车载时间敏感网络驱动力、标准态势及关键技术特征总结

随着 TSN 向汽车行业不断渗透，与汽车相关的国内外标准 组织或产业联盟纷纷着手制定相关标准。

1.车载时间敏感网络驱动力

（1）高质量通信需求激增

为了实现更精确的自动操控功能，需要实时采集和处理传感器 数据，尤其是多传感器原始数据融合，其对网络延时、抖动、带宽、可靠性等提出新的挑战。另外，ECU 跨域通信及车与车、车与人、 车与云等实时通信的需求增多，导致车载网络的流量模型彻底改变， 最终驱动车载网络架构的变革。

（2）简化布线、减轻重量

高度自动驾驶（Level 4），尤其是完全自动驾驶(Level 5)，需 要部署大量传感器。除传统传感器外，还需要部署高清摄像头、激 光雷达、轮胎轨迹跟踪、语音识别等传感器等，导致车内物理连接 增多，且通信协议复杂，不统一。 对于中央网关架构的汽车而言，线束的重量和成本在整车中占 比仅次于发动机和底盘之后，名列第三。例如一辆高端汽车，线束 系统长度会达到 6000 米，包含约 1500 根线束，近 4000 个连接点， 重量约为 70 公斤，若按照目前方式推算，无人驾驶汽车的线束重量 将超过 100 公斤。由此带来的布线和人力成本也十分高昂，以安波 福的奔驰 E-Class 项目为例，这一单一线束设计生产项目就动用了 安波福全球超过 200 位工程师合作完成。另外，据估算，对于燃油 车，重量每减少 100 公斤，每百公里的油耗可降低 0.3-0.5 升，对 应减少二氧化碳排放 8-11 克。

时间敏感网络（ TSN） 技术作为新一代交换网络技术，因其符 合标准的以太网架构，具有精准的流量调度能力，可以保证多种业 务流量的共网高质量传输，兼具技术及成本优势，成为车载网络技 术的重要演进方向之一。

2.车载时间敏感网络标准态势

本白皮书所指车载时间敏感网络的基础共性标准由 IEEE 802.1 TSN(Time-Sensitive Networking)工作制定，包括流量整形机制、 配置管理方法、安全性、可靠性等，同时面向垂直行业制定相关的 profile。随着 TSN 向汽车行业不断渗透，与汽车相关的国内外标准 组织或产业联盟纷纷着手制定相关标准。

国外标准动态

2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应 用需求和适用范围，覆盖音频视频以外的更多领域：工业、汽车、 制造、运输和过程控制，以及航空航天、移动通信网络等，并成立 了工业互联网的实时性工作组，称为 IEEE 802.1 TSN。2015 年， Interworking TG 与 TSN TG 合并成为新的 TSN 任务组。（参考 TSN 白皮书）。截至 2019 年 7 月，TSN 已经发布和正在推进的标 准项目如图 5 所示，同时，TSN 工作组面向音视频网桥、移动前传、 工业自动化、车载网络、（互联网）服务提供商等典型场景制定 profile，如图 6 所示， 其中，车载网络 profile 首先从需求及场景 出发，逐步适配与其对应的 TSN 的标准。注：标准编号中包含 P 的 项目表示正在推进中。（IEEE 802.1 TSN – An Introduction201907）

AVNU 面向车载，专业影音，工控等领域研制 AVB/TSN 的测 试方法及其测试工具。针对车载 AVB 的测试方法已经比较完善。

AUTOSAR 是由全球汽车制造商、零部件供应商及其他电子、 半导体和软件系统公司联合建立，致力于为汽车工业开发一个开放 的、标准化的软件架构。AUTSOR 共有两种架构，Adaptive AUTOSAR 和 Classic AUTOSAR 的 升 级 替 换 ， Adaptive AUTOSAR 的出现主要面向汽车更复杂的需求，包括自动驾驶、车 联网以及域控制器等，而传统的 ECU 依然采用 Classic AUTOSAR 进行开发。

OPEN Alliance 是非盈利性的汽车行业和技术联盟，由博世、宝 马等发起，旨在利用以太网的可扩展性和灵活性实现车联网低成本 通信，减少通讯复杂性。自建立以来，OPEN Alliance 的成员单位已增至 340 家。Open Alliance 共计 12 个工作组，其中 TC11 正在制定车载 TSN 芯片的需求及测试规范。

JasPar 是日系 OEM 主导的旨在对车在网络的软件及电子控制系 统标准化的组织，其 Next Generation High-Speed Networking WG 正在制定车载 TSN 的场景及需求，且与 IEEE P802.1DG 结盟。

国内标准动态

我国工业互联网产业联盟（AII）于 2019 年 10 月发布时间敏 感网络（TSN）产业白皮书（征求意见稿），其中将车载网络作为 重要的应用场景之一。 中国智能网联汽车产业创新联盟（CAICV）的新型车载高速网络 工作组，旨在充分发挥联盟的平台效应，促进国内新型车载高速网络的生态系统建设，推动新型车载高速网络技术发展、标准化和产 业化等，拟研制车载 TSN 的技术要求及测试规范等。

