Ajoneuvojen kehittyessä kohti älykkäämpiä ja verkottuneempia järjestelmiä, reaaliaikaisen ja luotettavan tiedonsiirron merkitys kasvaa. Ethernetin Time-Sensitive Networking (TSN) -laajennukset tarjoavat deterministisiä ratkaisuja, jotka takaavat kriittisen datan oikea-aikaisen toimituksen. Tämä artikkeli esittelee, miten TSN-teknologia ja laitteet, kuten Toshiban TC9562 ja TC9563, mahdollistavat tulevaisuuden ajoneuvojen tehokkaan ja turvallisen tiedonsiirron.

Autoteollisuus on kokemassa merkittävää muutosta ajoneuvoissa käytettävässä laskenta-arkkitehtuurissa. Tällä muutoksella on huomattavia vaikutuksia verkottamistekniikoihin, joita alkuperäisvalmistajat (OEM:t) käyttävät koordinoidakseen monia erilaisia ohjelmistopohjaista ohjausta vaativia toimintoja.

Valmistajat ottavat käyttöön kehittyneempiä mikroprosessoreita tekoälytoimintoihin (AI), jotka parantavat turvallisuutta ja ajosuorituskykyä, sekä edistyneisiin ohjausjärjestelmiin energiatehokkuuden parantamiseksi. Nämä muutokset johtavat pois perinteisistä suunnitteluista, joissa elektroninen ohjausyksikkö (ECU) on varattu jokaiselle yksittäiselle toiminnolle. Ajoneuvovalmistajat siirtyvät alueellisiin tai vyöhykearkkitehtuureihin (zonal architecture)  hyödyntääkseen moniytimisten SoC- eli järjestelmäpiirien (System-on-Chip) korkeaa suorituskykyä. Näissä arkkitehtuureissa ajoneuvo jaetaan useisiin alueisiin, jotka määritellään sijainnin eikä toiminnon mukaan. Sovellukset, aina ajo-ohjauksesta viihdepalveluihin, jaetaan kunkin alueen prosessoreille.

Kuva 1: Alueellisessa arkkitehtuurissa suurin osa tietojenkäsittelystä tapahtuu keskitetyillä tietokoneilla eli suuritehoisilla ohjaimilla (High-Performance Controllers, HPCs), jotka on yhdistetty usean gigabitin autojen Ethernet-verkkoa käyttäen alueellisiin elektronisiin ECU-ohjausyksiköihin.

Ajoneuvon sisällä liikkuvan datan luotettavuuden ja turvallisuuden varmistamiseksi kaikki viestintä kulkee alueellisten yhdyskäytävien kautta. Nämä yhdyskäytävät varmistavat, että matalan prioriteetin tiedonsiirto, kuten matkustajille toimitettavat sähköpostiliitteet, ei viivästytä kriittistä reaaliaikaista dataa, jota tarvitaan esimerkiksi jarrutukseen tai kaistojen hallintaan. Tämän vuoksi alueellisissa arkkitehtuureissa käytetyt ajoneuvoverkot ovat siirtyneet Ethernet-standardin versioihin, jotka takaavat reaaliaikaisen toiminnan.

Toshiban omat testit ovat osoittaneet, kuinka tärkeitä Time-Sensitive Networking (TSN) -parannuksilla tehdyt muutokset ovat autoteollisuuden järjestelmille verrattuna perinteisen Ethernetin "best-effort" -suunnitteluun. Realistisen testiympäristön luomiseksi Toshiban insinöörit rakensivat verkon, joka jäljitteli Ethernetin kautta WiFi-ohjaimiin yhdistetyn tallennussolmun käyttäytymistä. Näitä ohjaimia käytettiin ajoneuvon sisäisen langattoman yhteyspisteen perustana. Isäntäjärjestelmän SoC-piireille toteutettu koodi jäljitteli tyypillisiä autoteollisuuden sovelluksia: alueellista yhdyskäytävää, audio- ja videostriimausta, langattoman yhteyspisteen tukea sekä massatallennuksen siirtoja.

