TSN与环形架构如何为软件定义汽车提供可靠通信

本次，我们为大家带来《汽车区域架构中的 TSN：启用以太网环形架构和 AVB 分布式音频》的白皮书相关内容。

简介

汽车制造商正积极推动车载高速以太网主干的发展，采用新兴技术趋势，例如以太网环形架构以实现冗余，以及时间敏感网络 (TSN) 和音频视频桥接 (AVB)，进而可靠地传输时间敏感型数据。

该行业正面临对更高带宽与更快速通信网络的迫切需求，以便在整车范围内传输安全关键型和时间敏感型数据。在下一代区域架构中，他们正研究以太网环形架构，以实现冗余设计。同时，他们也在尝试将更多类型的数据（包括音频）整合至以太网主干中，以减少线束。

区域架构通过区域控制模块 (ZCM)，将来自各类传感器与电子控制单元 (ECU) 的数据，传输至边缘节点通信网络。随后，如图 1 所示，这些 ZCM 会通过主干通信，将汇总后的传感器数据发送至中央计算单元 (CCU)。

图 1 适用于区域架构的车载网络

以太网环形架构是在现有的高带宽以太网主干基础上构建的，通过让每个节点同时与两个相邻节点相连，实现了网络冗余。由于数据可以在顺时针与逆时针两个方向同时传输，即使某一条以太网链路发生中断，CCU 仍能与 ZCM 保持通信。

随着车载网络带宽的提升，主干以太网可传输更多类型的数据，例如音频、雷达和摄像头数据。在汽车制造商逐步过渡到区域架构的早期阶段，他们主要将车身功能整合进各个区域模块中。但理想的区域架构应当能够支持跨域应用。音频是主要目标，这是因为 AVB 标准能够为音频数据提供确定性的延迟。将音频播放功能移入 ZCM 后，由于音频数据可以通过以太网传输，因此可以无需单独的通信总线。

内容概览

一、启用实时控制和时间敏感型数据

TSN 通过精密时序同步保障车载音频等实时数据的可靠传输，其与以太网环形架构的结合能进一步提升 AVB 等应用的网络可靠性。

二、以太网拓扑：环形与星形

环形拓扑为 TSN 网络提供了宝贵的冗余可靠性，但节点增加会累积延时，因此在设计需低延时数据同步与实时控制的车载网络时，必须在可靠性与实时性之间做出权衡。

三、以太网环形架构实施

实施以太网环形架构需在每个节点集成MCU、交换机和双 PHY。采用集成硬件加速的 MCU 是优化成本与性能的关键，可显著降低处理延时。

四、使用 AVB 将音频播放添加到以太网主干中

作为 TSN 的音频子集，AVB 利用以太网环形架构的冗余特性，为车内多区域音频同步播放提供了更可靠的传输保障。

五、区域架构中的音频

AVB 作为 TSN 的音频子集，通过以太网实现音频同步播放并简化布线，而环形拓扑的冗余则进一步保障了其传输可靠性。

六、在 ZCM 中实施 AVB

在 ZCM 中实施 AVB 需 MCU、交换机与 PHY 协同，通过时钟同步与媒体时钟恢复技术，最终由PHY生成精确时钟以驱动放大器，实现多区域音频同步。

结语

随着汽车制造商向集中式架构迁移，可靠、高效且可扩展的网络架构变得愈发重要。通过实施以太网环形架构，可在 ZCM 与 CCU 之间提供冗余数据流，从而提升车载网络的可靠性。此外，TSN 支持将各种数据流（包括通过 AVB 传输的音频）集成到以太网主干上，从而优化网络布线成本。

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