AVnu联盟白皮书--车载以太网及AVB技术应用

AVnu联盟通过对符合IEEE标准的设备进行一致性与互操作性的认证，使以太网成为一种确定性网络技术，保证网络设备在各应用领域(如专业A/V、汽车、工业控制及消费电子)的互操作性。AVnu组织与其他标准机构、联盟一起，为基于802.1音视频桥接(Audio Video Bridging, AVB)/时间敏感网络(Time Sensitive Networking, TSN)标准的确定性网络开拓一条可行路径，便于设计者及工程师在具体产品中应用这些标准。

恒润科技自成立伊始一直专注于车载网络技术的研究与应用，包括CAN、CANFD、LIN、FlexRay、MOST。针对车载以太网技术，恒润科技早已加入AutoSAR组织、OPEN联盟。为了便于及时、全面地了解AVB技术，2016年10月，恒润科技又加入了AVnu联盟。凭借自身多年来传统车载网络技术的积累、强大的新型总线研发团队以及经验丰富的国外合作伙伴，恒润科技专注于为客户提供最先进、最专业的车载以太网及AVB技术解决方案。

概要

随着消费者对汽车互联性和娱乐舒适性的需求呈爆炸式增长，汽车制造商非常有必要在车内构建一套标准、易于部署的A/V网络系统。IEEE 802.1 音频/视频桥接(AVB)工作组与IEEE 1722 二层传输协议工作组，已经针对时间敏感数据开发了一系列的网络增强型功能，用于促进高可靠性的音频与视频应用。AVnu联盟采纳了这些标准，并给出了车载应用的建议。同时，联盟内部的汽车验证测试小组(Certification Test Subgroup，CDS)也开发了对应的认证测试规范。本文大致描述了这些新技术内容以及它们在车载应用中的优势。

介绍

过去的十年中，消费者的需求推动了汽车音视频功能的大幅度增长。曾经只出现在豪华轿车中的功能，如DVD播放、倒车摄像头与导航等，如今也成为了许多主流汽车的标配。越来越多的资源及选项，使得后座娱乐系统(Rear Seat Entertainment，RSE)变得越来越复杂。面对如此多变的需求，如何构建一个通用的汽车网络架构成为需要迫切解决的问题。

当几乎全球的OEM都认为车辆通信带宽低、采取CAN网络构建车内网络时，车载多媒体的应用带来巨大挑战(如带宽、QoS、可扩展性、成本、规模经济、开放等)。什么是可以同时满足技术、成本要求的多媒体应用解决方案呢，目前还有许多争论。

以前，由于不确定性大，车辆多媒体传输避免使用基于包交换式的网络。如今IEEE802.1音频视频桥接(AVB)工作组与IEEE1722 AVTP工作组为汽车内低时延、高可靠性传输需求提供了一种基于标准的实现方法。AVB协议可被应用在多种物理层上，本篇文章将主要介绍以太网上的AVB应用。车内线缆的简化及可靠的硬线解决方案，使得基于有线以太网的AVB协议能够很好地应用于车载环境中。

AVnu联盟的主要市场目标是将AVB成功地应用于车内的音视频流中。本白皮书概括了车内网络使用AVB技术的特点及优势。

一、以太网AVB概览

AVB是以太网开放标准套件的增强部分。通过网络时间同步功能和时间敏感流的相关传输协议，为网络内处理视听数据提供了服务质量保证(QoS)。在车载环境中，它能够满足更普遍的时间敏感网络需求，使得在单一网络中同时处理信息娱乐、车身控制、辅助驾驶，甚至安全相关的功能成为可能。

为了做到这些，AVB使用了许多重要的概念。“优先级”：指明部分数据流的时间敏感性，有别于一般性的尽力传输型(best - effort)数据。“预留”：是指在网络内预先设置一个固定大小的确定带宽，用来处理高优先级流量。通过“网络时间”，连同严格的时延需求，传输同步数据包，使音视频能够同步播放。AVB技术还包含标准流量整形与转发规则。此外，AVB技术可用于发现、枚举、控制的标准化方法，使得系统能够快速、简单地完成搭建与配置。

