市场动态

随着通信产业的蓬勃发展,人们的生活发生着日新月异的变化,几乎每个人的生活都享受着人工智能,大数据等新一代技术带来的便利。近些年,消费者对汽车行业的需求不再仅仅止步于汽车的基本功能需求,把更多的关注点放在了信息娱乐系统和高级辅助驾驶系统Advanced Driver Assistance System,ADAS的舒适性和安全性上,曾经只出现在豪华轿车中的功能,如音视频播放,倒车摄像头与导航等,如今也成为了许多汽车的标配

 

为了传输更高带宽的音视频流量并且满足汽车内低延迟和高可靠性传输的要求,IEEE 802.1音视频桥接Audio Video Bridging, AVB工作组提供了一种基于标准的实现方法,主要包含表14个协议标准:


 

 

AVB四个标准协议


车载以太网AVB工作原理

如下图所示:整个系统上电开启后,首先通过gPTP协议进行时间同步,使得整个系统的各个设备完成时间的同步;然后AVBtalker(如:麦克风,摄像头等)开始发送AVTP报文,其中AVTP报文头中携带了显示时间戳(注:该时间戳为显示时间,即规定了音视频的播放时间),要发送的音视频流填充到AVTP的载荷中;当这些音视频流到达网桥交换机后,由于交换机在上电前已经静态配置好为这类AVB流预留了足够的带宽,这样当这些音视频流到达交换机后,会按照FQTSS规定的算法,把这些音视频流转发到listener;然后AVBlistener(如,音箱,显示屏等)接收到AVTP报文后,按照报文的格式进行解析,在listener的自由运行时钟到达AVTP报文头中规定的显示时间时,把相应的音视频播放出来。

AVB工作原理


其中,值得注意的是gPTP, SRP, FQTSS都是辅助AVTP工作的,gPTP主要是为了使系统中各个设备完成时间的同步;SRP, FQTSS主要是保证低延迟传输,保证QoSAVTP的载荷中携带了要发送的音视频流。


时间同步技术(gPTP

时间同步技术的主要目的是使系统中各个设备完成时间同步。如下图所示,gPTP的工作原理一共分为三部分:

1、选择最佳主时钟:gPTP最核心的部分有个grand master,整个时间同步域的最佳主时钟,我们可以认为这是最好的时钟节点,AVB系统中各个设备都是以grand master提供的时间为时钟基准的,由于车载环境是独特的,它是一个封闭系统,每个网络设备在启动前是已知的,所以在汽车领域grand master节点是由OEM自己指定的,不需要启用BMCA算法,每个ECU都有isGM这个属性,只有grand master ECUisGM这个属性为TRUE,其他ECUisGM属性都为FALSE

gPTP的工作原理


2、延迟时间测量:grand master会通过M端口发送sync报文和follow up报文到链路的另一端S端口, 报文在传输的过程中会有传播延迟,完成时间同步前需要计算出传播延迟时间。如图3所示,为计算传播延迟时间的工作原理:

  • 首先请求方发送PDelay_Req报文,请求测量延迟时间

  • PDelay_Req报文离开物理层时,利用请求方自由运行时钟获得T1时间戳

  • PDelay_Req报文到达应答方物理层,利用应答方自由运行时钟获得T2时间戳

  • 应答方生成一个PDelay_Resp报文并发送,将T2带给请求方

  • 同理,利用请求方和应答方得自由运行时钟可以捕获T3T4

  • 然后应答方会发送PDelay_Resp_Followup报文将T3带给请求方

这样请求方就知道T1,T2,T3,T4这四个时间戳了,然后利用公式1计算延迟时间:

 

传播延迟时间的计算原理


3、时间同步:M端口不断的向S端口发送syncfollow_up报文,完成时间的同步,其中grandmaster设备的端口都需要配置成M端口,其他的非grandmaster设备的talkerlistener的端口都为S端口,交换机既有M端口也有S端口,每个设备只有一个S端口。图4展示了时间同步的工作原理:

