǎng)景為：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；不同執(zhí)行部件間的步調(diào)協(xié)調(diào)；前后排主機(jī)音視頻同步。

IEEE 801.1 AS-2011的主要規(guī)范如下：

（1）只支持一個(gè)時(shí)間域；

（2）傳輸：gPTP假設(shè)通信是在2層完成；

（3）單一鏈路延遲（Propagation delay， Pdelay）機(jī)制旨在對(duì)等連接（Peer-to-Peer， P2P）；

（4）不允許使用精確時(shí)間協(xié)議中繼（Precision Time Protocol relays， PTP relays）：網(wǎng)絡(luò)中主端口（Master）和 從端口（Slave）之間所有的節(jié)點(diǎn)都必須具備精確時(shí)間同步協(xié)議（Precision Time Protocol， PTP）；

（5）同步是硬性要求；

（6）時(shí)間戳分辨率必須≥40 ns。

IEEE 801.1 AS 中的可選配置項(xiàng)和規(guī)范旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定的性能，當(dāng)傳輸過(guò)程被分成6個(gè)或更少的時(shí)間感知系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的同步精度能達(dá)到1 μs之內(nèi)。

IEEE 802.1AS-2020相比于IEEE 802.1AS-2011有很多增強(qiáng)的規(guī)范，其中最重要的新規(guī)范如下：

（1）支持多個(gè)時(shí)間域；

（2）不需要最佳主時(shí)鐘算法（Best Master Clock Algorithm， BMCA），可以選擇靜態(tài)配置Master、Slave。

只要不使用這些新的增強(qiáng)規(guī)范，IEEE 802.1AS-2020就可以兼容IEEE 801.1 AS-2011。

1.2 IEEE 802.1Qav

IEEE 802.1Qav 為時(shí)間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)增強(qiáng)協(xié)議，其定義了一個(gè)利用優(yōu)先級(jí)、基于“漏桶”信用公平排隊(duì)的流量整形器。IEEE 802.1Qav第一次發(fā)布在2009年，隨后被合并到IEEE 802.1Q-2014中。之后在IEEE 802.1Qbv中關(guān)于流量調(diào)度的增強(qiáng)（Enhancements for Scheduled Traffic， EST）的相關(guān)內(nèi)容中，對(duì)IEEE802.1Qav做了進(jìn)一步修訂，并將其合并在IEEE 802.1Q-2018中。

由于流量突發(fā)經(jīng)常發(fā)生在出現(xiàn)擁塞的網(wǎng)橋端口和終端網(wǎng)絡(luò)端口上，所以需要使用IEEE 802.1Qav協(xié)議。終端網(wǎng)絡(luò)端口利用流量突發(fā)的方式達(dá)到可能的最高數(shù)據(jù)吞吐量。這賦予了終端網(wǎng)絡(luò)較好的性能，但是流量突發(fā)可能是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中（對(duì)網(wǎng)橋而言）發(fā)生的最壞流量情況。單一來(lái)源的流量突發(fā)不一定造成問(wèn)題，但是同一時(shí)間多個(gè)來(lái)源的流量突發(fā)造成的擁塞將成為問(wèn)題。如果網(wǎng)橋設(shè)備中出現(xiàn)擁塞，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的情況。近年來(lái)，網(wǎng)橋通過(guò)數(shù)據(jù)重傳的方式來(lái)解決數(shù)據(jù)包丟失的問(wèn)題。然而，數(shù)據(jù)重傳不能滿足低時(shí)延和保證傳輸?shù)竭_(dá)的需求。通過(guò)增加一個(gè)網(wǎng)橋的存儲(chǔ)空間來(lái)提高其緩存能力也并不可取，因?yàn)槠渲荒芙鉀Q特定網(wǎng)絡(luò)的配置問(wèn)題，無(wú)法解決根本問(wèn)題。如圖2所示，在通過(guò)以上方法解決網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題的網(wǎng)絡(luò)中增加一條額外的數(shù)據(jù)流，緩存容量可能不再滿足要求，同時(shí)額外的存儲(chǔ)空間也會(huì)增加時(shí)延。IEEE 802.1Qav隊(duì)列傳輸見(jiàn)圖3。