Testit osoittivat, että TSN-ominaisuuksia hyödyntävää AVB-protokollaa (Audio Video Bridging) käyttämällä lähetetty video pysyy synkronoituna ja sulavana. Samaan aikaan "best-effort" -protokollia käyttäen välitetty liikenne kokee pidempiä viiveitä, kun verkkoliikenteen kuormitus kasvaa.

Kuva 2: Verkkosuunnittelu TSN-ominaisuuksien testaamiseen.

Verkon reaaliaikaisen toiminnan parantamiseksi Ethernetin TSN-laajennukset sisältävät useita vaihtoehtoja, jotka parantavat palvelun laatua (QoS) ja mahdollistavat erilaiset reaaliaikaiset arkkitehtuurit. TSN:n ydin on IEEE 802.1AS, joka tunnetaan myös nimellä Generalized Precision Time Protocol (gPTP).

Tarjoamalla mekanismin, joka varmistaa, että kaikki Ethernet-verkon solmut voivat sopia yhteisestä ajasta tietyn virhemarginaalin sisällä, gPTP luo perustan useille protokollille, jotka takaavat pakettien oikea-aikaisen toimituksen. Sen sijaan että vaadittaisiin erittäin tarkkoja kelloja jokaiselta viestintäsolmulta, gPTP:n avulla päätepisteet voivat yksinkertaisesti sopia yhteisestä paikallisesta ajasta. Tässä päästään alle mikrosekunnin tarkkuuteen.

Protokolla käsittelee autoteollisuuden ympäristössä ilmeneviä haasteita, joissa jännite-, lämpötila- ja muut olosuhde-erot voivat aiheuttaa kellojen ajautumista erilleen toisistaan. gPTP ylläpitää solmujen välistä aikayksimielisyyttä ja varmistaa, että kaikki verkon ohjaimet voivat toimia yhtenäisen aikajanan mukaisesti.

Yhtenäisen aikajanan ansiosta verkko-ohjaimet voivat tukea aikaan perustuvaa liikenteen hallintaa (traffic shaping) ja pakettien ajoitusta. Liikenteen hallinnan tarkoituksena on estää viiveherkkiä paketteja joutumasta häiriöön pakettien kanssa, jotka voidaan toimittaa "best-effort"-periaatteella. Solmut sopivat ja toteuttavat aikarajat paketeille, joiden päästä päähän -lähetyksen viive on tiedossa.

Aikaherkät paketit, jotka sijaitsevat lähettävän solmun lähtöpuskureissa, lähetetään varatulla aikaikkunalla. Näin ne hyötyvät vahvemmasta toimitusajan takuusta.

IEEE 802.1Qbv asettaa tiukat ajoitukset aikaherkälle liikenteelle. IEEE 802.1Qbv:n käyttämä ajoitin jakaa verkkoliikenteelle säännöllisiä syklejä, jotka sisältävät kiinteän pituisia aikaviipaleita. Jokainen viipale on varattu tietylle prioriteettitasolle. Sovellus, joka toimii kyseisellä prioriteettitasolla, saa yksinoikeuden käyttää verkkoa kyseisen aikaviipaleen ajan. Best-effort-liikenne, jolla ei ole tiukkoja aikarajoja, jonotetaan käytettäväksi vain silloin, kun korkeampaa prioriteettia olevia paketteja ei ole lähetettävänä.

Käytännössä IEEE 802.1Qbv:n käyttö vähentää reittiviiveiden vaihtelua sellaisten liikenteen osalta, jotka tarvitsevat toimitustakuut.

Lisäparannuksia reaaliaikaiseen toimintaan tuovat IEEE 802.1Qbu- ja IEEE 802.3br-laajennukset, joiden ansiosta solmu voi keskeyttää matalan prioriteetin pitkän paketin lähettämisen ja lisätä sen sijaan yhden tai useamman aikakriittisen paketin ennen alkuperäisen datan lähetyksen jatkamista. Protokollat eroavat toisistaan siinä, miten ne kohdistuvat Ethernet-pinojen eri kerroksiin. Siinä missä IEEE 802.3br on fyysisen kerroksen standardi, 802.1Qbu toimii MAC-kerroksessa (media-access control) ja sitä käytetään hallitsemaan kehysten keskeyttämistä verkon ja liikenteen prioriteettikäytäntöjen mukaisesti.

