AVnu聯盟白皮書--車載以太網及AVB技術應用

 AVnu聯盟通過對符合IEEE標準的設備進行一致性與互操作性的認證，使以太網成為一種確定性網絡技術，保證網絡設備在各應用領域（如專業(yè)A/V、汽車、工業(yè)控制及消費電子）的互操作性。AVnu組織與其他標準機構、聯盟一起，為基于802.1音視頻橋接（Audio Video Bridging,AVB）/時間敏感網絡（Time Sensitive Networking,TSN）標準的確定性網絡開拓一條可行路徑，便于設計者及工程師在具體產品中應用這些標準。

恒潤科技自成立伊始一直專注于車載網絡技術的研究與應用，包括CAN、CANFD、LIN、FlexRay、MOST。針對車載以太網技術，恒潤科技早已加入AutoSAR組織、OPEN聯盟。為了便于及時、全面地了解AVB技術，2016年10月，恒潤科技又加入了AVnu聯盟。憑借自身多年來傳統車載網絡技術的積累、強大的新型總線研發(fā)團隊以及經驗豐富的國外合作伙伴，恒潤科技專注于為客戶提供最先進、最專業(yè)的車載以太網及AVB技術解決方案。

概要

隨著消費者對汽車互聯性和娛樂舒適性的需求呈爆炸式增長，汽車制造商非常有必要在車內構建一套標準的、易于部署的A/V網絡系統。IEEE 802.1 音頻/視頻橋接（AVB）工作組與IEEE 1722 二層傳輸協議工作組，已經針對時間敏感數據開發(fā)了一系列的網絡增強型功能，用于促進高可靠性的音頻與視頻應用。AVnu聯盟采納了這些標準，并給出了車載應用的建議。同時，聯盟內部的汽車驗證測試小組（Certification Test Subgroup，CDS）也開發(fā)了對應的認證測試規(guī)范。本文大致描述了這些新技術內容以及它們在車載應用中的優(yōu)勢。

介紹

過去的十年中，消費者的需求推動了汽車音視頻功能的大幅度增長。曾經只出現在豪華轎車中的功能，如DVD播放、倒車攝像頭與導航等，如今也成為了許多主流汽車的標配。越來越多的資源及選項，使得后座娛樂系統（Rear SeatEntertainment，RSE）變得越來越復雜。面對如此多變的需求，如何構建一個通用的汽車網絡架構成為需要迫切解決的問題。

當幾乎全球的OEM都認為車輛通信帶寬低、采取CAN網絡構建車內網絡時，車載多媒體的應用帶來巨大挑戰(zhàn)（如帶寬、QoS、可擴展性、成本、規(guī)模經濟、開放等）。什么是可以同時滿足技術、成本要求的多媒體應用解決方案呢，目前還有許多爭論。

以前，由于不確定性大，車輛多媒體傳輸避免使用基于包交換式的網絡。如今IEEE802.1音頻視頻橋接（AVB）工作組與IEEE1722 AVTP工作組為汽車內低時延、高可靠性傳輸需求提供了一種基于標準的實現方法。AVB協議可被應用在多種物理層上，本篇文章將主要介紹以太網上的AVB應用。車內線纜的簡化及可靠的硬線解決方案，使得基于有線以太網的AVB協議能夠很好地應用于車載環(huán)境中。

AVnu聯盟的主要市場目標是將AVB成功地應用于車內的音視頻流中。本白皮書概括了車內網絡使用AVB技術的特點及優(yōu)勢。

一、以太網AVB概覽

AVB是以太網開放標準套件的增強部分。通過網絡時間同步功能和時間敏感流的相關傳輸協議，為網絡內處理視聽數據提供了服務質量保證（QoS）。在車載環(huán)境中，它能夠滿足更普遍的時間敏感網絡需求，使得在單一網絡中同時處理信息娛樂、車身控制、輔助駕駛，甚至安全相關的功能成為可能。

為了做到這些，AVB使用了許多重要的概念。“優(yōu)先級”：指明部分數據流的時間敏感性，有別于一般性的盡力傳輸型（best - effort）數據。“預留”：是指在網絡內預先設置一個固定大小的確定帶寬，用來處理高優(yōu)先級流量。通過“網絡時間”，連同嚴格的時延需求，傳輸同步數據包，使音視頻能夠同步播放。AVB技術還包含標準流量整形與轉發(fā)規(guī)則。此外，AVB技術可用于發(fā)現、枚舉、控制的標準化方法，使得系統能夠快速、簡單地完成搭建與配置。

