CN104285407A - 用于利用以太网avb传输协议在机动车辆的节点间传输数据的方法以及设置用于执行该方法的控制设备 - Google Patents

用于利用以太网avb传输协议在机动车辆的节点间传输数据的方法以及设置用于执行该方法的控制设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于利用以太网AVB传输协议在机动车辆的节点间传输数据的方法和控制设备，其中通过将数据输入传输帧(MAC帧)中并且传输给本地发送器(PHY)，经由基于以太网的网络将数据以周期性的间隔发出，并且其中在发送数据之前，借助于自有的协议的预留报文预留传输数据所要求的资源，其中将来自节点的数据流设定到确定的发送速率和/或数据传输率上，并且其中在没有数据需要传输的非有效周期中去激活节点的本地发送器和接收器(PHY)，并且只要在传输帧(MAC帧)中有待传输的数据就再次激活，其中根据激活时间(TW)提供本地发送器和接收器(PHY)以用于传输。此外提出，基于预留报文和对发送速率和/或数据传输率的设定来激活节点的本地发送器和/或接收器。

Description

用于利用以太网AVB传输协议在机动车辆的节点间传输数据的方法以及设置用于执行该方法的控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于利用以太网AVB传输协议在机动车辆的节点间传输数据的方法，这些节点至少也能够部分地设计为机动车辆的控制设备。在借助于以太网AVB传输协议传输数据时提出，通过将数据输入也被称为MAC-Frame的传输帧中并且传输给机动车辆的节点的本地发送器，经由基于以太网的网络将数据以周期性的间隔发出。在AVB传输协议的范畴中提出，在发送数据之前，借助于自有的(独立的)协议、特别是所谓的MSRP(Multiple Stream Reservation Protocol)来预留传输数据所要求的资源、特别是数据传输率和发送率，其中将来自节点的数据流、特别是在预留时借助于所谓的Traffic-Shaping(流量整形)设定到确定的发送率和/或数据传输率上。
根据该方法提出，节点的本地发送器和接收器也被称为PHY设备并且特别地完成了在物理层中或者说位传输层中的按位的数据传输，其在不用传输数据的非有效周期中去激活，并且只要在前置层、特别是所谓的MAC层的传输帧(MAC帧)中存在用于传输的数据，就再次激活该本地发送器和接收器，其中根据激活时间提供本地发送器和接收器(PHY设备)以用于传输。
背景技术
在汽车领域中，除了典型的总线系统、例如CAN总线、FlexRay或类似物的，根据以太网传输协议运作的现场总线系统也越来越多地被引入机动车中。以太网、即根据以太网传输协议运作的通常是有线连接的网络具有大带宽，是高度灵活且世界范围内标准化的。因此，以太网在以后的时间中将作为机动车的重要的系统接口。
但是，由于机动车越来越电子化，其电需求也随之增长。这又导致燃油消耗提高，其直接以成本形式分摊到最终用户身上。此外，现今对机动车的征税通过排放CO2(二氧化碳)来计算，这能够由能量消耗(汽油或柴油的燃油消耗)来推导出。对此，电动车辆的有效距离与电池容量进而与连接在机动车中的耗电器的电需求相关。
本地发送器和接收器(PHY设备)也被称为以太网收发器或者以太网发送接收器，其在常规的网络运行中具有恒定的电需求，该电需求与数据传输中的连接的负载无关，这是因为当没有要通过数据连接来传输的有用数据时，发送了所谓的IDLE代码组。
新标准IEEE 802.3az(也称为Energy Efficient Ethernet-EEE节能以太网-EEE)提供了扩展，以便在没有有效数据传输的周期内，在本地发送器和接收器中在通讯连接的另一侧将转发IDLE代码组去激活，以代替继续发送IDLE代码组。这种去激活也被称为低功耗闲置(Low Power Idle)-LPI(节能模式)。由此，降低了在物理地实现实际数据传输的位传输层中的电需求。
