车载时间敏感网络（TSN）白皮书

车载时间敏感网络（TSN）白皮书 （2021年） 工业互联网产业联盟（AII）2023年09月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 编写说明 2019年，以“电动化，智能化，网联化，共享化”为核心的汽车“新四化”进入发展的深水区，我国汽车工业也正在经历着第三次造车浪潮。世界经济论坛预测，2030年左右，汽车行业的数字化变革将带动3.1万亿美元的社会效益。从政策层面，美国、欧洲、日本及我国分别制定了自动驾驶相关规划；从产业角度，除传统主机厂积极布局之外，华为、百度、谷歌、苹果等ICT巨头纷纷开展自动驾驶相关的研究，自动驾驶已经成为跨界融合的“明珠”。 时间敏感网络基于标准以太网，在数据链路层提供一整套保障网络QoS的机制，例如时钟同步，门控队列，帧抢占，报文复制/丢弃等。随着高等级自动驾驶所需部署的传感器数量激增，车载时间敏感网络已经成为学术界、产业界研究的热点，并成为一种公认的下一代车载网络通信技术。 本白皮书首先研究车载网络的内涵、现状、发展趋势和车载时间敏感网络的驱动力，并分析车载时间敏感网络的技术体系与关键特征，展示车载时间敏感网络的生态与产业影响，最后结合典型场景，旨在对车载时间敏感网络的产业落地提供参考和指引，并对我国车载时间敏感网络的发展做初步展望。该白皮书是1.0版本，随着后续研究的深入，将持续对该白皮书升级。 牵头编写单位：北京邮电大学、中国信息通信研究院、网络通信与安全紫金山实验室； 参与编写单位：中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司、中 汽创智科技有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、深圳市三旺通信股份有限公司、长城汽车股份有限公司、江淮汽车股份有限公 司、中国联合网络通信股份有限公司、清华大学深圳国际研究生院、摩莎科技（上海）有限公司 编写组成员（排名不分先后）： 北京邮电大学：朱海龙、黄韬、汪硕中国信息通信研究院：张恒升、朱瑾瑜 网络通信与安全紫金山实验室：白钰、严园园、彭开来 中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司：韩东省、郝晶晶中汽创智科技有限公司：袁云康 中国科学院沈阳自动化研究所：李栋、俞雪婷深圳市三旺通信股份有限公司：徐龙 长城汽车股份有限公司：傅强江淮汽车股份有限公司：孙涛 中国联合网络通信股份有限公司：李建飞清华大学深圳国际研究生院：李志恒 摩莎科技（上海）有限公司：潘鹏、王宝山 目录 一、车载时间敏感网络内涵1 （一）车载网络定义1 （二）车载网络现状及发展趋势1 二、车载时间敏感网络技术体系7 （一）车载时间敏感网络标准态势7 （二）车载时间敏感网络关键技术特征11 （三）车载时间敏感网络参考架构17 （四）车载时间敏感网络与DDS融合19 （五）车载时间敏感网络与SDN融合20 （六）车载时间敏感网络与无线网络融合22 三、车载时间敏感网络产业发展态势22 （一）丰富车载时间敏感网络生态链22 （二）加速高级别自动驾驶技术发展24 （三）促进ICT产业与汽车产业融合27 四、车载时间敏感网络典型应用场景及展望28 （一）车载时间敏感网络典型场景29 （二）我国车载时间敏感网络展望30 一、车载时间敏感网络内涵 本章节从车载网络的定义、现状与发展趋势、驱动力等角度阐述车载时间敏感网络的内涵。 （一）车载网络定义 车载网络是指用于连接ECU等车内电子电气设备的数据通信系 统。 （二）车载网络现状及发展趋势 1.车载网络现状 随着电控系统的日益复杂，以及汽车内部控制功能电控单元相互之间通信需求的日益增长，采用点对点的连接会使得车内线束增多，如图1所示，同时考虑内部通讯的可靠性、安全性以及重量等因素，会给汽车设计和制造带来了很大的困扰。因此，为了减少车内连线，并且实现数据的共享和快速交换，同时提高可靠性等，以总线或以太网方式连接的汽车网络系统称为车载网络，如图2所示。 图1点对点通信图2总线/网络通信 20世纪80年代初，汽车总线雏形就已基本出现，诸多OEM、组织机构和大型供应商都纷纷研究自己的网络总线标准，期盼能一统 车载网络的天下，迄今为止已经有超过40种的网络总线，车载网络 演进路线如图3所示。 图3车载网络演进路线图 通过实际应用的检验，大多数总线逐渐退出历史舞台，仍在使用的几个主流总线为CAN、LIN、MOST、FlexRay、LVDS等。除了LVDS，其他网络标准基本上都是面向汽车行业制定，所有这些网络总线中，CAN总线份额最大，从芯片生产，软件工具支持，人才队伍，应用范围等各个环节在产业链中都是最为完备的。 CAN（ControllerAreaNetwork）总线协议是由BOSCH发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线，1991年，Bosch发布CAN 2.0标准,CAN2.0最高传输速率只有1Mbps，对于汽车自动驾驶应 用的数据传输，或者视频音频传输带宽不足。2012年，BOSCH发布CANFD1.0标准（CANwithFlexibleData-Rate），CANFD定义了在仲裁后确定使用不同的数据帧结构，从而达到最高12Mbps数据传输速率。 LIN是LocalInterconnectNetwork的缩写，LIN总线标准是由LIN协会制定的专门用于低速网络的低成本网络解决方案，最高通信速率为19.2kb/s。LIN总线硬件接口采用UART/SCI(UniversalAsynchronousReceiver-Transmitter/SerialCommunication Interface，通用异步收发器/串行通信接口)，其成本低廉，配置灵活，因而在传感器，执行器等领域得到广泛使用。 