本篇文章末尾處的技術概覽介紹了關于標準的獨立部分以及相關技術的更多細節(jié)。

二、汽車市場的AVB優(yōu)勢

• 簡化的線纜，更輕的重量與更高的可靠性

網絡式布線方法降低了車內線束成本及設計復雜性。減少連接器數量可增加可靠性，減輕重量，提高燃油效率。

隨著CAN網絡和基本控制信息傳輸技術的廣泛應用，在車輛內實現多路或者是基于網絡的控制通信，已經非常常見。而由于信息娛樂系統內音視頻內容的不斷擴充，繼續(xù)使用點對點的專用連接，如使用帶屏蔽的LVDS線纜，已經無法滿足需求。

• 一個健壯的生態(tài)系統

AVB的制定者選擇以太網作為底層傳輸路徑，不僅僅是由于語音技術的原因，還在于以太網技術魯棒性好，易于擴展，且應用廣泛。制定者們決定基于這些優(yōu)勢開創(chuàng)一個開放的、標準的技術。開放標準能夠孕育出強壯的、有競爭力的生態(tài)系統，現在已經有許多供應商在他們的產品中部署了AVB系統。此外，AVnu CDS定義了AVB使用說明，并開發(fā)了相關的認證程序。這將允許OEM制定一致性與互操作性需求，且這些需求可以由諸多Tire1實現。供應商反過來也可以構建他們的解決方案，而不只是依賴于單一的技術提供商。

此種方法與之前的車載解決方案形成了鮮明的對比。車載信息娛樂網絡技術此前一直是以MOST為主，但MOST技術的不開放性阻礙了其應用和發(fā)展。早在2008年11月，Hansen報告就指出,“今日的業(yè)內人士相信：相比CAN、LIN與FlexRay，MOST遠遠不夠開放。”此報告繼續(xù)預言“如果沒有更多的開放性和強大的購買能力，MOST可能在幾年內讓路給它的替代者，如以太網。”這個預言正在被證實，MOST正被更開放的新技術所取代。

• 互操作性認證

除具備開放性的特點外，AVB技術因歸屬于IEEE標準，從而擁有一套健壯的、嚴格的一致性與互操作性（C&I）標準。這些C&I標準是由各自協議實現一致性聲明（PICS）定義的。AVnu C&I將IEEE PICS延伸到了汽車應用領域。

鑒于AVB認證可保證不同產品間的相互兼容性，OEM可與不同供應商共同構建一個豐富的、不斷成長并能快速達到質量要求的生態(tài)體系。

• 可預測性和高可靠性

AVB核心協議：優(yōu)先級，預留，流量整形與時間同步，允許設計師在汽車環(huán)境中構建可預測的并且滿足可靠性要求的網絡。

IEEE802.1Q隊列與轉發(fā)協議（Qav）是保證可預測性的關鍵。它優(yōu)先調度高優(yōu)先級數據，同時保證時間敏感信息不會被低優(yōu)先級數據干擾。

帶寬預留指的是為音視頻流預留端到端的可用帶寬，并保證這條帶寬能夠一直被該流數據使用，直到被明確釋放。同時為了滿足快速啟動需求，帶寬預留可以進行預先靜態(tài)配置。車載應用場景中默認要求，系統能為特殊的數據配置靜態(tài)預留帶寬。

IEEE802.1Q流預留協議（SRP）更加靈活。它允許終端對帶寬的動態(tài)預留或釋放，使得OEM無需執(zhí)行大量的網絡改動，便可對于每種不同的可選包或者未來車輛進行配置、可靠傳輸音視頻流。但車載應用場景不強制要求支持SRP。

• 多對多靈活配置

構建一個能處理大量數據與控制信號的車內網絡極具挑戰(zhàn)性。網絡需要保證從多種源到多個目的地的音視頻數據及時交付，如在呼入電話事件中進行程序靜音，傳遞如警告提示和路線規(guī)劃導航命令等信息。這需要網絡一開始就配置好預留帶寬來處理這些需求。

實際上，在車載應用場景中并不需要通過SRP實現動態(tài)帶寬預留。能滿足多對多通信需求才是汽車制造商從點對點傳輸系統轉移到網絡式A/V系統的一個最根本的原因。

• 低時延

許多車載應用有非常嚴格的時延要求，典型例子是行駛記錄儀、駕駛輔助攝像頭、藍牙麥克風、各種聲音源。同樣重要的還有外部系統所強加的約束，例如汽車免提設備需要確認移動蜂窩網絡的延時需求。對于這些應用，AVB協議都能夠滿足最嚴格的時延要求。

