AVnu聯(lián)盟白皮書--車載以太網(wǎng)及AVB技術(shù)應(yīng)用

1、M恒洞科技AVnu聯(lián)盟白皮書-車載以太網(wǎng)及 AVB技術(shù)應(yīng)用AVnu聯(lián)盟通過對符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行一致性與互操作性的認(rèn)證，使以太網(wǎng)成為一種確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在各應(yīng)用領(lǐng)域（如專業(yè)A/V、汽車、工業(yè)控制及消費(fèi)電子） 的互操作性。AVnu組織與其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、聯(lián)盟一起，為基于802.1音視頻橋接（Audio VideoBridging, AVB /時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking, TSN ）標(biāo)準(zhǔn)的確定性網(wǎng)絡(luò)開 拓一條可行路徑，便于設(shè)計(jì)者及工程師在具體產(chǎn)品中應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)。概要隨著消費(fèi)者對汽車互聯(lián)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(nèi)構(gòu)

2、建一套標(biāo)準(zhǔn)、易于部署的A/V網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。IEEE 802.1音頻/視頻橋接（AVB）工作組與IEEE 1722二層傳輸協(xié)議工作組，已經(jīng)針對時(shí)間敏感數(shù)據(jù)開發(fā)了一系列的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)型功 能，用于促進(jìn)高可靠性的音頻與視頻應(yīng)用。AVnu聯(lián)盟采納了這些標(biāo)準(zhǔn)，并給出了車載應(yīng)用的建議。同時(shí)，聯(lián)盟內(nèi)部的汽車驗(yàn)證測試小組（ Certification Test Subgroup , CDS也開 發(fā)了對應(yīng)的認(rèn)證測試規(guī)范。本文大致描述了這些新技術(shù)內(nèi)容以及它們在車載應(yīng)用中的優(yōu)勢。背景介紹過去的十年中，消費(fèi)者的需求推動(dòng)了汽車音視頻功能的大幅度增長。曾經(jīng)只出現(xiàn)在豪華轎車中的功能，如DV用放、倒車攝像頭與導(dǎo)航等，如今也成為了許多

3、主流汽車的標(biāo)配。越 來越多的資源及選項(xiàng)，使得后座娛樂系統(tǒng)（ Rear Seat Entertainment , RSE）變得越來越復(fù) 雜。面對如此多變的需求，如何構(gòu)建一個(gè)通用的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為需要迫切解決的問題。當(dāng)幾乎全球的OEMTB認(rèn)為車輛通信帶寬低、采取CAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，車載多媒體 的應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)（如帶寬、 QoS可擴(kuò)展性、成本、規(guī)模經(jīng)濟(jì)、開放等） 。什么是可以同 時(shí)滿足技術(shù)、成本要求的多媒體應(yīng)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(wǎng)絡(luò)。如今IEEE802.1音頻視頻橋接（AVB工作組與IEEE1722 AVTP工作組為汽車內(nèi)

4、低時(shí)延、高可靠性傳輸需求 提供了一種基于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法。AVB協(xié)議可被應(yīng)用在多種物理層上，本篇文章將主要介紹以太網(wǎng)上的AVB應(yīng)用。車內(nèi)線纜的簡化及可靠的硬線解決方案，使得基于有線以太網(wǎng)的AVB協(xié)議能夠很好地應(yīng)用于車載環(huán)境中。AVnu 聯(lián)盟的主要市場目標(biāo)是將 AVB成功地應(yīng)用于車內(nèi)的音視頻流中。本白皮書概括了 車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)使用AVB技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢。一、以太網(wǎng)AVB既覽AVB 是以太網(wǎng)開放標(biāo)準(zhǔn)套件的增強(qiáng)部分。通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步功能和時(shí)間敏感流的相關(guān)傳輸協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)處理視聽數(shù)據(jù)提供了服務(wù)質(zhì)量保證(QoS。在車載環(huán)境中，它能夠滿足更普遍的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)需求，使得在單一網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)處理信息娛樂、車身控制、輔助