本篇文章末尾处的技术概览介绍了关于标准的独立部分以及相关技术的更多细节。

二、汽车市场的AVB优势

•  简化的线缆，更轻的重量与更高的可靠性

网络式布线方法降低了车内线束成本及设计复杂性。减少连接器数量可增加可靠性，减轻重量，提高燃油效率。

随着CAN网络和基本控制信息传输技术的广泛应用，在车辆内实现多路或者是基于网络的控制通信，已经非常常见。而由于信息娱乐系统内音视频内容的不断扩充，继续使用点对点的专用连接，如使用带屏蔽的LVDS线缆，已经无法满足需求。

•  一个健壮的生态系统

AVB的制定者选择以太网作为底层传输路径，不仅仅是由于语音技术的原因，还在于以太网技术鲁棒性好，易于扩展，且应用广泛。制定者们决定基于这些优势开创一个开放的、标准的技术。开放标准能够孕育出强壮的、有竞争力的生态系统，现在已经有许多供应商在他们的产品中部署了AVB系统。此外，AVnu CDS定义了AVB使用说明，并开发了相关的认证程序。这将允许OEM制定一致性与互操作性需求，且这些需求可以由诸多Tire1实现。供应商反过来也可以构建他们的解决方案，而不只是依赖于单一的技术提供商。

此种方法与之前的车载解决方案形成了鲜明的对比。车载信息娱乐网络技术此前一直是以MOST为主，但MOST技术的不开放性阻碍了其应用和发展。早在2008年11月，Hansen报告就指出,“今日的业内人士相信：相比CAN、LIN与FlexRay，MOST远远不够开放。”此报告继续预言“如果没有更多的开放性和强大的购买能力，MOST可能在几年内让路给它的替代者，如以太网。”这个预言正在被证实，MOST正被更开放的新技术所取代。

•  互操作性认证

除具备开放性的特点外，AVB技术因归属于IEEE标准，从而拥有一套健壮的、严格的一致性与互操作性(C&I)标准。这些C&I标准是由各自协议实现一致性声明(PICS)定义的。AVnu C&I将IEEE PICS延伸到了汽车应用领域。

鉴于AVB认证可保证不同产品间的相互兼容性，OEM可与不同供应商共同构建一个丰富的、不断成长并能快速达到质量要求的生态体系。

•  可预测性和高可靠性

AVB核心协议：优先级，预留，流量整形与时间同步，允许设计师在汽车环境中构建可预测的并且满足可靠性要求的网络。

IEEE802.1Q队列与转发协议(Qav)是保证可预测性的关键。它优先调度高优先级数据，同时保证时间敏感信息不会被低优先级数据干扰。

带宽预留指的是为音视频流预留端到端的可用带宽，并保证这条带宽能够一直被该流数据使用，直到被明确释放。同时为了满足快速启动需求，带宽预留可以进行预先静态配置。车载应用场景中默认要求，系统能为特殊的数据配置静态预留带宽。

IEEE802.1Q流预留协议(SRP)更加灵活。它允许终端对带宽的动态预留或释放，使得OEM无需执行大量的网络改动，便可对于每种不同的可选包或者未来车辆进行配置、可靠传输音视频流。但车载应用场景不强制要求支持SRP。

•  多对多灵活配置

构建一个能处理大量数据与控制信号的车内网络极具挑战性。网络需要保证从多种源到多个目的地的音视频数据及时交付，如在呼入电话事件中进行程序静音，传递如警告提示和路线规划导航命令等信息。这需要网络一开始就配置好预留带宽来处理这些需求。

实际上，在车载应用场景中并不需要通过SRP实现动态带宽预留。能满足多对多通信需求才是汽车制造商从点对点传输系统转移到网络式A/V系统的一个最根本的原因。

•  低时延

许多车载应用有非常严格的时延要求，典型例子是行驶记录仪、驾驶辅助摄像头、蓝牙麦克风、各种声音源。同样重要的还有外部系统所强加的约束，例如汽车免提设备需要确认移动蜂窝网络的延时需求。对于这些应用，AVB协议都能够满足最严格的时延要求。

•  精确同步

车载音视频网络的最终目的是在终端如实的呈现音视频流，为车辆用户提供高质量的视听环境。另外，汽车制造商也可借此来搭建一个能够传输不同类型数据、包含多个源节点和播放节点的灵活网络。