• 精確同步

車載音視頻網絡的最終目的是在終端如實的呈現音視頻流，為車輛用戶提供高質量的視聽環(huán)境。另外，汽車制造商也可借此來搭建一個能夠傳輸不同類型數據、包含多個源節(jié)點和播放節(jié)點的靈活網絡。

以上需求的關鍵就是同步。

從技術上來說，同步有兩個基本目的：

• 首先，在源設備上為采樣數據提供一個共同的時間基準，并在一個或多個目的設備上以相同的周期呈現這些數據。

• 其次，實現多條流之間相互同步（如前后音頻）。

AVB通過IEEE802.1AS精準時鐘協議（PTP）實現同步。它為網絡內的所有節(jié)點提供了一個共同的時間參考基準，這個基準稱為“wall clock”。而IEEE1722 音視頻傳輸協議提出了“presentation time”這個概念，它從“wall clock”衍生而來，允許發(fā)送節(jié)點定義數據包在接收端的呈現時間。

網絡節(jié)點保持各自的本地時鐘，同時通過交換時戳信息，它們計算自身與網絡時間的差別。接收端通過對原采樣時鐘的重建，不但實現了內容的精確與低抖動交付，也使得同一AVB網絡可同時容納不同采樣速率的數據以及多種不同類型的設備。

• 快速啟動

車載多媒體系統最重要的需求之一就是提供“early audio”與“early video”。系統必須能夠快速啟動并在車輛啟動后準備好能隨時呈現音視頻。音頻通常用來播放安全報警，視頻用于播放后視攝像頭圖像。這兩種應用場景由NHTSA（美國高速公路安全管理局）強制要求：車輛啟動后2秒內可用。

為了滿足這些需求，AVnu聯盟對汽車應用進行了特殊定義，簡化車載以太網AVB產品的啟動過程。具體來說，通過使用預配置固定時鐘樹來實現快速網絡時間同步，通過流量的預先配置來消除動態(tài)AVB流預留帶來的時延。

• 可擴展的通用拓撲

與MOST共享網絡帶寬不同，AVB網絡僅在源節(jié)點與目的節(jié)點之間消耗帶寬。即使在相同的網絡帶寬下，相比MOST網絡，這種方式將允許更多的數據在AVB網絡上傳輸，也更易擴展星型拓撲或樹形拓撲。另外，多播服務的使用，即一對多傳輸，也進一步提高了帶寬使用率。

圖1  MOST環(huán)形拓撲。所有節(jié)點都會監(jiān)測到來自其他節(jié)點的流量。

圖2  AVB架構示例。車前部的攝像頭信號只傳輸至駕駛輔助模塊。

此外，設計者也可以靈活選擇兼容速度。例如，一個給定的車輛設計能方便地混合并匹配高帶寬1000Mbps鏈路與低帶寬100Mbps鏈路。各種組織的大量技術投入保證了這種互操作性，同時帶來了更高速度的可能性，如10Gbps甚至100Gbps。相比之下，三種現行的MOST速率—MOST25，MOST50，MOST150并不是兼容的。整個MOST網絡只能使用同樣的速率，靈活性低，對低帶寬要求的設備需要付出不必要的成本才能滿足高帶寬設備的通信要求。

三、AVB以太網使用案例

l  Lip-synced多媒體播放

在汽車環(huán)境中通過不同的多媒體設備提供AV內容的真正Lip-synced（精確同步）播放，是AVB以太網的一個核心車載應用。

無論來自前方中控已安裝的DVD播放器，還是來自外部無線移動設備的音視頻內容，都能同時在多個前座與后座顯示屏、車輛功放，甚至是連接的耳機上播放，確保能為所有乘客提供愉快的視聽體驗。

下圖示例，兩個RSE顯示器播放DVD視頻，同時音頻通過另一通道傳輸到功放。AVB技術能保證這三個設備之間的精確同步。

圖3  帶有多條音視頻傳輸路徑的DVD播放器

• 連接車輛應用

在互聯車輛內，外部數據的可用性和依賴性都很高。無論傳輸的是音視頻流，在線地圖導航，傳入車內的外部互聯網媒體信息，或者是從車內發(fā)出的各種遠程數據和服務請求，對網絡帶寬的要求都是很高的。

能夠通過單一網絡傳輸上述數據以及內部音視頻數據，并且同時滿足不同數據的不同QoS需求是AVB以太網的一個強大優(yōu)勢。

• 高級駕駛輔助系統

許多現代的高級駕駛輔助系統（ADAS）都能通過靈活的高帶寬AVB網絡實現。

例如：一組互連的攝像頭能提供同步的360°車輛環(huán)境的環(huán)視圖像，這個圖像可以與更多的傳感器數據在同一網絡中同步傳輸，最終用于駕駛員提醒，來提高乘員與行人的安全性。