基于信用的整形器（Credit Based Shaper， CBS）通過(guò)抑制硬件上的流量突發(fā)，解決了在網(wǎng)絡(luò)擁塞點(diǎn)和網(wǎng)卡處的丟包問(wèn)題。它可以在劃分流量等級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行配置，對(duì)于不支持CBS的隊(duì)列上的數(shù)據(jù)流，會(huì)按它們?cè)瓉?lái)的方式正常發(fā)送；對(duì)于支持CBS的隊(duì)列上的數(shù)據(jù)流，會(huì)自動(dòng)消除流量突發(fā)，而不需要對(duì)優(yōu)化的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)器或者網(wǎng)橋的排隊(duì)在硬件上做出任何改變。這使突發(fā)性的流量得以平滑，并且使“盡力而為（Best-Effort）”流量的傳輸不會(huì)產(chǎn)生明顯中斷，即高優(yōu)先級(jí)的流量不完全扼制那些低優(yōu)先級(jí)的Best-Effort流量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CBS用于平滑流量并在時(shí)間上均勻分發(fā)數(shù)據(jù)包。否則，大量的數(shù)據(jù)包或者突發(fā)的流量會(huì)造成緩沖區(qū)溢出?？墒褂肅BS的場(chǎng)景如下：

（1）音視頻或其他類似的應(yīng)用；

（2）AVB網(wǎng)橋的流量整形器：音視頻流量?jī)?yōu)先于Best-Effort流量進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使用服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service， QoS）參數(shù)的AVB流量傳輸；

（3）常規(guī)流量突發(fā)的平滑處理；

（4）提供良好的QoS保證，配置復(fù)雜度低的網(wǎng)絡(luò)。

1.3 IEEE 802.1Qbv

IEEE 802.1Qbv為計(jì)劃流量的增強(qiáng)協(xié)議，第一次發(fā)布于2015年，隨后被合并到橋接網(wǎng)絡(luò)整形器標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1Q-2018中。嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)整形器（IEEE 802.1p）和基于信用的整形器（IEEE 802.1Qav）的共同缺點(diǎn)是它們不能嚴(yán)格保證在所有應(yīng)用中具有確定性的低時(shí)延。為了解決該問(wèn)題并完成理論上可能的最低時(shí)延，時(shí)間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）被開(kāi)發(fā)出來(lái)。IEEE 802.1Qbv整形器最好在有周期性數(shù)據(jù)發(fā)送的應(yīng)用中工作，其中關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)該在固定周期的固定時(shí)間隔內(nèi)發(fā)送和處理，以達(dá)到非常低和確定性的時(shí)延，IEEE 802.1Qbv門控調(diào)度見(jiàn)圖4。

IEEE 802.1Qbv通過(guò)在關(guān)鍵流計(jì)劃出去端口期間，確保端口處于空閑狀態(tài)，從而將時(shí)延最小化，保證時(shí)間關(guān)鍵流的最小時(shí)延。因?yàn)殛P(guān)鍵流可以在計(jì)劃時(shí)間精確地發(fā)送數(shù)據(jù)，且確保端口在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)不會(huì)發(fā)送其他任何數(shù)據(jù)（比如一個(gè)最大干擾幀）。數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間是通過(guò)定義一個(gè)對(duì)每個(gè)流量等級(jí)（Traffic Class， TC）門的開(kāi)/關(guān)時(shí)間表來(lái)確定。流量被引導(dǎo)到合適的流量等級(jí)上，以確保其在要求的時(shí)間發(fā)送。如果一個(gè)隊(duì)列上的門是關(guān)閉的，其對(duì)應(yīng)的TC就不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)，當(dāng)門是開(kāi)放狀態(tài)時(shí)TC才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

為了確保IEEE 802.1Qbv正常工作，網(wǎng)絡(luò)中的傳輸設(shè)備需要具備“時(shí)間感知”能力，也就是說(shuō)，傳輸設(shè)備需要運(yùn)行某種形式的精確時(shí)間協(xié)議（IEEE 802.1AS）來(lái)同步時(shí)間。除此之外，在支持計(jì)劃流量的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的門開(kāi)/關(guān)時(shí)間表都必須配置在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸設(shè)備上。

