RTaW—基于车载以太网TSN的下一代E/E架构设计优化工具

Posted 2023-03-29 经纬恒润

面对日益复杂化的汽车电子电气架构及网络系统，人工计算与迭代的设计方式已很难适用。同时，验证设计的合理性在成本压力下愈发重要。今天我们对RTaW与BMW的合作应用案例（O.Creighton, N.Navet, P.Keller, J.Migge, 2020 IEEE-SA，“Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and Ethernet-based E/E Architecture Design”）进行解读，从两个方面分析如何进行E/E架构设计优化：

• 电子电气架构设计面临哪些挑战
• 如何使用RTaW进行E/E架构设计优化

1 BMW当前电子电气架构设计面临的挑战
- 向可靠的整车范围SOA转变

随着电子电气架构的发展，以信号/功能为导向的传统设计模式已不再满足需求，而整车范围SOA设计具有统一性、可靠性，可以带来两个核心优势：

• 清晰的SOA层级划分
• 明确的服务提供方和消费方定位
  

图1 基于信号到基于服务的转变

与传统设计模式相比，SOA开发过程需要考虑更多的系统要求，如延时、带宽、鉴权、冗余与安全、整车级别的运行配置等。在智能驾驶领域里，通过动态配置资源的高性能实时运算平台（由软件定义的、硬件高度集成的ECU）在大数据和AI算法的帮助下将担负更多的角色。

图2 BMW L3&L4可剪裁的自动驾驶架构

- 模块化下的软硬件扩展性和复用性

为了提高模块化下的软硬件开发效率、降低成本、提高复用性。目前在BMW所有L2至L4/5级乘用车中，基础平台统一在AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）上进行搭建，并将L2模块作为L3的备份，这种设计使ECU和摄像头的软硬件具有较高的复用性。且随着自动化水平的继续升高，还可通过部署额外的传感器和高端微处理器来满足需求。

- 工作量大成本高的集成和测试

从完整系统测试到持续集成测试的转变，使得测试对自动化的需求大幅提升，解决这个问题的关键是在设计初期的虚拟平台上进行大量的验证和测试。目前的解决方向是针对整套系统进行不同精度等级的仿真，并在软/硬件在环的测试用例中集成真实元件，实现这一目标具有较大的挑战性。

- 如何设计一个具备扩展性的E/E架构

架构在初期设计阶段就已确定，但随着研发过程的深入，软件功能还会陆续的添加，在产品售出后还有更新的需求。这种更新目前主要有两个场景：纯软件的升级和软硬件同时升级（如ADAS模块）。因此，如何设计一个扩展性好、可持续增值的E/E架构成为整车设计的难点。

2 基于RTaW-Pegase的E/E架构设计优化

目前系统的设计优化主要可按照链路带宽、TSN协议的选择等方向展开，如何保证在设计初期就选择一个“面向未来的”E/E架构？下文将从一个示例来阐述，在一个基于TSN的Zonal架构中，如何评估网络带宽使用情况以及未来软件更新可增加的服务数量，设计出一个的扩展性好的E/E架构。

示例：如下图所示，三个区域控制器（图中黄色区域）与HPC（图中绿色区域）使用千兆以太网相连，HPC将处理包括车身、运动、数据分析、ADAS等内容。该以太网拓扑包含17个ECU，如HMI、动力系统、摄像头、AI后台计算等。根据统计，命令控制信息占汽车数据流总数的30%，音视频流（含ADAS）为10%，各种服务信息则占到60%，这个示例中，服务类信息是影响链路带宽的关键。

图3 示例拓扑及数据统计

为了评估后期更新时增添服务的极限，在分析软件RTaW-Pegase中将评估内容拆解成五个方面：过载、网络性能、成本/扩展性、性能优化及整体架构。接下来本文将围绕这五个方面进行介绍。

图4 评估流程

- 过载评估

以链路100%负载作为限制（当一条或多条链路上负载高于100%时，即使使用TSN也不能满足时间限制），得到的评估结果为：添加90个新服务时过载为10%，之后过载量陡然上升，这说明无论使用哪种TSN策略，该架构都只适合添加60-80个服务。