Järjestelmäsuunnittelijoiden ei tarvitse jakaa kaikkea liikennettä tiukasti "best-effort"- ja "tiukasti ajoitettu" -luokkiin. IEEE 802.1Qav-standardin mukana esitelty luottopohjainen liikenteen hallinta tarjoaa mahdollisuuden lähettää paketteja, jotka tarvitsevat parempaa käsittelyä aikaherkän datan osalta, mutta joissa ei vaadita tarkkoja ajoitustakuita.

Solmut voivat käyttää tätä luottopohjaista järjestelmää esimerkiksi videokehysten toimittamiseen tilanteissa, joissa päästä päähän -viive ei ole kriittinen. Tällainen liikenne voi saada matalamman prioriteetin kuin esimerkiksi elintärkeä anturidata, joka käyttää IEEE 802.1Qbv-standardin prioriteettipohjaisia aikaviipaleita.

Autonvalmistajien haaste uusimpien ajoneuvojensa alueellisia arkkitehtuureja varten luotavissa verkoissa on, että vaikka SoC-piirit voivat tukea standardia Ethernetiä, niiltä puuttuvat TSN:n tarjoamat lisäominaisuudet. Vaikka on tärkeää, että alueelliset yhdyskäytävät tukevat TSN:ää, monilla muilla päätepisteillä on myös tiukkoja reaaliaikaisia vaatimuksia, joita ei voida täyttää yhdistämällä yhdyskäytävään ilman TSN-yhteensopivaa rajapintaa.

Esimerkiksi äänilaitteet, kuten mikrofoniohjaimet ja anturihubit, saattavat tukea perinteistä Ethernetiä, mutta niiden täytyy pystyä neuvottelemaan verkon luottopohjaisista tai aikakriittisistä aikaviipaleista.

TSN-ominaisuuksia voidaan toteuttaa käyttämällä dedikoituja reaaliaikaisia Ethernet-liitäntöjä, kuten Toshiban TC9562 ja TC9563. Molemmat ovat erittäin integroituja Ethernet-ohjaimia, jotka tarjoavat täyden tuen gPTP:lle, IEEE 802.1Qav:lle, IEEE 802.1Qbv:lle ja muille elementeille, jotka ovat välttämättömiä luotettavalle reaaliaikaiselle viestinnälle, jossa suuri kaistanleveys on keskeinen vaatimus.

TC9562 tukee 1 Gbps:n Ethernetiä, mikä tekee siitä sopivan päätepisteille, jotka tarvitsevat suurta kaistanleveyttä. TC9563 puolestaan laajentaa verkkokapasiteettia kahteen porttiin, joista kumpikin tukee 10 Gbps:n nopeutta.

Kahden Ethernet-liitännän lisäksi TC9563 sisältää Arm Cortex-M3 -prosessorin, joka mahdollistaa valvonta- ja ohjausohjelmistojen ajamisen. Tätä voidaan käyttää verkon virheiden ja olosuhteiden valvontaan, mikä auttaa parantamaan kokonaisluotettavuutta. Edistyneiden anturi- ja laskentamoduulien paikallisesti liitettyjä klustereita varten TC9562 sisältää PCIe Gen 2.0 -liitännän, kun taas TC9563 sisältää PCIe-kytkimen, joka tukee yhtä ylöspäin ja kahta alaspäin suuntautuvaa Gen 3.0 -porttia.

Palvelut, jotka tarvitsevat suuritehoisten SoC-piirien tehoa tekoälypohjaiseen ohjaukseen ja huippuluokan multimedian tarjoamiseen, ovat mahdollisia vain, jos sovellukset voivat luottaa siihen, että paketit toimitetaan ohjelmoitujen aikaikkunoiden puitteissa. Ethernetin TSN-laajennukset tarjoavat perustan tälle toiminnalle. Näiden laajennusten toteuttaminen piireillä, kuten Toshiban TC9562 ja TC9563, varmistaa, että autonvalmistajilla ja järjestelmäintegraattoreilla on käytössään tarvittava TSN-tuki näiden kehittyneiden ajoneuvosuunnittelujen toteuttamiseksi.