车载以太网第二弹|测试之实锤-AVB测试实践

2021-12-15

背景

 


AVB(Audio Video Bridging)音视频桥接,是由IEEE 802.1标准委员会的IEEE AVB任务组制定的一组技术标准,包括精确时钟同步、带宽预留和流量调度等协议规范,用于构建一个低延迟、高可靠的车载以太网网络。


2012年11月,AVB任务组变更为“TSN(Time-Sensitive Networking)——时间敏感网络”任务组。TSN在AVB的基础上进一步延伸,从专业音视频领域扩展到工业自动化、移动通讯、汽车等领域。因此掌握AVB协议,可为理解TSN协议打好基础。图1为TSN对AVB的继承和扩展。


图1 AVB和TSN协议对比

 


AVB/TSN协议标准

 


AVB包括多个不同的协议,在具体应用时可根据实际情况进行裁剪和选择,取决于功能场景的需求及开发难度(注:实现整个AVB协议族的开发难度很大)。


图2 IEEE 802.1协议标准


为了便于音视频数据的可互操作性,在AVB核心标准基础上,IEEE定义了1722和1733(时间敏感应用传输协议)用于传输音视频数据,满足Talker和Listener之间实时的、高质量的音视频数据传输要求。为保证AVB节点之间的互操作性,IEEE定义了一个应用层协议1722.1,用于满足1722终端设备之间的发现、枚举、连接管理和控制。

图3 IEEE 1722/1733协议标准

 


AVnu车载以太网AVB功能和互操作性规范

 


为将AVB协议应用于车载设备,AVnu联盟发布车载以太网AVB功能性和互操作性基础规范——“AVB汽车配置文件”,定义AVB在汽车信息娱乐系统和前视、后视等辅助摄像系统中的应用场景。


AVnu互操作性规范对车载AVB设备以及汽车特定的应用场景做如下约定:


网络和设备启动

  • 端口自协商应被禁止
  • 为了获取AVB设备的内部状态,定义三种车载AVB设备状态:Ethernet_Ready、AVB_Sync和AVB_Media_Ready。通过状态报文获取每种状态的信息,其中状态报文必须携带进入该状态的时间戳
  • 为了约束车辆启动时设备的启动时间,定义车载以太网网络的最大启动时间,以及进入三种状态的最大时间要求


gPTP

  • 预先配置车载网络中GM(Grandmaster)节点,无需使用BMCA(最佳主时钟算法)
  • GM节点启动后应尽可能快的发送同步报文
  • 固定的时钟生成树,Bridge节点的master端口不需要测量路径对等延时
  • 定义Bridge节点对同步报文丢失、不连续、同步恢复等异常情况的处理


媒体格式

  • 减少需要支持的音视频格式,仅定义AVTP音频格式(AAF)、压缩视频格式(H.264、MJPEG)、非压缩视频格式(MPEG2-TS)和时钟参考格式(CRF)相关需求


流预留类别

  • 静态配置所有AVB流预留
  • 对于汽车特定的应用,除了支持标准的SR A和SR B类流,衍生出两个优化的流类,其发送时间间隔为:1333.33µs(64Sample/Frame,48kHz)和1451.25µs(64Sample/Frame,44.1kHz)


异常处理和诊断

  • 定义需要监控并报告的异常处理:以太网链路状态事件和数据丢失,IEEE 802.1AS异常处理,以及IEEE 1722媒体流异常处理
  • 定义一些主要的诊断事件计数,包括以太网接口、以太网桥接、AVB协议,以及IEEE 1722传输

 

 

AVnu车载以太网AVB测试认证

 


为确保AVB设备之间的互操作性,AVnu联盟为汽车行业制定了车载AVB部件级一致性测试计划,用于验证AVB协议标准以及AVnu车载AVB互操作性规范中定义的特殊要求。

 

图4 汽车行业车载AVB部件级一致性测试计划与对应的IEEE标准


Automotive gPTP


用于验证IEEE 802.1AS-2011标准实现于车载AVB设备的gPTP协议一致性测试,主要包括以下内容:

  • gPTP参数和配置测试
  • 基于IEEE 802.1AS标准定义的gPTP协议状态机测试
  • gPTP-Bridge特定测试三部分


Automotive EndStation


用于验证IEEE P1722/D16-2015标准实现于车载AVB设备的AVTP协议一致性测试,主要包括以下内容:

  • AVTP通用需求测试
  • MPEG-TS和61883-4视频格式测试
  • AVTP音频格式测试
  • MJPEG和H.264压缩视频格式测试
  • 音频时钟参考格式测试
  • 流预留类测试