• 線纜診斷

汽車廠商迫切希望能直接在裝配流水線上和售后服務站通過車輛診斷排查車輛問題。

以太網PHY擁有強大的物理層診斷能力，包括：自動檢測與補償交換對，線纜斷路；檢測并補償鏈路阻抗不匹配造成的帶寬降低。利用這些建立的并檢驗過的以太網診斷，可以更快地發(fā)現并定位裝配與服務問題。

• 簡要技術概述

想對AVB技術進行深入了解，請參見AVnu官網上可用的技術資源Knowledge Center與Council Material。

IEEE802.1AVB與IEEE1722是技術基礎，由AVnu聯盟與其他描述不同網絡鏈路互聯或橋接技術的IEEE標準共同促進其發(fā)展。值得注意的是，AVB標準在不同類型的網絡鏈路上提供的服務并不是相同的，因為每種鏈路技術有不同的特性。

以下是基本標準：

• IEEE802.1AS(PTP)：“Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks.”自動選擇一個設備作為主時鐘，然后通過橋接局域網或IP子網發(fā)送時間信息給其他節(jié)點。802.1AS時鐘并不用做媒體時鐘，而是用作節(jié)點間共享時鐘參考，傳輸talker媒體時鐘信息給listener。為了在有大量時延抖動的網絡中估算發(fā)送者實際媒體速率，這種參考移除了固定包交換時延的需求，也無需計算長期運行均值。IEEE802.1AS基于IEEE1588-2008標準衍生而來。

 IEEE802.1Q-2012(SRP)：作為P802.1Qat工程開發(fā)，“Virtual Bridged Local Area Networks - Amendment 9:Stream Reservation Protocol (SRP)”。允許橋接局域網或IP子網內，talker與listener間建立流預留。

• IEEE802.1Q-2012(FQTSS)：作為P802.1Qav工程開發(fā)，“Virtual Bridged Local Area Networks - Amendment 11:Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams.”描述了一個令牌桶整形網絡流量的方法，使得時延與帶寬預留流量變得可控。

• IEEE802.1BA：“Audio/Video Bridging (AVB) Systems”。定義了在建立AVB系統時，如何應用相關的IEEE802.1與其他標準。

• IEEE1722：“Layer 2 Transport Protocol for Time-Sensitive Applications in Bridged LANs.”定義了數據封裝、呈現時間，用于在音頻與視頻的終端設備間保證互操作性，且這些設備是由IEEE802網絡提供的標準網絡服務，并且滿足時間敏感應用的QoS需求。

當特殊報文離開和到達接口或PHY時記錄精確的時間戳，PTP可以測量并補償隊列和轉發(fā)傳輸時延。為了使用802.1AS，期望流包含呈現時間，并結合網絡時間形成交叉時戳，用來重建采樣時鐘。對于采用802.1AS時間并封裝呈現時間的流，本質上看，AVB網絡支持任意數量的不同的媒體采樣速率，還支持時鐘源作為目的設備，同步到他們相應的源設備上。AVB網絡也提供網絡中不同路徑間同步的機制。

IEEE802.1Q流預留協議提供帶寬預留機制，允許終端節(jié)點進行動態(tài)的配置路由。SRP在車載應用中不是必須實現的。為了簡化終端節(jié)點工作并達到快速啟動要求，默認認為網絡是固定的，即根據傳輸場景預先配置預留帶寬。但是不管是否預先配置流預留，還是使用SRP，都需要使用FQTSS。FQTSS調度時間敏感流數據，保證網絡數據的及時交付。普通的非流數據如基于IP的控制或計量報文不能影響預留的AVB流數據。

AVnu車載以太網AVB功能與互操作性規(guī)范采用了如下標準并定義了車載應用的配置和選項優(yōu)化，包括：

• 固定的預配置802.1AS時鐘樹，內置時鐘冗余

• 預配置流預留

• 啟動滿足NHTSA要求

• 車載音頻AVB流量分類優(yōu)化

• 在低成本ECU和終端節(jié)點中優(yōu)化AVB性能機制

• 線纜診斷

總結

IEEE802.1 AVB工作組定義了車輛信息娛樂系統、駕駛輔助系統應用以太網的關鍵技術。AVnu聯盟提供車載應用的互操作性與認證測試來驗證這些需求的實現。在各組織的大量持續(xù)投入的背景下，低時延、精確同步的音視頻傳輸技術將為下一代應用提供強大的解決方案。AVB協議是開放的標準，允許各整車廠及供應商使用。

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