5、駕駛，甚至安全相關(guān)的功能成為可能。為了做到這些，AVB使用了許多重要的概念?！皟?yōu)先級”：指明部分?jǐn)?shù)據(jù)流的時(shí)間敏感性， 有別于一般性的盡力傳輸型(best - effort )數(shù)據(jù)?！邦A(yù)留”：是指在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)預(yù)先設(shè)置一個(gè) 固定大小的確定帶寬，用來處理高優(yōu)先級流量。通過“網(wǎng)絡(luò)時(shí)間”，連同嚴(yán)格的時(shí)延需求，傳輸同步數(shù)據(jù)包，使音視頻能夠同步播放。AVB技術(shù)還包含標(biāo)準(zhǔn)流量整形與轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。此外，AVB技術(shù)可用于發(fā)現(xiàn)、枚舉、控制的標(biāo)準(zhǔn)化方法，使得系統(tǒng)能夠快速、簡單地完成搭建與配 置。本篇文章末尾處的技術(shù)概覽介紹了關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立部分以及相關(guān)技術(shù)的更多細(xì)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

6、靠性網(wǎng)絡(luò)式布線方法降低了車內(nèi)線束成本及設(shè)計(jì)復(fù)雜性。減少連接器數(shù)量可增加可靠性，減輕重量，提高燃油效率。隨著CAN網(wǎng)絡(luò)和基本控制信息傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在車輛內(nèi)實(shí)現(xiàn)多路或者是基于網(wǎng)絡(luò)的控制通信，已經(jīng)非常常見。而由于信息娛樂系統(tǒng)內(nèi)音視頻內(nèi)容的不斷擴(kuò)充，繼續(xù)使用點(diǎn)對點(diǎn)的專用連接，如使用帶屏蔽的LVDS線纜，已經(jīng)無法滿足需求。? 一個(gè)健壯的生態(tài)系統(tǒng)AVB的制定者選擇以太網(wǎng)作為底層傳輸路徑，不僅僅是由于語音技術(shù)的原因，還在于以 太網(wǎng)技術(shù)魯棒性好，易于擴(kuò)展，且應(yīng)用廣泛。制定者們決定基于這些優(yōu)勢開創(chuàng)一個(gè)開放的、 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。開放標(biāo)準(zhǔn)能夠孕育出強(qiáng)壯的、有競爭力的生態(tài)系統(tǒng)， 現(xiàn)在已經(jīng)有許多供應(yīng)商在他們的產(chǎn)品中部

7、署了 AVB系統(tǒng)。此外，AVnu CDS定義了 AVB使用說明，并開發(fā)了相關(guān)的認(rèn)證程序。這將允許 OEMtJ定一致性與互操作性需求，且這些需求可以由諸多Tirel實(shí)現(xiàn)。供應(yīng)商反過來也可以構(gòu)建他們的解決方案，而不只是依賴于單一的技術(shù)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)此前一直是以MOS偽主，但 MOS改術(shù)的不開放性阻礙了其應(yīng)用和發(fā)展。早在2008年11月，Hansen報(bào)告就指出，“今日的業(yè)內(nèi)人士相信：相比 CAN LIN與FlexRay , MOST遠(yuǎn)不夠開放?！贝藞?bào) 告繼續(xù)預(yù)言“如果沒有更多的開放性和強(qiáng)大的購買能力，MOST能在幾年內(nèi)讓路給它的替代者，如以

8、太網(wǎng)?！边@個(gè)預(yù)言正在被證實(shí)，MOSTE被更開放的新技術(shù)所取代。?互操作性認(rèn)證除具備開放性的特點(diǎn)外，AVB技術(shù)因歸屬于IEEE標(biāo)準(zhǔn)，從而擁有一套健壯的、嚴(yán)格的一致性與互操作性（C&I）標(biāo)準(zhǔn)。這些 C&I標(biāo)準(zhǔn)是由各自協(xié)議實(shí)現(xiàn)一致性聲明（PICS）定義的。AVnu C&I將IEEE PICS延伸到了汽車應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于AVB認(rèn)證可保證不同產(chǎn)品間的相互兼容性，OEM可與不同供應(yīng)商共同構(gòu)建一個(gè)豐富的、不斷成長并能快速達(dá)到質(zhì)量要求的生態(tài)體系。?可預(yù)測性和高可靠性AVB 核心協(xié)議：優(yōu)先級，預(yù)留，流量整形與時(shí)間同步，允許設(shè)計(jì)師在汽車環(huán)境中構(gòu)建可 預(yù)測的并且滿足可靠性要求的網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.1Q 隊(duì)列與轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)

