車用以太網(wǎng)或將成實現(xiàn)ADAS及自動駕駛關鍵

以太網(wǎng)絡技術具有成本低、重量輕、數(shù)據(jù)傳輸率高的特性，且并非專有性質，因此成為實現(xiàn)先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）應用及自動駕駛的關鍵。為達成操控車輛所需的安全與精確延遲（Latency）要求，業(yè)界現(xiàn)正開發(fā)多種有助于提升以太網(wǎng)絡型應用程序可靠度、時序、備援性（Redundancy）及故障偵測能力的開放性標準，以利此項技術運用于全車各項功能。

汽車產(chǎn)業(yè)與以太網(wǎng)絡共同的目標是利用其先進網(wǎng)絡架構運行日益精密復雜的應用程序，從信息娛樂到先進駕駛輔助系統(tǒng)，乃至于關鍵任務系統(tǒng)的控制。目前，以太網(wǎng)絡用于車上診斷系統(tǒng)（On-board DiagnosTIcs， OBD）、韌體更新以及環(huán)景攝影機的拍攝影像傳輸。下一階段是利用以太網(wǎng)絡將傳感器與內嵌中央處理器（CPU）連接，實現(xiàn)如主動式定速巡航控制、車道維持輔助、交通標志辨識、行人偵測以及碰撞回避等先進駕駛輔助系統(tǒng)應用程序所需的傳感器融合。

未來，以太網(wǎng)絡將運用于動力傳動系統(tǒng)和底盤的直接控制，提供諸如煞車、轉向、變速以及引擎控制等關鍵任務功能，且終將于此匯集自動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

機能性的提高，意味著須要加強車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、攝影機以及如雷達等感應組件數(shù)量持續(xù)增加，不僅所需帶寬更大，也更講求對于時效性數(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，特別是在關鍵任務控制方面。舉例而言，若在碰撞回避之類的應用程序中發(fā)生封包丟失的情形，便可能無法及時煞車，造成難以彌補的災難。同理，若是系統(tǒng)帶寬難以容納來自多臺攝影機與傳感器的數(shù)據(jù)聚合，則根本不可能實現(xiàn)自動駕駛。

從以太網(wǎng)絡觀點來看，帶寬主要是應用于物理層（PHY Layer），而可靠度及延遲主要是應用于媒體訪問控制（Media Access Control， MAC）層。

TSN標準加快制定 滿足安全性/低延遲要求

目前開發(fā)中的開放標準是以滿足未來先進駕駛輔助系統(tǒng)功能及自動系統(tǒng)在安全性、可靠度和延遲方面的要求為目標，確保所有汽車組件之間可靠且適時地相互操作。為達成操控車輛所需的安全性及低延遲要求，以太網(wǎng)絡切換與數(shù)據(jù)傳輸控制法定標準制定單位IEEE 802.1現(xiàn)正開發(fā)一套新的開放標準，合稱為時效性網(wǎng)絡（TIme SensiTIve Networking， TSN）（表1），用以實現(xiàn)低延遲、精確且可靠的同步封包傳輸。

表1 主要TSN標準

TSN是影音橋接（AVB）標準的超集（Superset），說明如何于以太網(wǎng)絡上保障帶寬并執(zhí)行數(shù)據(jù)同步，進而確保服務質量（QoS），其所規(guī)范的精確度為一微秒（μs）以內，且所要求的實施更勝許多關鍵任務功能的要求。各類主要的TSN標準說明如下：

IEEE 802.1AS-Rev：時效性應用之時序與同步

IEEE 802.1AS-Rev標準于主時鐘及故障偵測中導入備援能力，提升電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）中實時時鐘設定的可靠性，并滿足ISO 26262功能安全要求。

IEEE 802.1Qbv：已排程流量強化

IEEE 802.1Qbv標準依據(jù)取自IEEE 802.1AS標準的時序增加時間感知隊列排空程序，同時支持已排定流量、Credit-based調度流量及其他橋接式流量（Bridged Traffic）。