3.车载时间敏感网络关键技术特征

TSN 的核心组件包括精确时间同步、流量调度、高可靠保障、 配置管理等。

时间同步

TSN 网络中的时间同步过程是从一个中央时间源(Grand Master)直接通过网络向所有网络设备和终端设备发送同步时间报 文，然后通过 IEEE 1588v2 协议，计算得到各个设备的时间与中央 时间源的偏差（offset），并存储在设备中，作为其报文发送的时 间参考，如图 11 所示。除此之外，为了提高时间同步的可靠性， IEEE 802.1AS-Rev 也在制定中，如图 12 所示，一个 GM（Grand Master）发送两份相同的同步报文至终端(N)和交换机（B），甚至 可以采用 2 个 GM 发送 4 分同样的同步报文。自动驾驶需要多传感 器数据融合，为了提升检测精度，一般需要各个传感器与网络设备、 控制器等同步，可靠性是车载系统的第一要素，所以 802.1AS-Rev 更符合车载应用，802.1AS-Rev 与 2020 年 6 月合并至 IEEEP802.1ASdm-Hot Standby 中，进一步提升时钟热备份与跨域时间 同步的能力。

流量调度

（1）IEEE 802.1Qav (Credit-Based Shaper)

对于需要被转发的以太网报文 应遵循如下规则：  当队列中没有报文传输是，且其所在队列的 Credit 的值大等于 0，可以开始传输 AVB 报文，同时 Credit 值以 sendslope 速率 减小；；  上述报文发送完毕，且队列中没有等待传输报文，当 Credit 值 为负数时，Credit 值以 idleSlope 速率累加,直到 Credit 值为 0；当 credit 值以 idle slope 增加的过程中，可以传输普通以太网 报文（如 Best Efforts）,在此过程中，若 credit 值大于 0，且 Best Efforts 流量没有完成传输，则继续传输。在这种情况下 Credit 的值不再以 0 为上界。CBS 机制是 AVB 的核心，在车载通信领域已经有初步应用，可 满足娱乐系统的音视频传输，由于其技术成熟，配置简单，当前国 外厂商（如 Volvo 等）研究将其用于车载控制信号的传输的可行 性。

（2）IEEE 802.1Qbv （Time-Aware Shaper）

TAS 基于门控的思想，且需严格的时间同步。门有“开”、“关”两个状态，通过预先规划，计算得到每条 流对应的门的开关时间，终端与网络设备严格遵守发包时刻，并配合帧抢占机制，严格保障每条流的延时和抖动。但是某些情况下， 带宽利用率可能不高。TAS 机制适用于周期性信号，可提供 100us 以下（over 7 hop）的延时，且抖动小于 1%的控制周期，一般用于有超低延时、 超低抖动要求的控制信号传输，且其配置极其复杂，在车载通信的 应用尚存争议。

（3）IEEE 802.1Qch （Peristaltic Shaper）

Peristaltic Shaper(PS),即 802.1Qch，也称 cyclic queuing and forwarding(CQF)，将时间片或周期 分为相等的奇（odd）偶（even）间隔（interval）。在偶间隔接 收报文，并在奇间隔发送。这种方式对时间同步要求没有 TAS 高。从实现方式角度出发，PS 的奇偶间隔也可作为 TAS 的两个队列。 CQF 在车载领域的应用讨论的比较少。

高可靠

安全可靠永远是汽车最重要的属性，ISO 26262 严格规定了汽 车各功能的安全等级，分别为 ASIL-A、ASIL-B、ASIL-C、ASIL-D。 TSN 关于网络高可靠保障的协议是 IEEE 802.1CB, 如图 18 所示。其 核心机制是报文复制与报文丢弃，即在发送端发送两份一样的报文， 若在接收端同时收到，则丢弃一份，接收一份。针对车载应用，可 能需要对现有 TSN 可靠性机制进行完善和补充。

配置管理

TSN 的配置方法适用于 IEEE 802.1Qcc，从架构上，分为完全 分布式、分布式用户/集中式网络、完全集 中式。由于车载网络节点多，流量种类多，集中式的配 置管理是首选。

完全分布式配置的基本原理是与发送端设备临近的边缘交换机 获取用户需求，计算跳所需提供的网络资源（如 TAS 的门控），再 将本网络节点计算结果作为下一个网络节点的输入，逐级传递并完 成全网的配置。该方法更适用于规模较小的场景。

分布式用户/集中式网络配置模型的原理是与用户临近的边缘交 换机负责用户信息搜集与用户设备的时隙配置。所有交换机由中央 网络计算单元（CNC）配置。

以 IEEE 802.1Qbv 为例,完全集中式配置的原理是 CUC 负责搜 集用户需求并将需求发送至 CNC，CNC 结合交换机资源、拓扑等计 算得到交换机和终端设备的时隙并完成配置。