【操作细则】如何实现TSN系统级测试?

汽车行业正不断向着数字化、自动化、网联化发展,汽车与周围环境及车身电子元件中的交互也日益复杂,大量来自雷达、传感器的数据需要传输处理,这必然会在网络延迟、可靠性方面造成影响。因此,实时网络变得不可或缺,时间敏感网络(TSN)的应用将会在一定程度上解决这个问题。


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什么是TSN


时间敏感网络(Time-Sensitive Network,TSN)是IEEE 802.1 TSN任务组定义的一组以太网子标准,主要用于在以太网络上传输时间敏感的实时数据。


当前,TSN已成为汽车行业的主要研究方向,通过配置关键型和非关键型数据流量(critical and non-critical data traffic)的传输,可以避免损坏数据的实时性和性能安全。此外,TSN拥有丰富的协议标准,可保证关键型数据的传输,降低数据传输的延迟、抖动,提高数据传输的可靠性。同时,在车载以太网上应用TSN机制,可以明显降低车载网络的硬件和布线要求。


如图1所示,是一个典型的带有TSN功能的Zonal架构布局。


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图1 带TSN功能的典型Zonal架构布置图


Zonal架构划分为几个主要的域,如智能驾驶域、智能座舱域、车身域等。未来车辆通信中,以太网将承载主要的信息通信。


新一代车载网络架构中使用TSN设计,将TSN功能部署到对时间敏感的节点(如雷达、摄像头)以及与之相连的区域网关控制器、中央计算中心等,可在复杂高速的通信交互中,确保数据传输的低时延、高可靠,以更好的满足车辆在实现智能驾驶过程中对传输延迟、带宽保证、功能安全等方面的严格要求。


完成TSN系统设计后,还需要通过测试全面评估系统的功能是否正常、关键参数指标能否满足设计要求,才能应用上市。


 

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TSN系统主要测试什么



在进行系统级测试时,主要从服务质量、时钟同步、帧干扰、协议相关的性能等四个方面,进行验证评估。


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服务质量测试

服务质量,主要是测试TSN系统中,关键型数据流在链路传输延迟和丢帧情况。TSN系统要实现关键数据流实时的从流产生方发送到消费方,确保系统的可靠性。


例如下图2红色虚框内的某时间关键型控制数据,从talker端发送到listener端,在整个传输链路上的最坏延迟,要满足系统的设计要求。

 

 

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图2 某一时间关键流传输路径


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时钟同步测试

时间同步相关的测试,主要测试TSN系统从启动唤醒、同步建立、完成时钟同步的过程中:同步报文的行为、非主时钟节点与主时钟的同步精度、主时钟和备份主时钟的行为、时钟冗余链路的行为等


例如图1所示的红色虚线链路(SYNC),当主时钟出现故障时,备份主时钟能否按设计要求替代主时钟,在要求的时间内建立同步,并要求同步精度满足设计要求。


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帧干扰测试

帧干扰相关的测试,主要测试TSN系统的健壮性和可靠性。例如,当系统中存在高负载或突发流干扰流时(如下图绿色流),时间关键型数据流的传输延迟、丢包率等能否满足设计要求。

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 图3 可能存在某一突发流传输路径


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协议相关测试

另外,TSN系统级测试,需要关注系统中关键协议的性能和功能是否能满足要求,如Qbv协议、CB协议、AVTP协议等。例如,配置了链路冗余功能的系统,当传输链路出现故障时,冗余链路是否能可靠的传输时间关键型数据流,同时要关注系统的错误检测功能是否正常。


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测试方案


有两类典型的TSN测试装置,如下所示。在这两类测试装置中,汽车以太网电缆应该是双绞线,测试设备和DUT之间的双绞线长度应小于3米。

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图4 基于CANoe和VN56XX的拓扑


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图5 基于示波器的拓扑


下面通过完成图1所示的Zonal架构TSN系统级时间关键流的传输延迟测试,来描述系统级测试的实现方案。本次测试主要关注,在Qbv功能使能和禁能的情况下、Qbu功能使能和禁能情况下,时间关键流的传输延迟变化。


系统说明

1. Super Core1为中央计算单元,同时作为系统的主时钟;

2. Super Core2为中央计算单元,同时是系统的备份主时钟;

3. Rear Right和Rear Left均是具有Qbv&Qbu功能的交换;

4.下图右侧红色虚线框内,系统通过红色链路实现时间同步,待同步完成后,Talker端会周期性发出时间关键流(AVTP),经过两个域控制器(Rear Right、RearLeft)后,最终被消费方Listener接收和处理。


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图6 测试拓扑


操作说明

► TSN系统上电启动,待系统通信稳定后,测试和分析Qbv&Qbu功能均关闭时,AVTP流的传输延迟。

► 分别开启Qbv功能、Qbu功能,AVTP流的传输延迟变化。

► 评估最终的测试结果能否满足系统设计规范要求。

► 测试过程是用CANoe和VN56XX来实现,注意要考虑测试设备的旁通对测试的影响。


测试结果

系统启动后,等待一段时间,待系统建立时间同步,且通信稳定后,进行多次测试,监测AVTP流的端到端延迟为:

◇ 当Qbv开启时,端到端延迟在0.02ms左右;

◇ 当Qbv关闭时,端到端的延迟为0.7ms左右,均满足设计要求。



以上,通过一个用例的测试过程,描述了TSN系统级测试的主要流程。


另外,在TSN系统级测试中,由于TSN系统对时间敏感,要考虑测试设备和线缆等因素的影响。在测试之前,需要根据系统的设计规范和方案,选择测试的方向,制定合理的测试规范和评价标准。



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TSN系统作为一个未来车辆控制发展的主要研究方向,在提高数据传输的可靠性、降低关键数据流的时延和抖动等方面,有着无可比拟的优势。


目前,各大主流主机厂,均已布局相关车型的研发,国内有些主机厂已经有量产车的经验。对TSN测试,特别是系统级测试,是评估系统功能和性能非常关键的一步,未来随着测试软件和硬件性能的不断提升,TSN测试的精度也会越来越高。


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