此標準將傳輸閘加入八個優(yōu)先隊列，可于特定時點關閉低優(yōu)先度隊列以利高優(yōu)先度隊列立即使用網(wǎng)絡，藉此保障高優(yōu)先度低延遲控制訊框的存取權，類似于自動車工程師學會（SAE）在2011-AS6802中所稱的時間觸發(fā)型以太網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)如每125微秒傳輸一次訊框的IEEE 1722發(fā)話A級串流等周期性影音（AV）流量傳輸。

IEEE 802.1Qbv導入保護頻帶概念，即是于特定時期阻止訊務開始傳輸，以確保控制訊框可于排定時間發(fā)送。為支持已排程訊務，必須利用時間感知整形降低通訊延遲及跳動。方法是將具時間感知性的高優(yōu)先度A級數(shù)據(jù)TA1-TA3插入兩個O1訊框片段之間，藉此縮短延遲。在保護頻帶期間內會封鎖非時效性數(shù)據(jù)的傳輸，以免新進的時間感知（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，為控制系統(tǒng)的關鍵。

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)先可避免保護頻帶過大，且可于訊框開始傳輸后將之分段。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標準定義必要的訊框片段數(shù)據(jù)封裝和偵錯監(jiān)測值，最小為64字節(jié)。發(fā)送隊列的優(yōu)先和控制關系到輸出埠上傳輸?shù)牧髁俊D2說明TA1、TA2及TA3的IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br訊框優(yōu)先（Frame PreempTIon）實施情形。

圖2 時序表樣本

IEEE 802.1Qci：逐一串流過濾與管理

有關輸入部接收流量的IEEE 802.1Qci標準尚處于早期階段，其目的為緩和錯誤操作節(jié)點造成的影響，定義了管理與過濾功能，包括偵測網(wǎng)絡中其他系統(tǒng)造成的破壞性傳輸并加以減輕，改善該網(wǎng)絡的穩(wěn)健性。

IEEE 802.1CB：提升可靠度之訊框復制與消除

同樣處于早期階段的IEEE 802.1CB標準導入無縫備援及故障偵測，旨在提升機能安全以及訊框復制與消除作業(yè)。例如，網(wǎng)絡節(jié)點可為環(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。IEEE 802.1CB標準于接收節(jié)點規(guī)范如何消除重復訊框。為確保功能安全，必須具備高度可用性、冗余容錯設計以及快速故障偵測能力。環(huán)形拓撲是于網(wǎng)絡中導入備援性的一種方式。IEEE 802.1CB和IEEE 802.1AS-Rev標準導入故障偵測方法。

MAC合并子層模塊 支持多種TSN標準

眾廠商多年來致力于提供以汽車應用為主的AVB標準及TSN標準以太網(wǎng)絡MAC產(chǎn)品。其中，Cadence以太網(wǎng)絡MAC不僅支持傳送隊列，近來更新增對于IEEE 802.1AS-Rev與IEEE 802.1Qbv標準的支持，在每一傳送隊列使用開閘定時器和關閘定時器。

該公司現(xiàn)已實現(xiàn)MAC合并子層（MAC Merge Layer， MMSL）模塊，具備兩種以太網(wǎng)絡MAC選擇，其一是可優(yōu)先MAC（pMAC），另一者為快速MAC（eMAC）（圖3）。eMAC僅用于支持單一傳送隊列。停用優(yōu)先時，MMSL會在eMAC與pMAC之間進行逐框調停。eMAC仍為最高優(yōu)先，但從pMAC送出的訊框會以未經(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標準定義更加明確后，也將提供對應支持。

新興TSN標準可靠性佳 加快汽車以太網(wǎng)絡部署

如新一代AVB傳輸協(xié)議等新興TSN標準所提供的特性，能夠完全滿足ISO 26262要求，并將汽車以太網(wǎng)絡的部署擴展至安全關鍵系統(tǒng)。TSN標準旨在提升以太網(wǎng)絡的穩(wěn)健性、可靠度、備援性以及故障偵測能力，以利以太網(wǎng)絡在實時控制與安全關鍵應用程序方面的利用。

本文作者皆任職于Cadence，Sachin Dhingra為資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理