车载时间敏感网络(修改02)

车载时间敏感网络技术

摘要车载时间敏感网络是介于时间触发的实时网络和异步传输的以太网之间的网络，核心是音视频桥接网络技术（Ethernet AVB），在各种新兴的驾驶辅助系统和车载多媒体等方面有广泛的应用，具有带宽高，扩展性强，成本低等优点。说明分析了Ethernet AVB技术协议栈的主要内容，并对网络运行过程中的技术特点和性能进行归纳总结。横向比对车载网络的各项技术规范，分析其适用情况和研发热点。鉴于越来越开放的车载网络环境，阐述了车载网络的信息安全问题。最后讨论了Ethernet AVB技术面临的问题和挑战，并展望了下一步研究方向。

关键词车载时间敏感网络Ethernet AVB 非屏蔽单对双绞线

Technology of Automotive Time-sensitive Network

Abstract Automotive time-sensitive network is a network between the time-triggered network and asynchronous Ethernet, and its core is the technology of audio/video bridge network, has a wide range of application in the emerging of various driving assistance systems and vehicle-mounted multimedia, etc. it has the advantages of high bandwidth, strong expansibility, low cost. Illustrate the main content of the Ethernet AVB the protocol stack, and summarizes the technical features and performance of network operation process. Though making comparisons with the specifications of the automotive network, analyzes its application situation and the development focus by combining with the specific vehicle application. Due to the increasing openness of automotive network environment, describes the information security problems of automotive networks. Finally, discusses the issues and challenges facing the Ethernet AVB technology and future research directions.

Keywords automotive Ethernet Ethernet AVB unshielded single twisted pair cable

0 引言

随着智能移动设备与车辆互联、无人驾驶以及智能交通等技术的流行，集成了高级驾驶辅助系统(ADAS)、智能视觉安全及信息娱乐设备的新型信息平台主导了新一代汽车电子的发展趋势，高清摄像头、多媒体娱乐等设备的大量应用和不断增加的数据传输交换都对传统车载网络的带宽提出了挑战。

车载时间敏感网络（Time-Sensitive Networking, TSN）[1]主要面向音视频或多媒体等方面的应用，实时性介于实时网络和普通异步网络之间。这是因为音视频数据量比较大，但又不同于一些控制信息对实时性有那么高的要求。目前时间敏感网络主要应用以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio/Video Bridging，A VB[2,3]），2012年11月IEEE成立了“时间敏感网络工作组”，其前身就是音频视频桥接（A VB）工作组，所以Ethernet A VB技术是车载时间敏感网络的核心。

1 时间敏感网络的内容和特点

1.1 什么是时间敏感网络

通过网络数据传输的最大响应时间来划分，时间敏感网络是一种弱实时性网络。从应用方面来说，不同于实时网络如FlexRay[4]，TTE[5]等传输一些对实时性要求很高的控制信息，它传输一些控制信息，音视频信息和娱乐数据，如表1所示。

时间敏感网络又被称为Ethernet A VB 2.0。A VB技术是在传统以太网络的基础上，使用精准时钟同步，通过保障带宽来限制传输延迟，提供高级别服务质量以支持各种基于音视频的媒体应用。A VB技术以IEEE1588[9]同步协议和Zeroconf零配置协议[10]为基础，可以将音视频流数据和传统以太网控制信号一起进行传输。

表1 车载网络传输时间要求

AVB并非一个标准，它包含：

IEEE 802.1AS：精准时钟定时和同步（Precision Time Protocol, PTP）

IEEE 802.1Qat：流预留协议(Stream Reservation Protocol, SRP)

IEEE 802.1Qav：时间敏感流的转发和排队(Queuing and Forwarding Protocol, Qav)

将上述三个协议整合到一起，就给在局域网中传送实时多媒体数据流提供了可能。但是还无法在实际中应用，它只是提供了在可控延时和足够带宽下的解决方案，还需要上层的通信方案即：

