RTaW—基於車載乙太網TSN的下一代E/E架構設計優化工具

隨著電子電氣架構的發展，以訊號/功能為導向的傳統設計模式已不再滿足需求，而整車範圍SOA設計具有統一性、可靠性，可以帶來兩個核心優勢：

圖1 基於訊號到基於服務的轉變

與傳統設計模式相比，SOA開發過程需要考慮更多的系統要求，如延時、頻寬、鑑權、冗餘與安全、整車級別的執行配置等。在智慧駕駛領域裡，通過動態配置資源的高效能實時運算平臺（由軟體定義的、硬體高度整合的ECU）在大資料和AI演算法的幫助下將擔負更多的角色。

圖2 BMW L3&L4可剪裁的自動駕駛架構

為了提高模組化下的軟硬體開發效率、降低成本、提高複用性。目前在BMW所有L2至L4/5級乘用車中，基礎平臺統一在AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）上進行搭建，並將L2模組作為L3的備份，這種設計使ECU和攝像頭的軟硬體具有較高的複用性。且隨著自動化水平的繼續升高，還可通過部署額外的感測器和高階微處理器來滿足需求。

從完整系統測試到持續整合測試的轉變，使得測試對自動化的需求大幅提升，解決這個問題的關鍵是在設計初期的虛擬平臺上進行大量的驗證和測試。目前的解決方向是針對整套系統進行不同精度等級的模擬，並在軟/硬體在環的測試用例中整合真實元件，實現這一目標具有較大的挑戰性。

架構在初期設計階段就已確定，但隨著研發過程的深入，軟體功能還會陸續的新增，在產品售出後還有更新的需求。這種更新目前主要有兩個場景：純軟體的升級和軟硬體同時升級（如ADAS模組）。因此，如何設計一個擴充套件性好、可持續增值的E/E架構成為整車設計的難點。

目前系統的設計優化主要可按照鏈路頻寬、TSN協議的選擇等方向展開，如何保證在設計初期就選擇一個“面向未來的”E/E架構？下文將從一個示例來闡述，在一個基於TSN的Zonal架構中，如何評估網路頻寬使用情況以及未來軟體更新可增加的服務數量，設計出一個的擴充套件性好的E/E架構。

示例：如下圖所示，三個區域控制器（圖中黃色區域）與HPC（圖中綠色區域）使用千兆乙太網相連，HPC將處理包括車身、運動、資料分析、ADAS等內容。該乙太網拓撲包含17個ECU，如HMI、動力系統、攝像頭、AI後臺計算等。根據統計，命令控制資訊佔汽車資料流總數的30%，音視訊流（含ADAS）為10%，各種服務資訊則佔到60%，這個示例中，服務類資訊是影響鏈路頻寬的關鍵。

圖3 示例拓撲及資料統計

為了評估後期更新時增添服務的極限，在分析軟體RTaW-Pegase中將評估內容拆解成五個方面：過載、網路效能、成本/擴充套件性、效能優化及整體架構。接下來本文將圍繞這五個方面進行介紹。

圖4 評估流程

以鏈路100%負載作為限制（當一條或多條鏈路上負載高於100%時，即使使用TSN也不能滿足時間限制），得到的評估結果為：新增90個新服務時過載為10%，之後過載量陡然上升，這說明無論使用哪種TSN策略，該架構都只適合新增60-80個服務。

圖5 過載評估

除了鏈路負載以外，流量排程方法的選擇也會對結果產生影響。未使用任何整形方法或者流量排程方法的命令&控制資訊只能新增25-30個新服務（75%保障級別），接著使用不同流量排程方法進行分析：“CBS[1]+最高優先順序設定為Express[2]”方案在同等保障級別下可新增55個新服務，這個結果和“最高階使用CBS+TAS[3]”方案結果相似。所以，在硬體允許且不考慮成本的情況下，這兩種配置可實現幾乎相同的可擴充套件性。