  • 请求方发送sync报文,进行时间同步

  • Sync报文离开物理层时,利用请求方的自由运行时钟获得T1时间戳

  • Sync报文到达应答方,利用应答方的自由运行时钟捕获T2时间戳

  • Follow_up报文将T1带给应答方

这样应答方需要调整自己的时间T_sync为公式2:

 

 时间同步原理


最后需要注意的是,由于车载环境的特殊性,测量延迟报文只需要S端口发送,同步报文只需要M端口发送,而且同步报文的发送周期开始配置为125ms,等系统稳定后,该发送周期可以增加为1s


流预留(SRP

为了保证服务质量,AVB工作组提出了流预留协议标准,如图5所示该标准的工作原理为:在将要发送AVB音视频流之前,talker会向整个网络广播其将要发送流的属性,包含流需要的带宽,优先级等信息,如果有listener需要订阅这些流,并且此时带宽足够,网桥会提前预留足够的带宽,并且给talker回复READY报文,这样当这帧AVB流发送出来的时候,交换机就会及时的把流量转发出去,保证低延迟和高可靠性,不会由于带宽不足导致丢帧和延迟。一般在车载环境中,由于系统的封闭性,拓扑结构是固定的,一般交换机都提前静态配置好流量类别和各类流量需要预留的带宽。


SRP工作原理


时间敏感流的转发(FQTSS)

般需要提前预留的AVB流分为两类A类和B类,高优先级的流为A类流,低优先级的流为B类,一般每个交换机的端口预留给AVB流的带宽和为总带宽的75%,2列出了A类流和B类流一些配置属性。


SR流量类别属性


每个交换机端口都会有很多流量等待转发,每个端口先通过FQTSS标准进行流量的整形,主要是分为两大类,预留的流量类别和Best-effort流量类别(普通的流量),预留的流量类别优先级会比Best-effort流量类别优先级高优先转发,一般默认的预留的流量类别和Best-effort流量类别推荐使用优先级表为表3,其中黄色的为A类流的优先级,绿色的为B类流的优先级,当流量类别为2类时,A类流和B类流使用最高的优先级1,其他的普通的流使用优先级0;当流量类别为3类时,A类流使用优先级2B类流使用优先级1,其他普通的流使用优先级0,依此类推。注意一般用于ADAS的音视频规定为A类流,用于信息娱乐系统的流规定为B类流。


推荐默认使用优先级表


音视频传输(AVTP

AVTP协议比较简单,只需要注意目前支持的音视频格式就可以了,目前主要支持的音视频格式主要有:IEC 61883, AAF, H.264,MJPEG等。还有需要强调AVTP中的时间戳为显示时间戳,显示时间的计算为公式3


如下图所示,如果麦克风发出的音频流想同时在2个不同位置的音箱播放出来,那就需要把AVTP的时间戳填充为:talker的时间戳+经过7跳网络到达第二个音箱的传输时间。

 

最大传输时间示例


随着车载以太网的发展,汽车中的ECU之间的通信将不再依赖于该行业特有的技术,而是将采用与几乎各行各业都通用的技术,这种改变将使汽车行业与其他行业协作的更加紧密,目前,IEEE 802.1 AVB工作组提供了车载信息娱乐系统和高级辅助驾驶系统的技术,相信不久以后,以前只在住宅或专业系统上才有的高级音视频流媒体功能也将配备在汽车上,以太网AVB可提供真正的跨多媒体设备的同步播放,可以将播放视频同时传输至多个前座或后座显示器、汽车主要音讯扩音器、甚至于连接耳机,确保所有人有愉悦的音视频体验。以太网AVB也可以实现同步360度环视,利用其他传感器改善和增强司机感知系统,增加司机和行人安全。2012年,AVB工作组扩大了时间确定性以太网的应用领域和适用范围,同时将工作组的名称正式更名为TSN工作组,TSN技术对于汽车的安全控制和降低时延具有显著的优势,未来的无人驾驶等技术必须使用TSN做为基础来保障安全,相信在每一位汽车人的共同努力和投入下,让汽车更加“智慧的梦想必将实现!