Automotive Bridge FQTSS and SR Classes


用于验证IEEE 802.1Qav-2009标准实现于车载AVB Bridge的FQTSS协议一致性测试,主要包括以下内容:

  • 端口数据转发测试
  • 基于信用的整形算法验证测试
  • Bridge端口优先级重映射测试

 

 

车载AVB协议一致性测试实践

 


AVB协议配置测试


由于车内采用静态网络拓扑,所有AVB流预留采用静态配置,因此AVnu并未针对汽车AVB设备发布SRP协议一致性测试规范。所以针对OEM/Tier1自定义需求,需对基本的配置和协议参数进行测试验证。


我们通过德国Vector公司的VN5640硬件与被测对象相连接,利用CANoe 12.0+Option Ethernet软件对AVB数据进行实时采集和监控。CANoe可解析gPTP和AVTP的报文头格式,以检测被测对象发送的报文是否符合需求定义。

 

  • 测试结果分析

如图5所示,选中Trace窗口中的Follow_up帧,左侧窗口会显示该报文数据的解析内容:

  • 目标MAC地址为01:80:C2:00:00:0E,符合802.1AS需求定义
  • Log Message Interval的值为-3,表示Sync和Follow_Up报文的发送周期为2-3=125ms,符合此次需求定义
  • Precise Origin Timestamp为Sync报文离开以太网收发器的时间戳,可解析为UTC时间格式显示

 

图5 gPTP报文解析图


如图6所示,选中Trace窗口中的AVTP帧,左侧窗口显示该报文数据的解析内容:

  • 目标MAC地址为91:E0:F0:00:FE:01,符合MAAP需求定义
  • Stream ID为MAC ID + Unique ID,符合此次需求定义
  • 该音频数据的信息为:44.1kHz采样率,双声道,16位深度,每帧采样样本为64个样本(AVTP的报文周期为1,451µs)

 

图6 AVTP报文解析图


AVnu AVB节点的协议一致性测试


在一个gPTP域里,存在End Station和Bridge两种节点类型,同时End Station又分为GM节点和非GM节点。我们采用思博伦的车载AVB一致性测试套件进行测试验证,确保测试活动完全符合AVnu测试计划的要求。


以某非GM节点的gPTP协议一致性测试举例说明。

  • 测试环境

End Station节点的测试环境如图7所示。


图7 AVB部件级测试环境示意图

 

  • 测试结果分析

部分测试用例的测试报告如图8所示。


图8 End Station(非GM节点)测试报告


对非GM节点进行测试时,需要Tester仿真GM节点发送同步报文,同时还需正确应答非GM节点发送的请求报文。从图8中可以看到此次测试执行中有25条失败条目,其中一半是在测试被测节点的PdelayReq状态机时失败,测试失败项包括wrong sequence ID in Pdelay Response、Lost and late Pdelay Response以及Invalid Pdelay Response等。通过数据分析及确认发现,由于此被测节点的异常处理记录功能存在未实现和实现有误的情况,因此导致对应的测试项失败。

 

AVnu AVB节点级性能测试和系统级测试


如图9所示,车内不同应用场景对延时有不同的要求。所以除上述的配置测试和一致性测试,还需对AVB节点进行性能测试,包括节点的时间稳定性等。

 

图9 不同应用场景对时延的要求


对于系统级测试,时间和同步特性同样是测试的重点,包括系统的启动时间、时间同步、时间抖动和延迟等测试场景,这对测试通信硬件接口设备的性能指标(例如被测设备接入后所产生的额外时延等)提出非常高的要求。


我们采用德国TSN Systems公司的TSN Tools软件和TSN Box硬件,实现AVB数据的采集以及时延分析等功能。系统级测试连接示意图如图10所示。
点击下图10可了解如何通过TSN Systems系统平台构建IEEE1733协议的演示和验证系统。


图10 AVB系统级测试接线示意图

 


小结

 


当前AVB在汽车行业尚未广泛应用,一方面是从技术必要性的角度考虑,更大的障碍是开发难度的问题。随着基于域控(Domain)/区控(Zone)的网络架构和更高等级自动驾驶对通信的实时性、鲁棒性和安全性提出的更高需求,AVB的升级版TSN将逐渐成为趋势。笔者通过多份技术文档的相互佐证,深信某Global OEM基于新一代E/E架构开发的车型(近期已上市),应用了AVB/TSN部分标准(比如gPTP等),对于AVB/TSN的应用和测试也是为未来进行技术和经验储备。


本文所使用的方案和工具链同步支持AVB/TSN部件、系统和实车级的测试需求,与君共勉,期待进一步交流和合作。