9、議（Qav）是保證可預(yù)測性的關(guān)鍵。它優(yōu)先調(diào)度高優(yōu)先級數(shù)據(jù)， 同時(shí)保證時(shí)間敏感信息不會被低優(yōu)先級數(shù)據(jù)干擾。帶寬預(yù)留指的是為音視頻流預(yù)留端到端的可用帶寬，并保證這條帶寬能夠一直被該流數(shù)據(jù)使用，直到被明確釋放。同時(shí)為了滿足快速啟動(dòng)需求，帶寬預(yù)留可以進(jìn)行預(yù)先靜態(tài)配置。車載應(yīng)用場景中默認(rèn)要求，系統(tǒng)能為特殊的數(shù)據(jù)配置靜態(tài)預(yù)留帶寬。IEEE802.1Q 流預(yù)留協(xié)議（SRB更加靈活。它允許終端對帶寬的動(dòng)態(tài)預(yù)留或釋放，使得 OEM需執(zhí)行大量的網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)，便可對于每種不同的可選包或者未來車輛進(jìn)行配置、可靠傳 輸音視頻流。但車載應(yīng)用場景不強(qiáng)制要求支持SRP?多對多靈活配置構(gòu)建一個(gè)能處理大量數(shù)據(jù)與控制信號的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)極具

10、挑戰(zhàn)性。網(wǎng)絡(luò)需要保證從多種源到多個(gè)目的地的音視頻數(shù)據(jù)及時(shí)交付， 如在呼入電話事件中進(jìn)行程序靜音， 傳遞如警告提示和 路線規(guī)劃導(dǎo)航命令等信息。這需要網(wǎng)絡(luò)一開始就配置好預(yù)留帶寬來處理這些需求。實(shí)際上，在車載應(yīng)用場景中并不需要通過SRP實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬預(yù)留。能滿足多對多通信需求才是汽車制造商從點(diǎn)對點(diǎn)傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)式A/V系統(tǒng)的一個(gè)最根本的原因。?低時(shí)延許多車載應(yīng)用有非常嚴(yán)格的時(shí)延要求，典型例子是行駛記錄儀、駕駛輔助攝像頭、藍(lán)牙麥克風(fēng)、各種聲音源。同樣重要的還有外部系統(tǒng)所強(qiáng)加的約束，例如汽車免提設(shè)備需要確認(rèn)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)需求。對于這些應(yīng)用，AVB協(xié)議都能夠滿足最嚴(yán)格的時(shí)延要求。?精確同步車載音視頻

11、網(wǎng)絡(luò)的最終目的是在終端如實(shí)的呈現(xiàn)音視頻流，為車輛用戶提供高質(zhì)量的視聽環(huán)境。另外，汽車制造商也可借此來搭建一個(gè)能夠傳輸不同類型數(shù)據(jù)、包含多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和播放節(jié)點(diǎn)的靈活網(wǎng)絡(luò)。以上需求的關(guān)鍵就是同步。從技術(shù)上來說，同步有兩個(gè)基本目的：首先，在源設(shè)備上為采樣數(shù)據(jù)提供一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)，并在一個(gè)或多個(gè)目的設(shè)備上以相同的周期呈現(xiàn)這些數(shù)據(jù)。其次，實(shí)現(xiàn)多條流之間相互同步（如前后音頻）。AVB 通過IEEE802.1AS精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議（PTP）實(shí)現(xiàn)同步。它為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)提供了 一個(gè)共同的時(shí)間參考基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)稱為“ wall clock 而IEEE1722音視頻傳輸協(xié)議提 出了 presentation time