MOST（MediaOrientdSystemTranmit）总线是宝马公司、戴姆勒克莱斯勒公司、Harman/Becker公司和OasisSiliconSystems公司之间的一个联合项目，于1998年成立自主的实体，及MOST公司。 MOST总线主要是为车载多媒体数据服务的，从传输速率看，MOST总线的规范有MOSTREV1（MOST25），即25Mbps；MOSTREV2 （MOST50），即50Mbp；总线规范为MOSTREV3（MOST150），即150Mbps。 FlexRay是戴姆勒克莱斯勒公司的注册商标。FlexRay联盟 （FlexRayConsortium）推进FleRay的标准化，使之成为了新一代汽车内部网络通讯协议。FlexRay是专为车内局域网设计的一种具备故障容错的高速可确定性车载总线系统，采用了基于时间触发的机制且具有高带宽、容错性好等特点，在实时性、可靠性及灵活性方面都有很大的优势，非常适用于安全性要求较高的线控场合及带宽要去高的场合。 LVDS（LowVoltageDifferentialSignal）是一种电气数字信号通信协议，通过铜缆双绞线传输高速数据（最高可达850Mb／s， 最长传输距离10m），是计算机总线的一部分。在汽车领域，LVDS主要用于主控板和摄像头之间，显示屏与摄像头之间等短距离数据传输。 传统以太网使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，带宽通常是由多个设备共享的，并没有考虑实时信息的传输问题。随着音视频娱乐大量进入汽车座舱，IEEE开始着手开发用于音 视频传输的以太网协议，成立了IEEE802.1AVB（AudioVideoBridging）工作组。AVB标准体系主要包括802.1AS（精确时间同步），802.1Qat(流预留)，802.1Qav（队列及转发），AVB只能提供2ms和10ms两个延时等级（over7hops），导致其在车内应用的局限性，常用于车内后座娱乐系统。 当前主流车载网络协议对比如表1所示。 表1主流车载总线对比 2.车载网络发展趋势 以太网具有技术成熟、高度标准化、带宽高以及低成本等优势。随着近年来汽车电子化的快速发展，车内电子产品数量逐年增加，连接和互通的复杂性日益提高，以太网所具有的技术优势可以很好地满足汽车制造商对车内网络连接的需求。 从物理层角度出发，减少线缆重量和提升通信速率是车载以太网演进的方向。美国博通公司的BroadR-Reach技术，采用单对非屏蔽双绞线作为传输介质，既符合车载EMI/EMC规范，其在IEEE 802.3已经完成100BASE-T1的标准化，即将完成1000BASE-T1的标 准化；另外，Molex已经推出支持20Gbit/s速率的车载以太传输电缆HSAutoGig，Continental已经提出50Gbit/s的带宽需求。由于铜线介质的以太网传输线缆在带宽大于1Gbit/s情况下，EMC/EMI性能急剧下降，所以，高速率场景下的光纤传输也是究热点，例如，OFS(AFurukawaCompany),IEEE802.3CFI正在进行基于塑料光纤传输的高速以太网研究和标准化工作。 从数据链路层角度出发，为了提升AVB的性能，IEEE802.1TSN(TimeSensitiveNetwork)在AVB的基础上进行了扩充，增加了多种基于队列的流量整形(shaper)机制，结合门控，实现流级别的调度，成为车载网络学术界和产业界研究和跟踪的热点技术。TTEthernet是一种基于802.3以太网之上的面向汽车或工业领域的实时通信网络，在单一网络中可以同时满足不同实时和安全等级的应用需要。TTEthernet支持三种不同的消息类型，时间触发（TT）、速率约束（RC）和尽力而为（BE），TT消息优先于所有其他类型，而RC帧是保证预留的带宽，用于不太严格的确定性和实时要求的应用，BE帧可以看做是标准以太网TTEthernet（TimeTriggerdEthernet）。当TT消息未发送完成之前，RC和BE消息都将在在缓存中等待发送，由于设备缓存优先，TTEthernet更适用于流量不大的场景。图4是TSN和TTEthernet工作机制的对比。 图4TSN与TTEthernet工作机制对比 3.车载时间敏感网络驱动力 （1）高质量通信需求激增 为了实现更精确的自动操控功能，需要实时采集和处理传感器数据，尤其是多传感器原始数据融合，其对网络延时、抖动、带宽、可靠性等提出新的挑战。另外，ECU跨域通信及车与车、车与人、车与云等实时通信的需求增多，导致车载网络的流量模型彻底改变，最终驱动车载网络架构的变革。 （2）简化布线、减轻重量 高度自动驾驶（Level4），尤其是完全自动驾驶(Level5)，需要部署大量传感器。除传统传感器外，还需要部署高清摄像头、激光雷达、轮胎轨迹跟踪、语音识别等传感器，导致车内物理连接增多、布线复杂，且通信协议复杂、不统一。 对于中央网关架构的汽车而言，线束的重量和成本在整车中占比仅次于发动机和底盘之后，名列第三。例如一辆高端汽车，线束系统长度会达到6000米，包含约1500根线束，近4000个连接点， 重量约为70公斤，若按照目前方式推算，无人驾驶汽车的线束重量 将超过100公斤。由此带来的布线和人力成本也十分高昂，以安波 福的奔驰E-Class项目为例，这一单一线束设计生产项目就动用了安波福全球超过200位工程师合作完成。另外，据估算，对于燃油 车，重量每减少100公斤，每百公里的油耗可降低0.3-0.5升，对 应减少二氧化碳排放8-11克。 时间敏感网络（TSN）技术作为新一代交换网络技术，因其符合标准的以太网架构，具有精准的