IEEE 1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video

2

Bridging Transport Protocol，A VBTP）（二层）

IEEE 1733：实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）（三层）

IEEE 802.1BA：A VB配置文件

另外，在更名为时间敏感网络后，又对部分原标准进行了微调，同时增添了几个性能改进标准，但并未改变其基本原理，包括：

IEEE802.1ASbt：增强功能和性能改进，基于802.1AS-2011修订定时和同步

IEEE802.1Qbu：基于802.1Qav修订框架抢占切换

IEEE802.1Qbv：基于802.1Qav修订增强流量调度

IEEE802.1Qca：支持路径控制和登记冗余网络

IEEE802.1Qcc：流预留协议的增强功能和性能改进

IEEE802.1CB：帧复制和消除的可靠性，支持无缝冗余IEEE802网络

1.2 时间敏感网络的典型应用

时间敏感网络可以传输不同应用的数据：

•高级驾驶员辅助系统(ADAS)

•CD音频

•DVD视频娱乐

•跨区域流量（cross-domain traffic）

网络拓扑如图1[11]所示。此外还有基于IP协议的车载诊断系统（OBD）等应用。

ADAS系统包括如车道偏离检测[12]、驾驶员意图预测[13,14]等应用，由六个摄像头组成，各个摄像头把视频信息传输到驾驶辅助ECU上（即DA-Cam）进行分析处理。根据用途可以把摄像头分为两类[15]，一类用来提供驾驶安全服务，如道路偏离警报和交通信号识别（LDW/TSR），另一类则是为驾驶员提供全景摄像。CD音频和DVD视频属于娱乐系统,其中视频可以发送到后座娱乐设备。跨区域流量指的是通过网关设备传输的车辆控制信息，通常是用于汽车导航或驾驶员提醒功能。

关于上述应用，CAN，FlexRay等传统网络都受到带宽的制约。车载多媒体和娱乐方面，MOST[16]是目前比较流行的车载总线，支持的多媒体流数据传输，如表2所示。虽然MOST150标准的最大带宽为150 Mbps，但由环形拓扑结构中的各个节点共享，节点的数量将会受到制约。即使带宽在一定程度上可以满足目前的技术要求，但是在ADAS应用和与跨区域网络连接时，其效率并不可观。并且由于单一供应商和传输介质的限制，其成本也一直居高不下。所以，时间敏感网络是大势所趋。

表2 常见车载网络对比

协议最高带宽传输介质

最大

载荷

实

时

成

本

CAN 1 Mbps 双绞线8 否低

LIN 19.2 bps 单缆8 否低

TTP/C 10 Mbps 双绞线/光纤128 是高

FlexRay 10 Mbps 双绞线/光纤254 是中

LVDS 850 Mbps 双绞线串/并行- 否低

MOST 150 Mbps 双绞线/光纤3072 否高

A V

B 100 Mbps 非屏蔽双绞线1500 否高Ethernet 1 Gbps 非屏蔽双绞线1500 否低

1.3 时间敏感网络的主要特点

根据以上介绍可以发现，时间敏感网络以以太网为基础，使其具有得天独厚的有事，具体有如下特点：（1）可扩展性

以太网作为全世界最成功应用最广泛的民用局域网络技术，具有很好的扩展性。它可以较好的实现与车内各个网络、移动无线设备、外部网络等的连接，使用于各个车载平台，具有较好的通用性。面对越来越开放，越来越智能的汽车电子发展方向，这无疑是车载时间敏感网络的巨大优势。

（2）高带宽

高带宽是以太网被广泛应用的另一个优势，Ethernet A VB技术而言，目前可以通过以太网交换机为每一条以太网链路提供100Mbps的带宽，具有很强的网络传输能力。同时，随着千兆以太网、G比特以太网的逐渐投入使用，其未来的传输能力也非常可观。这是其他汽车网络无法比拟的优势。

（3）低成本

时间敏感网络的低成本暂时处于理论阶段，一方面得益于以太网设备较低廉的成本，另一方面则是博通(Broadcom)公司开发的BroadR-Reach技术。该技术应用非屏蔽单对双绞线实现100Mbps的全双工通信。相对于传统的屏蔽线缆，成本可以降低80%，重量减轻30%，进一步提供燃油效率[17]，另外，为满足严格的汽车工业EMC需求，传输频率也从200MHz左右降到了50MHz左右。博

图 1 星型拓扑图 1 星型拓扑