12、 ”這個(gè)概念，它從wall clock ”衍生而來，允許發(fā)送節(jié)點(diǎn)定義 數(shù)據(jù)包在接收端的呈現(xiàn)時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)保持各自的本地時(shí)鐘，同時(shí)通過交換時(shí)戳信息，它們計(jì)算自身與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的差別。接收端通過對原采樣時(shí)鐘的重建，不但實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容的精確與低抖動(dòng)交付，也使得同一 AVB網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)容納不同采樣速率的數(shù)據(jù)以及多種不同類型的設(shè)備。日恒潤科技HM RXMUWL?快速啟動(dòng)車載多媒體系統(tǒng)最重要的需求之一就是提供“early audio ”與“ early video 。系統(tǒng)必須能夠快速啟動(dòng)并在車輛啟動(dòng)后準(zhǔn)備好能隨時(shí)呈現(xiàn)音視頻。音頻通常用來播放安全報(bào)警，視頻用于播放后視攝像頭圖像。這兩種應(yīng)用場景由NHTSA（美國高速公

13、路安全管理局）強(qiáng)制要求：車軍啟動(dòng)后 緲內(nèi)可用。為了滿足這些需求，AVnu聯(lián)盟對汽車應(yīng)用進(jìn)行了特殊定義，簡化車載以太網(wǎng) AVB產(chǎn)品 的啟動(dòng)過程。具體來說，通過使用預(yù)配置固定時(shí)鐘樹來實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，通過流量的預(yù)先配置來消除動(dòng)態(tài) AVB流預(yù)留帶來的時(shí)延。?可擴(kuò)展的通用拓?fù)渑cMOS戊享網(wǎng)絡(luò)帶寬不同，AVB網(wǎng)絡(luò)僅在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間消耗帶寬。即使在相 同的網(wǎng)絡(luò)帶寬下，相比 MOST0絡(luò)，這種方式將允許更多的數(shù)據(jù)在AVB網(wǎng)絡(luò)上傳輸，也更易擴(kuò)展星型拓?fù)浠驑湫瓮負(fù)?。另外，多播服?wù)的使用，即一對多傳輸，也進(jìn)一步提高了帶寬使用率。圖1 MOST環(huán)形拓?fù)?。所有?jié)點(diǎn)都會監(jiān)測到來自其他節(jié)點(diǎn)的流量。圖2 AVB架

14、構(gòu)示例。車前部的攝像頭信號只傳輸至駕駛輔助模塊。M恒洞科技此外，設(shè)計(jì)者也可以靈活選擇兼容速度。例如，一個(gè)給定的車輛設(shè)計(jì)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(shù)投入保證了這種互操作性，同時(shí)帶來了更高速度的可能性，如10Gbps甚至100Gbps。相比之下，三種現(xiàn)行的 MOST速率一MOST25 MOST50 MOST15阱不是兼容的。整個(gè) MOST0絡(luò)只能使用同樣的速率，靈活性低，對低帶寬要求的設(shè)備需要付出不必要的成本才能滿足高帶寬設(shè)備的通信要求。三、AVB以太網(wǎng)使用案例? Lip-synced 多媒體播放在汽車環(huán)境中通過不同白多媒體設(shè)備提供A

15、V內(nèi)容的真正Lip-synced （精確同步）播放, 是AVB以太網(wǎng)的一個(gè)核心車載應(yīng)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(dòng)設(shè)備的音視頻內(nèi)容，都能同時(shí)在多個(gè)前座與后座顯示屏、車輛功放，甚至是連接的耳機(jī)上播放， 確保能為所有乘客 提供愉快的視聽體驗(yàn)。卜圖示例，兩個(gè)RSE顯示器播放DVDffi頻，同時(shí)音頻通過另一通道傳輸?shù)焦Ψ拧VB技術(shù)能保證這三個(gè)設(shè)備之間的精確同步。圖3帶有多條音視頻傳輸路徑的DV陰放器?連接車輛應(yīng)用在互聯(lián)車輛內(nèi)，外部數(shù)據(jù)的可用性和依賴性都很高。無論傳輸?shù)氖且粢曨l流， 在線地圖導(dǎo)航，傳入車內(nèi)的外部互聯(lián)網(wǎng)媒體信息，或者是從車內(nèi)發(fā)出的各種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和服務(wù)請求,