IEEE 802.1Qbv使用一個(gè)門驅(qū)動(dòng)器機(jī)制（圖5），根據(jù)一個(gè)網(wǎng)橋上每個(gè)端口已知的、商定的時(shí)間表來(lái)進(jìn)行開(kāi)和關(guān)的操作。門控列表（Gate Control List， GCL）包含門控條目（Gate Control Entrys， GCEs），這些門控條目指明哪個(gè)隊(duì)列現(xiàn)在是開(kāi)門狀態(tài)并且有資格發(fā)送數(shù)據(jù)。

根據(jù)GCL中的GCEs和每個(gè)隊(duì)列的傳輸選擇算法來(lái)發(fā)送幀。每個(gè)單獨(dú)的隊(duì)列都有自己的傳輸選擇算法，比如，嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)或者基于信用的整形器。

1.4 IEEE 802.1Qci

IEEE 802.1Qci協(xié)議包含單流過(guò)濾和控制策略（Per-Stream Filtering and Policing，PSFP），第一次發(fā)布時(shí)間為2017年，隨后被合并到用于網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議IEEE 802.1Q-2018中。

如圖6所示，IEEE 802.1Qci通過(guò)對(duì)單一通信流量進(jìn)行過(guò)濾和控制，以提升網(wǎng)絡(luò)健壯性。防止出現(xiàn)由于故障或拒絕服務(wù)（Denial of Service， DoS）攻擊造成的流量過(guò)載，對(duì)網(wǎng)橋和接收終端的正常工作帶來(lái)的影響。PSFP主要包含3部分：流過(guò)濾器、門控機(jī)制和流量計(jì)。流過(guò)濾器對(duì)于符合規(guī)則且具有特定流標(biāo)識(shí)和優(yōu)先級(jí)的報(bào)文準(zhǔn)予通過(guò)，對(duì)于不符合規(guī)則的流量采取控制策略，比如帶寬限制規(guī)則會(huì)限制超出帶寬的流量。而流量計(jì)根據(jù)預(yù)定義的帶寬信息計(jì)量每個(gè)流量。

為了解決“胡言傻瓜（Babbling Idiot）”的問(wèn)題，需要使用IEEE 802.Qci協(xié)議中的PSFP策略。解決這一問(wèn)題不僅可以有效地降低故障率，同時(shí)能解決一些安全問(wèn)題。一個(gè)故障的發(fā)送端或交換機(jī)發(fā)送流量太多，或在錯(cuò)誤時(shí)間發(fā)送，會(huì)占用其他流的帶寬，導(dǎo)致這些流量帶寬和時(shí)延無(wú)法得到保證，引發(fā)故障。因此一個(gè)具有Babbling Idiot問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)，會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)流，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如圖7所示，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備Talker 1（紅色路徑）為發(fā)送了過(guò)多數(shù)據(jù)的故障流。這造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備Talker 2（綠色路徑）超出帶寬要求和時(shí)延保證。綠色路徑的節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有故障，但其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流卻發(fā)生了故障。

為了解決Babbling Idiot的問(wèn)題，流入控制策略引入了能夠關(guān)斷或限制超出帶寬數(shù)據(jù)量的過(guò)濾器。如圖8a所示，Talker 1的帶寬被限制，使得綠色路徑下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流能遵循其帶寬要求和時(shí)延保證。

如圖8b所示，沒(méi)有采用限制Talker 1傳輸速率的方式，而是完全關(guān)閉Talker 1，同樣的綠色路徑下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流能遵循其帶寬要求和時(shí)延保證。

PSFP不適合Best Effort流量，因?yàn)锽est Effort流量沒(méi)有確定性，所以如何界定發(fā)送Best Effort流量節(jié)點(diǎn)是否故障是未知的。超出帶寬限制的Best Effort流量會(huì)在流出端口時(shí)被丟棄，因此不會(huì)對(duì)其他流量類造成影響。PSFP適用于以下流量：

（1）AVB預(yù)留的流量（Class A&B， Qav）；

（2）靈活控制的流量類（如：蠕動(dòng)整型器，基于緊急性的調(diào)度器，發(fā)送速率限制整型器）；

（3）調(diào)度性流量類（Qbv）。

1.5 IEEE 802.1CB

IEEE 802.1CB是汽車以太網(wǎng)冗余協(xié)議，其主要目標(biāo)是通過(guò)確保數(shù)據(jù)完整性來(lái)提供功能安全。此項(xiàng)必須保持在TSN網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格延遲和抖動(dòng)容限內(nèi)。

