车用以太网或将成实现ADAS及自动驾驶关键

摘要:以太网络技术具有成本低、重量轻、数据传输率高的特性,且并非专有性质,因此成为实现先进驾驶辅助系统（adas）应用及自动驾驶的关键.为达成操控车辆所需的安全与精确延迟（latency）要求,业界现正开发多种有助于提升以太网络型应用程序……

以太网络技术具有成本低、重量轻、数据传输率高的特性,且并非专有性质,因此成为实现先进驾驶辅助系统（adas）应用及自动驾驶的关键.为达成操控车辆所需的安全与精确延迟（latency）要求,业界现正开发多种有助于提升以太网络型应用程序可靠度、时序、备援性（redundancy）及故障侦测能力的开放性标准,以利此项技术运用于全车各项功能.

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汽车产业与以太网络共同的目标是利用其先进网络架构运行日益精密复杂的应用程序,从信息娱乐到先进驾驶辅助系统,乃至于关键任务系统的控制.目前,以太网络用于车上诊断系统（on-board diagnostics, obd）、韧体更新以及环景摄影机的拍摄影像传输.下一阶段是利用以太网络将传感器与内嵌中央处理器（cpu）连接,实现如主动式定速巡航控制、车道维持辅助、交通标志辨识、行人侦测以及碰撞回避等先进驾驶辅助系统应用程序所需的传感器融合.

未来,以太网络将运用于动力传动系统和底盘的直接控制,提供诸如煞车、转向、变速以及引擎控制等关键任务功能,且终将于此汇集自动驾驶所需的一切功能.

提高通讯协议要求 提升可靠度降低延迟

机能性的提高,意味着须要加强车载组件之间的连接性,尤其是带宽、安全性与可靠度以及延迟等部分. 随着处理器、摄影机以及如雷达等感应组件数量持续增加,不仅所需带宽更大,也更讲求对于时效性数据的可靠传输.而传输的可靠性取决于精确且短暂的延迟,特别是在关键任务控制方面.举例而言,若在碰撞回避之类的应用程序中发生封包丢失的情形,便可能无法及时煞车,造成难以弥补的灾难.同理,若是系统带宽难以容纳来自多台摄影机与传感器的数据聚合,则根本不可能实现自动驾驶.

从以太网络观点来看,带宽主要是应用于物理层（phy layer）,而可靠度及延迟主要是应用于媒体访问控制（media access control, mac）层.

tsn标准加快制定 满足安全性/低延迟要求

目前开发中的开放标准是以满足未来先进驾驶辅助系统功能及自动系统在安全性、可靠度和延迟方面的要求为目标,确保所有汽车组件之间可靠且适时地相互操作.为达成操控车辆所需的安全性及低延迟要求,以太网络切换与数据传输控制法定标准制定单位ieee 802.1现正开发一套新的开放标准,合称为时效性网络（time sensitive networking, tsn）（表1）,用以实现低延迟、精确且可靠的同步封包传输.

表1 主要tsn标准

tsn是影音桥接（avb）标准的超集（superset）,说明如何于以太网络上保障带宽并执行数据同步,进而确保服务质量（qos）,其所规范的精确度为一微秒（μs）以内,且所要求的实施更胜许多关键任务功能的要求.各类主要的tsn标准说明如下:

ieee 802.1as-rev:时效性应用之时序与同步

ieee 802.1as-rev标准于主时钟及故障侦测中导入备援能力,提升电子控制单元（electronic control unit, ecu）中实时时钟设定的可靠性,并满足iso 26262功能安全要求.

ieee 802.1qbv:已排程流量强化

ieee 802.1qbv标准依据取自ieee 802.1as标准的时序增加时间感知队列排空程序,同时支持已排定流量、credit-based调度流量及其他桥接式流量（bridged traffic）.

此标准将传输闸加入八个优先队列,可于特定时点关闭低优先度队列以利高优先度队列立即使用网络,藉此保障高优先度低延迟控制讯框的存取权,类似于自动车工程师学会（sae）在2011-as6802中所称的时间触发型以太网络,能够实现如每125微秒传输一次讯框的ieee 1722发话a级串流等周期性影音（av）流量传输.

ieee 802.1qbv导入保护频带概念,即是于特定时期阻止讯务开始传输,以确保控制讯框可于排定时间发送.为支持已排程讯务,必须利用时间感知整形降低通讯延迟及跳动.方法是将具时间感知性的高优先度a级数据ta1-ta3插入两个o1讯框片段之间,藉此缩短延迟.在保护频带期间内会封锁非时效性数据的传输,以免新进的时间感知（高度优先）数据封包遭到其他数据o所延迟.传输的数据兼具优先及确定性质,为控制系统的关键.

ieee 802.1qbu/ieee 802.3br:考虑讯框优先

如ieee 802.1qbu和ieee 802.3br所定义的优先可避免保护频带过大,且可于讯框开始传输后将之分段.换言之,高度优先讯框可中断低度优先讯框的传输.ieee 802.3br标准定义必要的讯框片段数据封装和侦错监测值,最小为64字节.发送队列的优先和控制关系到输出埠上传输的流量.图2说明ta1、ta2及ta3的ieee 802.1qbu/ieee 802.3br讯框优先（frame preemption）实施情形.

图2 时序表样本

ieee 802.1qci:逐一串流过滤与管理

有关输入部接收流量的ieee 802.1qci标准尚处于早期阶段,其目的为缓和错误操作节点造成的影响,定义了管理与过滤功能,包括侦测网络中其他系统造成的破坏性传输并加以减轻,改善该网络的稳健性.

ieee 802.1cb:提升可靠度之讯框复制与消除

同样处于早期阶段的ieee 802.1cb标准导入无缝备援及故障侦测,旨在提升机能安全以及讯框复制与消除作业.例如,网络节点可为环状相连,执行双向流量传输,因而需要两条不同路径通往终点.ieee 802.1cb标准于接收节点规范如何消除重复讯框.为确保功能安全,必须具备高度可用性、冗余容错设计以及快速故障侦测能力.环形拓扑是于网络中导入备援性的一种方式.ieee 802.1cb和ieee 802.1as-rev标准导入故障侦测方法.

mac合并子层模块 支持多种tsn标准

众厂商多年来致力于提供以汽车应用为主的avb标准及tsn标准以太网络mac产品.其中,cadence以太网络mac不仅支持传送队列,近来更新增对于ieee 802.1as-rev与ieee 802.1qbv标准的支持,在每一传送队列使用开闸定时器和关闸定时器.

该公司现已实现mac合并子层（mac merge layer, mmsl）模块,具备两种以太网络mac选择,其一是可优先mac（pmac）,另一者为快速mac（emac）（图3）.emac仅用于支持单一传送队列.停用优先时,mmsl会在emac与pmac之间进行逐框调停.emac仍为最高优先,但从pmac送出的讯框会以未经修改的原状送出.

图3 mac合并子层

除此之外,该公司也提供支持ieee 802.1qbu优先硬件要求的解决方案.待ieee 802.1cb和ieee 802.1qci标准定义更加明确后,也将提供对应支持.

新兴tsn标准可靠性佳 加快汽车以太网络部署

如新一代avb传输协议等新兴tsn标准所提供的特性,能够完全满足iso 26262要求,并将汽车以太网络的部署扩展至安全关键系统.tsn标准旨在提升以太网络的稳健性、可靠度、备援性以及故障侦测能力,以利以太网络在实时控制与安全关键应用程序方面的利用.

本文作者皆任职于cadence,sachin dhingra为资深产品营销经理

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