以上需求的关键就是同步。

从技术上来说，同步有两个基本目的：

首先，在源设备上为采样数据提供一个共同的时间基准，并在一个或多个目的设备上以相同的周期呈现这些数据。

其次，实现多条流之间相互同步(如前后音频)。

AVB通过IEEE802.1AS精准时钟协议(PTP)实现同步。它为网络内的所有节点提供了一个共同的时间参考基准，这个基准称为“wall clock”。而IEEE1722 音视频传输协议提出了“presentation time”这个概念，它从“wall clock”衍生而来，允许发送节点定义数据包在接收端的呈现时间。

网络节点保持各自的本地时钟，同时通过交换时戳信息，它们计算自身与网络时间的差别。接收端通过对原采样时钟的重建，不但实现了内容的精确与低抖动交付，也使得同一AVB网络可同时容纳不同采样速率的数据以及多种不同类型的设备。

•  快速启动

车载多媒体系统最重要的需求之一就是提供“early audio”与“early video”。系统必须能够快速启动并在车辆启动后准备好能随时呈现音视频。音频通常用来播放安全报警，视频用于播放后视摄像头图像。这两种应用场景由NHTSA(美国高速公路安全管理局)强制要求：车辆启动后2秒内可用。

为了满足这些需求，AVnu联盟对汽车应用进行了特殊定义，简化车载以太网AVB产品的启动过程。具体来说，通过使用预配置固定时钟树来实现快速网络时间同步，通过流量的预先配置来消除动态AVB流预留带来的时延。

•  可扩展的通用拓扑

与MOST共享网络带宽不同，AVB网络仅在源节点与目的节点之间消耗带宽。即使在相同的网络带宽下，相比MOST网络，这种方式将允许更多的数据在AVB网络上传输，也更易扩展星型拓扑或树形拓扑。另外，多播服务的使用，即一对多传输，也进一步提高了带宽使用率。

图1  MOST环形拓扑。所有节点都会监测到来自其他节点的流量。

图2  AVB架构示例。车前部的摄像头信号只传输至驾驶辅助模块。

此外，设计者也可以灵活选择兼容速度。例如，一个给定的车辆设计能方便地混合并匹配高带宽1000Mbps链路与低带宽100Mbps链路。各种组织的大量技术投入保证了这种互操作性，同时带来了更高速度的可能性，如10Gbps甚至100Gbps。相比之下，三种现行的MOST速率—MOST25，MOST50，MOST150并不是兼容的。整个MOST网络只能使用同样的速率，灵活性低，对低带宽要求的设备需要付出不必要的成本才能满足高带宽设备的通信要求。

三、AVB以太网使用案例

•  Lip-synced多媒体播放

在汽车环境中通过不同的多媒体设备提供AV内容的真正Lip-synced(精确同步)播放，是AVB以太网的一个核心车载应用。

无论来自前方中控已安装的DVD播放器，还是来自外部无线移动设备的音视频内容，都能同时在多个前座与后座显示屏、车辆功放，甚至是连接的耳机上播放，确保能为所有乘客提供愉快的视听体验。

下图示例，两个RSE显示器播放DVD视频，同时音频通过另一通道传输到功放。AVB技术能保证这三个设备之间的精确同步。

图3  带有多条音视频传输路径的DVD播放器

•  连接车辆应用

在互联车辆内，外部数据的可用性和依赖性都很高。无论传输的是音视频流，在线地图导航，传入车内的外部互联网媒体信息，或者是从车内发出的各种远程数据和服务请求，对网络带宽的要求都是很高的。

能够通过单一网络传输上述数据以及内部音视频数据，并且同时满足不同数据的不同QoS需求是AVB以太网的一个强大优势。

•  高级驾驶辅助系统

许多现代的高级驾驶辅助系统(ADAS)都能通过灵活的高带宽AVB网络实现。

例如：一组互连的摄像头能提供同步的360°车辆环境的环视图像，这个图像可以与更多的传感器数据在同一网络中同步传输，最终用于驾驶员提醒，来提高乘员与行人的安全性。

•  线缆诊断

汽车厂商迫切希望能直接在装配流水线上和售后服务站通过车辆诊断排查车辆问题。

以太网PHY拥有强大的物理层诊断能力，包括：自动检测与补偿交换对，线缆断路;检测并补偿链路阻抗不匹配造成的带宽降低。利用这些建立的并检验过的以太网诊断，可以更快地发现并定位装配与服务问题。

