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TSN開放標準掛保證　車用乙太網搶進ADAS市場

2016-12-26

Arthur Marris/Sachin Dhingra/Robert Schweiger

乙太網路技術具有成本低、重量輕、資料傳輸率高的特性，且並非專有性質，因此成為實現先進駕駛輔助系統(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，業界現正開發多種有助於提升乙太網路型應用程式可靠度、時序、備援性(Redundancy)及故障偵測能力的開放性標準，以利此項技術運用於全車各項功能。

汽車產業與乙太網路共同的目標是利用其先進網路架構運行日益精密複雜的應用程式，從資訊娛樂到先進駕駛輔助系統，乃至於關鍵任務系統的控制。目前，乙太網路用於車上診斷系統(On-board Diagnostics, OBD)、韌體更新以及環景攝影機的拍攝影像傳輸。下一階段是利用乙太網路將感應器與內嵌中央處理器(CPU)連接，實現如主動式定速巡航控制、車道維持輔助、交通標誌辨識、行人偵測以及碰撞迴避等先進駕駛輔助系統應用程式所需的感應器融合。

未來，乙太網路將運用於動力傳動系統和底盤的直接控制，提供諸如煞車、轉向、變速以及引擎控制等關鍵任務功能，且終將於此匯集自動駕駛所需的一切功能(圖1)。

圖1 先進駕駛輔助系統

提高通訊協定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元件之間的連接性，尤其是頻寬、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元件數量持續增加，不僅所需頻寬更大，也更講求對於時效性資料的可靠傳輸。而傳輸的可靠性取決於精確且短暫的延遲，特別是在關鍵任務控制方面。舉例而言，若在碰撞迴避之類的應用程式中發生封包丟失的情形，便可能無法及時煞車，造成難以彌補的災難。同理，若是系統頻寬難以容納來自多台攝影機與感應器的資料聚合，則根本不可能實現自動駕駛。

從乙太網路觀點來看，頻寬主要是應用於實體層(PHY Layer)，而可靠度及延遲主要是應用於媒體存取控制(Media Access Control, MAC)層。

TSN標準加快制定滿足安全性/低延遲要求

目前開發中的開放標準是以滿足未來先進駕駛輔助系統功能及自動系統在安全性、可靠度和延遲方面的要求為目標，確保所有汽車元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，乙太網路切換與資料傳輸控制法定標準制定單位IEEE 802.1現正開發一套新的開放標準，合稱為時效性網路(Time Sensitive Networking, TSN)(表1)，用以實現低延遲、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)，說明如何於乙太網路上保障頻寬並執行資料同步，進而確保服務品質(QoS)，其所規範的精確度為一微秒(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標準於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，並滿足ISO 26262功能安全要求。

IEEE 802.1Qbv：已排程流量強化

IEEE 802.1Qbv標準依據取自IEEE 802.1AS標準的時序增加時間感知佇列排空程序，同時支援已排定流量、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先佇列，可於特定時點關閉低優先度佇列以利高優先度佇列立即使用網路，藉此保障高優先度低延遲控制訊框的存取權，類似於自動車工程師學會(SAE)在2011-AS6802中所稱的時間觸發型乙太網路，能夠實現如每125微秒傳輸一次訊框的IEEE 1722發話A級串流等週期性影音(AV)流量傳輸。

IEEE 802.1Qbv導入保護頻帶概念，即是於特定時期阻止訊務開始傳輸，以確保控制訊框可於排定時間發送。為支援已排程訊務，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先度A級資料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資料的傳輸，以免新進的時間感知(高度優先)資料封包遭到其他資料O所延遲。傳輸的資料兼具優先及確定性質，為控制系統的關鍵。

IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br：考量訊框優先

如IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br所定義的優先可避免保護頻帶過大，且可於訊框開始傳輸後將之分段。換言之，高度優先訊框可中斷低度優先訊框的傳輸。IEEE 802.3br標準定義必要的訊框片段資料封裝和偵錯監測值，最小為64位元組。發送佇列的優先和控制關係到輸出埠上傳輸的流量。圖2說明TA1、TA2及TA3的IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br訊框優先(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標準尚處於早期階段，其目的為緩和錯誤操作節點造成的影響，定義了管理與過濾功能，包括偵測網路中其他系統造成的破壞性傳輸並加以減輕，改善該網路的穩健性。

IEEE 802.1CB：提升可靠度之訊框複製與消除

同樣處於早期階段的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複製與消除作業。例如，網路節點可為環狀相連，執行雙向流量傳輸，因而需要兩條不同路徑通往終點。IEEE 802.1CB標準於接收節點規範如何消除重複訊框。為確保功能安全，必須具備高度可用性、冗餘容錯設計以及快速故障偵測能力。環狀拓撲是於網路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合併子層模組支援多種TSN標準

眾廠商多年來致力於提供以汽車應用為主的AVB標準及TSN標準乙太網路MAC產品。其中，Cadence乙太網路MAC不僅支援傳送佇列，近來更新增對於IEEE 802.1AS-Rev與IEEE 802.1Qbv標準的支援，在每一傳送佇列使用開閘計時器和關閘計時器。

該公司現已實現MAC合併子層(MAC Merge Layer, MMSL)模組，具備兩種乙太網路MAC選擇，其一是可優先MAC(pMAC)，另一者為快速MAC(eMAC)(圖3)。eMAC僅用於支援單一傳送佇列。停用優先時，MMSL會在eMAC與pMAC之間進行逐框調停。eMAC仍為最高優先，但從pMAC送出的訊框會以未經修改的原狀送出。