一些典型的失效情況如下：

（1）設(shè)備失效：傳感器因老化或環(huán)境原因（如熱或水污染）而損壞或出現(xiàn)故障；

（2）鏈路失效：線纜破損或短路；

（3）接插件失效：因機(jī)械應(yīng)力或接觸腐蝕而脫節(jié)。

在有嚴(yán)格時(shí)序和功能安全需求的TSN網(wǎng)絡(luò)中，以下目標(biāo)必須通過(guò)冗余機(jī)制來(lái)滿足：零丟包、保證端對(duì)端時(shí)延、低抖動(dòng)。

IEEE 802.1CB的基本工作原理是在源頭對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編序和復(fù)制。多個(gè)副本通過(guò)多條路線發(fā)送到目的地。然后在目的地或中繼站消除重復(fù)，以減少網(wǎng)絡(luò)過(guò)載，也就是將一個(gè)流劃分為多個(gè)鏈接的成員流，因此原始流被稱為復(fù)合流。最后重新加入成員流并消除重復(fù)，以提供重構(gòu)的原始流，見(jiàn)圖9。

如圖10所示的網(wǎng)絡(luò)，有7種可能的單鏈路故障和21種可能的雙鏈路故障。如果7條鏈路中的任何一條出現(xiàn)故障，并且在21條可能的雙鏈路故障路徑中的16條中出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)仍能夠傳輸數(shù)據(jù)。

IEEE 802.1CB 針對(duì)傳輸錯(cuò)誤提供了保護(hù)。通過(guò)預(yù)防性復(fù)制幀并通過(guò)不同路徑將冗余副本傳輸?shù)侥康牡貋?lái)解決這些問(wèn)題。

2 車載以太網(wǎng)仿真驗(yàn)證

使用RTaW軟件，針對(duì)部分TSN協(xié)議進(jìn)行仿真，建立3個(gè)命名為HPC1、HPC2、HPC3的控制器，這3個(gè)控制器與各交換機(jī)之間鏈路為千兆以太網(wǎng)，各電子控制單元（Elecmal Control Unit， ECU）與交換機(jī)之間鏈路為百兆以太網(wǎng)。

為了綜合考慮不同整型方式、干擾流量對(duì)目標(biāo)流量的影響，分4種情況分析。

（1）僅有目標(biāo)流量，分析目標(biāo)流量最差情況下的端到端時(shí)延，以及目標(biāo)流量之間是否存在影響。

（2）干擾流量與目標(biāo)流量無(wú)優(yōu)先級(jí)區(qū)別，分析目標(biāo)流量與干擾流量具有相同優(yōu)先級(jí)時(shí)，最差情況下的端到端時(shí)延。

（3）目標(biāo)流量具有較高優(yōu)先級(jí)，分析采用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)整型時(shí)，目標(biāo)流量及干擾流量最差情況下的端到端時(shí)延變化。

（4）目標(biāo)流量采用TSN整型，分析對(duì)目標(biāo)流量采用適合的TSN整型時(shí)，目標(biāo)流量最差情況下的端到端時(shí)延變化。

在上述情況中，干擾流量將按照鏈路總帶寬的 20%、40%、60%、80%的比例逐步增加。

2.1 僅有目標(biāo)流量

使用RTaW軟件進(jìn)行仿真時(shí)，所有目標(biāo)流量均在同一優(yōu)先級(jí)時(shí)，最差端到端時(shí)延分析見(jiàn)圖11。

（1）從仿真結(jié)果可以看出當(dāng)目標(biāo)流量均處于同一優(yōu)先級(jí)時(shí)，目標(biāo)流量之間會(huì)出現(xiàn)干擾。

（2）以音、視頻流為例，由于音、視頻流均由ECU2發(fā)送，因此最差情況下音、視頻流同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)對(duì)于音頻而言將引入視頻流一個(gè)周期內(nèi)最大總長(zhǎng)度的時(shí)延，即133×842×8/100=8 958.88 μs，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)不同類型的目標(biāo)流量設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)。

2.2 干擾流量與目標(biāo)流量無(wú)優(yōu)先級(jí)區(qū)別

在同一優(yōu)先級(jí)下，對(duì)目標(biāo)流量經(jīng)過(guò)的主要鏈路添加干擾流量，按照鏈路總帶寬的20%、40%、60%、80%添加干擾。

