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利用TSN满足关键应用需求 ——以航空航天、汽车、铁路三大应用场景为例

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【摘要】:
在关键应用领域,常规的以太网无法获得亚微秒级的同步精度,也无法满足高容错性和较低成本等特点,而TSN技术可以做到。

 · 前言 · 

    在关键应用领域,常规的以太网无法获得亚微秒级的同步精度,也无法满足高容错性和较低成本等特点,而TSN技术可以做到。以航空航天、汽车、铁路行业为例,关键程序要求高带宽、零损耗,能够处理速率受限的流量以及同时应对不同类型的数据和通讯需求;与此同时,在这些行业的系统中,高可靠性也是必须的,故障检测、故障隔离、零切换/恢复时间等性能都是必要需求;另一方面,航空航天等行业具有一定的行业特殊性,传统的网络是基于专有标准的,因此供应商很少,这也就意味着成本更高。TSN技术是一项全球性技术,组件成本低,已经过大量测试与使用,应对航空航天、汽车、铁路行业所面临的通讯技术挑战,TSN有着完整的解决方案。

 · 航空航天 · 

 ·挑战

    航空航天业专用协议包括AFDX、ARINC等,这些协议带宽较低且供应商稀少,而又由于多网络的平行传输,因此没有一个特定的协议能够适用于一架飞机的所有子系统,组网成本高昂,系统布线也很复杂。航空航天网络需要一个通用的网络架构,布线简单、供应商多、组网成本相对较低,同时满足确定性传输、低延时、低抖动、冗余机制和高带宽的要求。

·测试

    航空航天领域的许多公司正在合作研发一个项目来确定他们未来的通信架构形式。ADCSS 2019/2020会议均讨论了此议题。在确认采用TSN技术前,需要对其进行测试:ESA委托Relyum进行了前期的TSN网络搭建和测试,测试要求定义并规划一个TSN网络拓扑架构、对实施下图标准的结果进行验证

·解决方案

    针对这一测试,Relyum提供了如下图架构

    该拓扑结构有着严格优先级的传输机制,可以兼容旧有网络,实现异构网络的融合传输。

 · 汽车行业 · 

    在汽车行业,随着ECU的增多,布线越来越复杂,成本也水涨船高,且当前汽车网络带宽较低,无法满足未来自动驾驶的高带宽需求。新型汽车的网络架构中,使用以太网作为骨干网络,带宽可达100M,灵活的组网方案将汽车分为若干个拓扑区域,可拓展性强。

    在新形势下,汽车骨干以太网需要一个高带宽、实时处理和确定性传输、在同一线缆上实现不同优先级的数据流传输、高可靠性的解决方案。在这个基础上,SoC-e为Denso提供了用于汽车领域演示的TSN骨干网络架构,该架构可以集成不同的终端设备(包括距离传感器、摄像头、LISA master、AFP Master/Slave以及普通电脑),使得不同速率和优先级的不同总线在同一网络中进行传输。

SoC-e MTSN IP 核 实现的TSN骨干网方案

    TSN作为骨干网满足了所有需求:简单的网络部署、完全可扩展的网络理念、可兼容现有的传统网络架构进行升级、全连接以及高带宽(整合数据流可达950Mbps)、实时和确定性数据(高优先级的流总是可以在传输的窗口中)、不同的数据流混合传输(基于优先级的TSN数据流混合传输能力)、高可靠性(双链路冗余、切换恢复零延时)。

 · 铁路行业 · 

    目前,铁路行业正致力于对下一代高性能、安全的列车通信网络监控系统进行架构。

·挑战

    现存铁路行业的网络基础设施仍然较为复杂,需要更为简单的设备集成组网来提高互操作性,这个组网需要支持面向不同物理网络的、有效的QoS服务机制,确定性的网络传输时延以及零延时的冗余恢复时间。列车通信网络需要高鲁棒性,面对不同的用户域网络时能够提供混合关键数据流的传输能力,不需要独立的并行备份线路即可实现SIL4级别的安全数据通信能力。

·解决方案

    基于SoC-e MTSN IP核,CAF已开发出相应的CCU设备,并用于与其他公司的设备搭建前期测试网络,以评估TSN技术未来在列车上的实际部署与应用。(CCU——Central Control Unit,可控制列车各子系统的控制单元间的行为与通信。)

    目前CAF已完成前期的TSN功能测试,以及实验网络的TSN互操作性与功能测试,未来计划实现物理列车级别的实验测试。

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