^[1] CBS（Credit-based Shaping）：IEEE 802.1Q協議中規定的一種基於信用的整形機制，在支援AVB功能的交換機出口處對資料流依照信用值進行流量整 形，以達到保證時間敏感的音視訊流的傳輸目的。

^[2] Express：幀搶佔是TSN協議族中提供延遲保障機制的協議，通過對幀進行高低優先順序的劃分（Express MAC和Preamble MAC），來縮短高優先順序幀的排隊等待時間。

^[3] TAS（Time Aware Shaping）：IEEE 802.1Qbv協議規定的時間感知整 形，通過開關門的機制來控制資料的傳送，為車內時間敏感資料提供超低延時及抖動保證。

設計者在追求系統可擴充套件性的時候也需要進行成本控制。影響成本的因素眾多（價格、時間、風險、重量等等），在RTaW中為本案例新增自定義的函式來計算成本。從結果看，在不使用整形機制（CP）的情況下可新增20個服務流，此方案的價效比在給定的價格基礎上更優；隨著需求中流的數量的上升，在給定當前價格參考的基礎下，價效比更高的方案由CP向“TAS+CBS”轉移，當流的增量超過40條時，“CBS+Preemption”擁有較高的價效比。

圖6 成本和擴充套件性評估

架構可擴充套件性分析必須同時考慮網路通訊以及CPU負載。我們首先來假設每個服務所需的處理時間都與其資料流成比例，基於相同的CPU算力來進行對比評估。在軟體中分別模擬更好的TSN方案（最高階佇列設為Express+兩個CBS佇列）有/無CPU需求的場景。在不考慮CPU要求的情況下，結果往往會過於樂觀，如圖所示，在同時滿足通訊和CPU效能要求的情況下，網路的實際可擴充套件性會差於不考慮CPU要求的情況。

圖7 整體架構擴充套件性評估

以上介紹了基於已有的網路拓撲如何進行面向未來的汽車電子電氣架構設計，特別是分析了網路的可擴充套件性以應對未來的需求。下面我們來總結一下，對於通過擴充套件已有核心網路拓撲來設計未來網路架構，需要考慮四大方面：

面對汽車電子電氣架構設計優化需求，系統複雜性、擴充套件性、時間和成本效率等是關鍵的驅動因素。可以預見，計算機輔助網路分析軟體將大大推動面向未來的研發程式。

RTaW-Pegase是法國國家資訊與自動化研究所（INRIA）下屬公司RTaW的產品。該公司主要為汽車等領域的企業提供時間模擬和配置工具。RTaW-Pegase（V4.2.7）全面支援CAN（FD）、車載乙太網以及TSN協議的設計模擬及效能評估。該軟體功能強大且使用便捷，ZeroConfig功能可根據使用者輸入一鍵式自動完成車載乙太網TSN協議引數配置工作，優化TSN網路拓撲以及排程機制。不斷新增的功能也將在更廣的範圍內支援車載網路全網時間分析及優化。

經緯恆潤持續關注車載乙太網國際新趨勢，為客戶提供各類優質先進的車載乙太網相關工程諮詢服務，涉及車載乙太網設計、AVB/TSN量產應用、SOA架構、網路安全設計和測試等多個領域。RTaW兩年前由經緯恆潤引入國內，是該公司在中國的重要合作伙伴。恆潤已為國內多家知名汽車企業提供了基於RTaW-Pegase產品的車載乙太網TSN設計工程諮詢服務，更多資訊請訪問 官網或官微。

[1]O. Creighton,   N. Navet, P. Keller, J. Migge, “Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and   Ethernet-based E/E Architecture Design,” IEEE Standards Association (IEEE-SA) Ethernet & IP @   Automotive Technology Day, 2020.

[2]J.   Yoshida, “Unveiled: BMW’s Scalable AV Architecture,” EE|Times, 4 2020.