以干擾流量占主要鏈路帶寬80%為例，軟件仿真結(jié)果分析見(jiàn)圖12。

（1）從仿真結(jié)果可以看出，干擾流量與目標(biāo)流量處于同一優(yōu)先級(jí)時(shí)，會(huì)極大地影響目標(biāo)流量的端到端時(shí)延，特別是對(duì)于帶寬需求高的流量。

（2）以視頻流為例，由于在鏈路 Bridge3->Bridge2以及Bridge4->Bridge5，各添加了80%帶寬的干擾流量，在此最差情況下，視頻流將引入干擾流量一個(gè)周期內(nèi)最大總長(zhǎng)度的時(shí)延，即649×1542×8/1 000=8 006.064 us。

2.3 目標(biāo)流量具有較高優(yōu)先級(jí)

使用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)區(qū)分目標(biāo)流量和干擾流量，干擾流量仍以鏈路總帶寬的20%、40%、60%、80%添加以干擾流量占主要鏈路80%帶寬為例軟件仿真結(jié)果分析見(jiàn)圖13。

（1）從仿真結(jié)果可以看出，設(shè)置目標(biāo)流量擁有更高優(yōu)先級(jí)后，繼續(xù)增加干擾流量的帶寬至總帶寬 60%，最差情況下目標(biāo)流量的端到端時(shí)延不會(huì)發(fā)生改變。

（2）分析最差情況下干擾流量的端到端時(shí)延，以Bridge3和Bridge2之間的Interrupt_BE32為例，可以計(jì)算出基本的傳輸時(shí)延為649×1 542×8/1 000=8 006.064 μs，再考慮音、視頻流對(duì)干擾流量的影響，基本與軟件仿真結(jié)果8 977 μs一致，可以看出這一影響隨著干擾流量的帶寬增加而被放大。設(shè)置了嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)后，較低優(yōu)先級(jí)的干擾流量不會(huì)影響到高優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)流量，但是隨著使用帶寬的增加，Best-Effort 流量的端到端延時(shí)成比例增加。

2.4 目標(biāo)流量采用TSN整型

對(duì)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）控制流量設(shè)置時(shí)間意識(shí)整型器（Time Awareness Shaper，TAS）整型器（IEEE 802.1Qbv），對(duì)音、視頻流及攝像頭數(shù)據(jù)流設(shè)置CBS整型器（IEEE 802.1Qav），同時(shí)采用多時(shí)鐘域的時(shí)間同步機(jī)制（IEEE 802.1AS），由于ADAS控制流量存在冗余路徑，因此原設(shè)計(jì)文檔中TAS整型器根據(jù)冗余路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置主路徑和冗余路徑的門控列表。

以干擾流量占主要鏈路80%帶寬為例，軟件仿真結(jié)果分析見(jiàn)圖14所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在 IEEE 802.1Qbv整型器下，制動(dòng)踏板傳感器流量和制動(dòng)踏板執(zhí)行器流量的最差端到端時(shí)延分別為71 μs 和87 μs，均接近無(wú)干擾情況下的軟件仿真值70 μs 和86 μs，不會(huì)受到干擾流量增加的影響，可見(jiàn) IEEE 802.1Qbv 門控列表設(shè)計(jì)有效保護(hù)了目標(biāo)流量的傳輸。此外，IEEE 802.1Qav整型為攝像頭數(shù)據(jù)流量預(yù)留足夠的帶寬，也保證其傳輸不受干擾流量增加的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)間敏感以太網(wǎng)是解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車以以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)時(shí)，傳輸時(shí)間敏感類數(shù)據(jù)的一項(xiàng)有效的技術(shù)，也是未來(lái)汽車發(fā)展中一種必然趨勢(shì)，這將對(duì)傳統(tǒng)汽車的整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生顛覆性的影響。本文描述了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的主要協(xié)議族的技術(shù)特點(diǎn)及典型應(yīng)用場(chǎng)景的考量。通過(guò)一個(gè)基于Zonal架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了時(shí)間敏感以太網(wǎng)對(duì)傳輸隊(duì)列延時(shí)的保證。時(shí)間敏感以太網(wǎng)將在音視頻傳輸、高等級(jí)自動(dòng)駕駛、安全備份等方面發(fā)揮更大的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 明慧）