学位论文简介

新一代智能网联汽车数据量激增，对车内通信网络提出了高带宽和低时延需求。为适应这一变化，汽车电子电气架构正从分布式架构向域集中式架构演进。时间敏感网络（Time-Sensitive Networking, TSN）因提供了时间感知调度等关键功能，是用于域集中式架构域间骨干网的理想方案，负责跨域数据交互。传统的CAN（Controller Area Network）总线因低成本和高可靠性继续用于域内通信。本文聚焦于新一代车内TSN实时通信，针对跨协议传输、带宽需求与实时性平衡、流量需求多样性、软实时AVB（Audio-Video-Bridging）流时延难以量化等问题，提出了一系列TSN实时通信优化关键技术。

（1）针对域集中式架构域内与域间通信协议不同，网络协议带宽与帧格式存在差异，难以直接适配骨干网TSN提供的门控机制问题，提出了面向CAN-TSN的两阶段实时调度策略。该策略在第一阶段设计了帧聚合优化算法（MAO），综合考虑了截止时间约束和负载约束，将具有相同源域、目的域、周期成谐波关系的实时CAN帧聚合到同一个TSN帧。第二阶段在MAO算法的基础上，提出了探索性消息调度优化算法（EMSO），对当前不可调度的TSN帧进行优化，进一步提升CAN帧的接收率。实验结果表明，与现有调度算法相比，EMSO在抢占和非抢占模式下均展现出更优的调度性能，显著提升了CAN帧的平均接受率，同时降低了带宽占用，验证了两阶段实时调度策略的有效性。

（2）针对带宽需求与实时性平衡、流量需求多样性（如截止时间、带宽需求）导致TT（Time-Triggered）流在TSN门控时间槽中映射复杂的问题，提出了可变大小分片与积极映射的流量调度技术（PFV2）。可变大小数据帧分片综合考虑流的大小、截止时间需求、TSN门控时间槽大小，动态分割不可调度流到更小的数据帧。数据帧到时间槽的积极映射在流的截止时间范围内，深度搜索合适的时间槽，用于分片数据帧的映射，减少时间槽的碎片化，以最大化时间槽利用率。实验结果表明，与现有的分片方案相比，PFV2的流接受率提升了20.18%，PFV2的带宽利用率提升了7.024%。最后，在基于Cortex-A72的LS1028A（NXP汽车级开发板）上完成了PFV2硬件实验验证，并通过理论仿真实验与实际实验联合进一步验证了其有效性。

（3）针对软实时AVB流传输受多重干扰（高优先级TT流、抢占集成干扰、信用值整形机制及低优先级阻塞）导致延迟不确定性且难以量化问题，提出了细粒度与精细化最坏情况时延分析方法（FGR）。FGR通过优化TT流对被分析AVB流的干扰估计，在确保时延上界安全性的同时，有效降低时延分析的保守性。实验结果表明，与现有整体分析方法相比，FGR将最坏情况延迟预测的悲观性降低了8.34%。基于硬件平台对AVB流的实际延迟进行测量，实际延迟落在FGR计算的时延上界内，验证了FGR方法的有效性。FGR突破现有方法局限，在确保时延上界安全性的同时，获得了更紧致的最坏情况时延，为软实时AVB流的可调度性分析提供了理论支撑。

主要学术成果

[1] A mixed-criticality traffic scheduler with mitigating congestion for CAN-to-TSN gateway.” ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems 29.5 (2024): 1-28. (第一作者，CCF B，对应论文第三章)

[2] A conflict-free CAN-to-TSN scheduler for CAN-TSN gateway. Journal of Systems Architecture 153 (2024): 103188. (第一作者，CCF B，对应论文第三章)

[3] PFV2: Packet Fragmentation with Variable Size and Vigorous Mapping in TimeSensitive Networking. Journal of Systems Architecture. (第一作者，大修, CCF B，对应论文第四章)

[4] Fine-Grained Refinement in TSN Timing Analysis. (第一作者，在投，对应论文第五章)

[5] A Novel Message Packing Strategy for Time-Sensitive Networking. SmartWorld/UIC/ScalCom/DigitalTwin/PriComp/Meta. IEEE, 2022.（第一作者，EI国际会议）

[6] Quality of Service Improvement for Critical Flows via Dual-Queue Transmission in Fault-Tolerant Time-Sensitive Networking. Journal of Systems Architecture, 2025 (通信作者，小修，CCF B)

[7] DC-GCL: Dynamically Configurable Gate Control List in TSN Switch for ADAS. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. (第三作者，大修，CCF A)

[8] Paddle Lite on Zephyr: Deploying AI Models in RTOS for Inference Acceleration. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. (第三作者，大修，CCF A)