图5 过载评估

- 网络整体性能

除了链路负载以外，流量调度方法的选择也会对结果产生影响。未使用任何整形方法或者流量调度方法的命令&控制信息只能添加25-30个新服务（75%保障级别），接着使用不同流量调度方法进行分析：“CBS[1]+最高优先级设置为Express[2]”方案在同等保障级别下可添加55个新服务，这个结果和“最高级使用CBS+TAS[3]”方案结果相似。所以，在硬件允许且不考虑成本的情况下，这两种配置可实现几乎相同的可扩展性。

[1] CBS（Credit-based Shaping）：IEEE 802.1Q协议中规定的一种基于信用的整形机制，在支持AVB功能的交换机出口处对数据流依照信用值进行流量整形，以达到保证时间敏感的音视频流的传输目的。

[2] Express：帧抢占是TSN协议族中提供延迟保障机制的协议，通过对帧进行高低优先级的划分（Express MAC和Preamble MAC），来缩短高优先级帧的排队等待时间。

[3] TAS（Time Aware Shaping）：IEEE 802.1Qbv协议规定的时间感知整形，通过开关门的机制来控制数据的发送，为车内时间敏感数据提供超低延时及抖动保证。

- 成本和扩展性

设计者在追求系统可扩展性的时候也需要进行成本控制。影响成本的因素众多（价格、时间、风险、重量等等），在RTaW中为本案例添加自定义的函数来计算成本。从结果看，在不使用整形机制（CP）的情况下可新增20个服务流，此方案的性价比在给定的价格基础上更优；随着需求中流的数量的上升，在给定当前价格参考的基础下，性价比更高的方案由CP向“TAS+CBS”转移，当流的增量超过40条时，“CBS+Preemption”拥有较高的性价比。

图6 成本和扩展性评估

- 整体架构扩展性

架构可扩展性分析必须同时考虑网络通讯以及CPU负载。我们首先来假设每个服务所需的处理时间都与其数据流成比例，基于相同的CPU算力来进行对比评估。在软件中分别模拟更好的TSN方案（最高级队列设为Express+两个CBS队列）有/无CPU需求的场景。在不考虑CPU要求的情况下，结果往往会过于乐观，如图所示，在同时满足通讯和CPU性能要求的情况下，网络的实际可扩展性会差于不考虑CPU要求的情况。

图7 整体架构扩展性评估

- 架构综合评估

以上介绍了基于已有的网络拓扑如何进行面向未来的汽车电子电气架构设计，特别是分析了网络的可扩展性以应对未来的需求。下面我们来总结一下，对于通过扩展已有核心网络拓扑来设计未来网络架构，需要考虑四大方面：

• 核心拓扑的设计
• 对拓扑的限制需求
• 电脑辅助设计，基于RTaW-Pegase对不同大量场景进行测试评估优化
• 网络的安全性和可靠性（RTaW-Pegase同样支持）

3 结语

面对汽车电子电气架构设计优化需求，系统复杂性、扩展性、时间和成本效率等是关键的驱动因素。可以预见，计算机辅助网络分析软件将大大推动面向未来的研发进程。

RTaW-Pegase是法国国家信息与自动化研究所（INRIA）下属公司RTaW的产品。该公司主要为汽车等领域的企业提供时间仿真和配置工具。RTaW-Pegase（V4.2.7）全面支持CAN（FD）、车载以太网以及TSN协议的设计仿真及性能评估。该软件功能强大且使用便捷，ZeroConfig功能可根据用户输入一键式自动完成车载以太网TSN协议参数配置工作，优化TSN网络拓扑以及调度机制。不断新增的功能也将在更广的范围内支持车载网络全网时间分析及优化。

经纬恒润持续关注车载以太网国际新趋势，为客户提供各类优质先进的车载以太网相关工程咨询服务，涉及车载以太网设计、AVB/TSN量产应用、SOA架构、网络安全设计和测试等多个领域。RTaW两年前由经纬恒润引入国内，是该公司在中国的重要合作伙伴。恒润已为国内多家知名汽车企业提供了基于RTaW-Pegase产品的车载以太网TSN设计工程咨询服务，更多资讯请访问经纬恒润官网或官微。

[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.