16、網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求都是很高的。能夠通過單一網(wǎng)絡(luò)傳輸上述數(shù)據(jù)以及內(nèi)部音視頻數(shù)據(jù)，并且同時(shí)滿足不同數(shù)據(jù)的不同QoS需求是AVB以太網(wǎng)的一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢。?高級駕駛輔助系統(tǒng)許多現(xiàn)代的高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS都能通過靈活的高帶寬AVB網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。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(gè)圖像可以與更多的傳感器數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)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(wù)站通過車輛診斷排查車輛問題。以太網(wǎng)PHY擁有強(qiáng)大的物理層診斷能力，包括：自動(dòng)檢測與補(bǔ)償交換對，線纜斷路；檢測并補(bǔ)償鏈路阻抗不匹配造成的帶寬降低。利用這些建

17、立的并檢驗(yàn)過的以太網(wǎng)診斷，可以更快地發(fā)現(xiàn)并定位裝配與服務(wù)問題。?簡要技術(shù)概述想對AVB技術(shù)進(jìn)行深入了解，請參見AVnu官網(wǎng)上可用的技術(shù)資源Knowledge Center與 Council Material 。IEEE802.1AVB 與IEEE1722是技術(shù)基礎(chǔ)，由AVnu聯(lián)盟與其他描述不同網(wǎng)絡(luò)鏈路互聯(lián)或橋 接技術(shù)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)共同促進(jìn)其發(fā)展。值得注意的是，AVB標(biāo)準(zhǔn)在不同類型的網(wǎng)絡(luò)鏈路上提供的服務(wù)并不是相同的，因?yàn)槊糠N鏈路技術(shù)有不同的特性。以下是基本標(biāo)準(zhǔn)：? IEEE802.1AS(PTP) : Timing and Synchronization for Time-Sensitive A

18、pplications in Bridged Local Area Networks.”自動(dòng)選擇一個(gè)設(shè)備作為主時(shí)鐘，然后通過橋接局域網(wǎng)或IP子網(wǎng)發(fā)送時(shí)間信息給其他節(jié)點(diǎn)。802.1AS時(shí)鐘并不用做媒體時(shí)鐘，而是用作節(jié)點(diǎn)間共享時(shí)鐘參考，傳輸talker媒體時(shí)鐘信息給listener 。為了在有大量時(shí)延抖動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)中估算發(fā)送者實(shí)際媒體速率，這種參考移除了固定包交換時(shí)延的需求，也無需計(jì)算長期運(yùn)行均值。IEEE802.1AS基于IEEE1588-2008標(biāo)準(zhǔn)而來的。? IEEE802.1Q-2012(SRP):作為 P802.1Qat 工程開發(fā)，“Virtual Bridged Local Area Ne

19、tworks - Amendment 9:Stream Reservation Protocol (SRP)”。允許橋接局域網(wǎng)或IP子網(wǎng)內(nèi)，talker 與listener間建立流預(yù)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(gè)令牌桶整形網(wǎng)絡(luò)流量的方法，使得時(shí)延與帶寬預(yù)留流量變得可控。? IEEE802.1BA : “Audio/Video Bridging (AVB) Systems”。定義了在建立 AVB系統(tǒng)時(shí)，如何應(yīng)用相關(guān)的IEEE802.1與其他標(biāo)準(zhǔn)。? IEEE1722 : Layer 2 Transport Protocol for Time-Sensitive Applications in Bridged LANs.”定義了數(shù)據(jù)封裝、呈現(xiàn)時(shí)間，用于在音頻與視頻的終端設(shè)備間保證互操作 性，且這些設(shè)備是由IEEE802網(wǎng)絡(luò)提供的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且滿足時(shí)間敏感應(yīng)用的QoS需求。當(dāng)特殊報(bào)文離開和到達(dá)接口或PHY時(shí)記錄精確白時(shí)間戳