PLCA（Physical Layer Collision Avoidance）是10BASE-T1S技術(shù)中重要的沖突避免機(jī)制，啟用PLCA功能后，10BASE-T1S總線上的各個節(jié)點(diǎn)可以在特定的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)碰撞。借助PLCA機(jī)制提升多節(jié)點(diǎn)通信效率是10BASE-T1S技術(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)課題之一。本篇文章將基于負(fù)載率、時(shí)延和抖動三個維度，深度解析10BASE-T1S PLCA機(jī)制多節(jié)點(diǎn)通信效率。

場景
為了有一些更直觀的對比，本文將選取10BASE-T1S和CANXL進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，通過兩種總線技術(shù)分別發(fā)送相同的應(yīng)用數(shù)據(jù)。
場景一：“長報(bào)文，慢周期”，控制總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為4、6、8個，每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送5ms周期報(bào)文，報(bào)文Payload長度為600字節(jié)。

場景二：與場景一在節(jié)點(diǎn)數(shù)量不變、整體數(shù)據(jù)量不變的情況下，“短報(bào)文，快周期”，每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送1ms周期報(bào)文，報(bào)文Payload長度為120字節(jié)。

針對以上兩個場景中發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，可以計(jì)算出每一幀報(bào)文的發(fā)送時(shí)間，如下圖所示：

性能分析

• 負(fù)載率分析

負(fù)載率是衡量總線利用率以及網(wǎng)絡(luò)通信壓力的重要參數(shù)，在測試場景一里，10BASE-T1S、10M CANXL以及20M CANXL的總線負(fù)載率如下圖所示：

在10M速率下，由于CANXL報(bào)文中報(bào)頭的速率較低，10BASE-T1S的負(fù)載率大致是CANXL的70%左右。要注意的是，CANXL是競爭型總線，因此測試場景一下10M CANXL的負(fù)載率過高，無法保證報(bào)文時(shí)延，在設(shè)置為20M后，CANXL負(fù)載降低至可接收范圍。由此可以得出結(jié)論：運(yùn)行在同等速率下，10BASE-T1S的報(bào)文效率比CANXL更高。

在此基礎(chǔ)上，保留10BASE-T1S和20M CANXL，在測試場景二下進(jìn)行測試，負(fù)載率的變化如下圖所示：

可以發(fā)現(xiàn)，10BASE-T1S與CANXL的負(fù)載率均有所上漲，但10BASE-T1S負(fù)載率增長的幅度遠(yuǎn)小于CANXL，因此在短報(bào)文、短周期的場景下，10BASE-T1S的負(fù)載率仍優(yōu)于CANXL。

• 延時(shí)分析

延時(shí)對比的對比內(nèi)容為相同報(bào)文長度和周期下的報(bào)文最壞延時(shí)，在測試環(huán)境一下，10BASE-T1S與20M CANXL的延時(shí)對比如下：

由上圖數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，10BASE-T1S由于PLCA機(jī)制的存在，需要排隊(duì)等待其他節(jié)點(diǎn)報(bào)文報(bào)送完成后才可以發(fā)送，無法進(jìn)行搶占，因此所有所報(bào)的最壞延時(shí)一致，且節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，最壞延時(shí)時(shí)間越長。CANXL可以根據(jù)CANID競爭發(fā)送機(jī)會，優(yōu)先級高的報(bào)文可以優(yōu)先發(fā)送，因此每條報(bào)文的延時(shí)不同，但從整體延時(shí)來看，CANXL的延時(shí)雖然不穩(wěn)定但仍然小于10BASE-T1S。對于盡快發(fā)送要求高的場景，CANXL表現(xiàn)更優(yōu)。

在測試場景2的短報(bào)文、短周期環(huán)境下，10BASE-T1S與20M CANXL的延時(shí)對比如下：

得益于PLCA機(jī)制，10BASE-T1S在縮短報(bào)文長度后，報(bào)文發(fā)送時(shí)間變短，發(fā)送周期循環(huán)加快，報(bào)文等待時(shí)間變短，最壞延時(shí)大幅度降低。在數(shù)值上與CANXL幾乎相同，因此可以得出設(shè)計(jì)參考：在10BASE-T1S通信矩陣的設(shè)計(jì)上，較短的報(bào)文可有效降低延時(shí)。

• 抖動對比

報(bào)文接收端最小延時(shí)和最壞延時(shí)表征了報(bào)文周期的變化范圍，經(jīng)過兩個測試環(huán)境的驗(yàn)證，可以得出10BASE-T1S與CANXL的抖動對比：

表格中縱向數(shù)值為接收報(bào)文周期相對于發(fā)送報(bào)文周期的變化率，觀察圖中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)與延時(shí)測試類似，發(fā)送長報(bào)文時(shí)，10BASE-T1S數(shù)據(jù)周期抖動較大，CANXL比10BASE-T1S抖動情況小。發(fā)送短報(bào)文時(shí)，10BASE-T1S數(shù)據(jù)周期抖動明顯降低，且略微優(yōu)于CANXL。抖動驗(yàn)證同樣印證了相同的結(jié)論，即在10BASE-T1S通信矩陣的設(shè)計(jì)上，較短的報(bào)文可有效降低延時(shí)。

以上是從網(wǎng)絡(luò)分析的角度，在負(fù)載率、時(shí)延和抖動層面上對10BASE-T1S與CANXL兩種技術(shù)進(jìn)行對比以及結(jié)果分析。在進(jìn)行10BASE-T1S及CANXL總線設(shè)計(jì)時(shí)，可參考以上思路進(jìn)行優(yōu)化。但需要注意的是，上述網(wǎng)絡(luò)分析是基于簡化后的場景進(jìn)行的，實(shí)際應(yīng)用場景會更加復(fù)雜，需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行完整、全面的仿真模擬分析。更多信息參見《驅(qū)動下一代E/E架構(gòu)的神經(jīng)脈絡(luò)進(jìn)化-10BASE-T1A》。

經(jīng)緯恒潤作為OPEN聯(lián)盟會員和AUTOSAR聯(lián)盟的高級合作伙伴，長期為國內(nèi)外各大OEM和供應(yīng)商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和測試咨詢服務(wù)，積極研發(fā)和探索車載網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)的工程應(yīng)用。通過多個項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已建立了高質(zhì)量、本土化的設(shè)計(jì)與測試一體化解決方案，為整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供可靠支持。