•  简要技术概述

想对AVB技术进行深入了解，请参见AVnu官网上可用的技术资源Knowledge Center与Council Material。

IEEE802.1AVB与IEEE1722是技术基础，由AVnu联盟与其他描述不同网络链路互联或桥接技术的IEEE标准共同促进其发展。值得注意的是， AVB标准在不同类型的网络链路上提供的服务并不是相同的，因为每种链路技术有不同的特性。

以下是基本标准：

♦  IEEE802.1AS(PTP)：“Timing and SynＣhronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks.”自动选择一个设备作为主时钟，然后通过桥接局域网或IP子网发送时间信息给其他节点。802.1AS时钟并不用做媒体时钟，而是用作节点间共享时钟参考，传输talker媒体时钟信息给listener。为了在有大量时延抖动的网络中估算发送者实际媒体速率，这种参考移除了固定包交换时延的需求，也无需计算长期运行均值。IEEE802.1AS基于IEEE1588-2008标准而来的。

♦  IEEE802.1Q-2012(SRP)：作为P802.1Qat工程开发，“Virtual Bridged Local Area Networks - Amendment 9:Stream Reservation Protocol (SRP)”。允许桥接局域网或IP子网内，talker与listener间建立流预留。

♦  IEEE802.1Q-2012(FQTSS)：作为P802.1Qav工程开发，“Virtual Bridged Local Area Networks - Amendment 11:Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams.” 描述了一个令牌桶整形网络流量的方法，使得时延与带宽预留流量变得可控。

♦  IEEE802.1BA：“Audio/Video Bridging (AVB) Systems”。定义了在建立AVB系统时，如何应用相关的IEEE802.1与其他标准。

♦  IEEE1722：“Layer 2 Transport Protocol for Time-Sensitive Applications in Bridged LANs.” 定义了数据封装、呈现时间，用于在音频与视频的终端设备间保证互操作性，且这些设备是由IEEE802网络提供的标准网络服务，并且满足时间敏感应用的QoS需求。

当特殊报文离开和到达接口或PHY时记录精确的时间戳，PTP可以测量并补偿队列和转发传输时延。为了使用802.1AS，期望流包含呈现时间，并结合网络时间形成交叉时戳，用来重建采样时钟。对于采用802.1AS时间并封装呈现时间的流，本质上看，AVB网络支持任意数量的不同的媒体采样速率，还支持时钟源作为目的设备，同步到他们相应的源设备上。AVB网络也提供网络中不同路径间同步的机制。

IEEE802.1Q流预留协议提供带宽预留机制，允许终端节点进行动态的配置路由。SRP在车载应用中不是必须实现的。为了简化终端节点工作并达到快速启动要求，默认认为网络是固定的，即根据传输场景预先配置预留带宽。但是不管是否预先配置流预留，还是使用SRP，都需要使用FQTSS。FQTSS调度时间敏感流数据，保证网络数据的及时交付。普通的非流数据如基于IP的控制或计量报文不能影响预留的AVB流数据。

AVnu车载以太网AVB功能与互操作性规范采用了如下标准并定义了车载应用的配置和选项优化，包括：

♦  固定的预配置802.1AS时钟树，内置时钟冗余

♦  预配置流预留

♦  启动满足NHTSA要求

♦  车载音频AVB流量分类优化

♦  在低成本ECU和终端节点中优化AVB性能机制

♦  线缆诊断

总结

IEEE802.1 AVB工作组定义了车辆信息娱乐系统、驾驶辅助系统应用以太网的关键技术。AVnu联盟提供车载应用的互操作性与认证测试来验证这些需求的实现。在各组织的大量持续投入的背景下，低时延、精确同步的音视频传输技术将为下一代应用提供强大的解决方案。AVB协议是开放的标准，允许各整车厂及供应商使用。