通过前述标准，也确定了在以太网收发器的正常状态和去激活模式(LPI)之间的最小过渡时间和，在以太网收发器中能够进行数据传输。在此，以30μs规定用于将发送器和/或接收器从节能模式(LPI)中唤醒或者激活的时间。该时间称为唤醒或者激活时间TW。此外，确定对于将本地发送器和/或接收器转换到静止模式(LPI状态)中来说必需的过渡时间。根据前述标准，这种去激活时间TS是200μs。激活时间TW和去激活时间TS是根据标准的最小值并且不应当变小，以便保持与标准一致。为了实现设备彼此间通用的通讯能力，有必要与标准一致。
为了使以太网AVB连接(Audio Video Bridging Ethernet以太网音视频桥接)节能，US 2011/0090914 A1提出一种方法，其中议定一种节能网络(EEN-Energy Efficient Networking节能网络)。在此，通过MAC控制器和PHY发送接收器议定连接的数据传输率，其中较低的数据传输率降低了发送接收器所消耗的功率。为了维持连接并且避免PHY发送接收器彼此间耗费很大的调谐(Training)，有规律地使用AVB以太网连接的时间窗，以便更新配置参数和/或训练信息(Trainingsinformationen)。但是，在此的缺点是，数据传输率必须是事先已知的，以便提供相应的设定可行性。
由EP 2 073 464 A1公知一种方法，其中PHY发送接收器在不同的数据信道上传输数据。当放弃了数据包流量时，一些信道可能被关闭或者复位到具有微少能耗的空程模式，其中提出，一个或者多个静态的信道用于控制信号的传输。
在以太网中，在第一协议层(PHY层)、也称为物理层或者位传输层中，发送接收器(以太发网收发器，PHY设备)通过物理地发送和接收数据包实现了在相连的网络用户之间的实际通讯。在(前置于第一协议层的)第二协议层(MAC层，Media Access Control媒体访问控制)、也称为安全层或数据链路层中，借助MAC控制设备实施连接控制。通过第二协议层的MAC控制设备，形成了传输帧(MAC帧)，其中实际的数据此时按位排列，并且为了实际的数据传输而传输到PHY层处。仅当第二协议层中的传输帧(MAC帧)等待传输时，才进行数据传输。为了维持数据连接，当没有数据等待传输时，发送IDLE包或者IDLE代码组。例如在控制设备中的实际应用(Applikationen)，此时位于前置于第二协议层的协议层中。
在机动车中应用以太网AVB传输协议IEEE 1722呈增长的趋势。这种协议以循环的间隔经由基于以太网的网络来发送。在实际发送数据之前，预留需要的资源、例如数据传输率和/或从本地发送器向本地接收器的发送率。这特别地，还能够利用独有的MSRP协议(Multiple StreamReservation Protocol多流预留协议)来执行，其是AVB标准802.1Qat的组成部分。此外，由此来传播发送周期。典型的发送率是125μs，这明显短于由激活时间TW和去激活时间TS构成的最小循环。
流量整形(Traffic-Shaping)是以太网AVB标准的另一个功能，其通过标准Q802.3Qav来实行。流量整形提供了这种可行性，即，由此来监控来自网络的节点的数据流，其中设定确定的发送率和/或数据传输率。流量整形的基本构想在于，延迟从上面协议层过快流入的数据包，以便向位传输层的物理发送设备引入均匀的发送。通过这种预留报文和其中获得的参数，设置或者调整相应输出端的流量整形器。
然而，因为在这种模式中，典型的发送率高于由激活时间TW和去激活时间TS构成的最小发送循环，在这种模式中不省电或者节能。替代地，仅有对数据包的延迟。因此，通过节能以太网(EEE)负面地影响了以太AVB标准的实时表现。所基于的问题是激活时间TW，其在本地发送器和/或接收器离开去激活状态时总是必要的，以便激活本地发送器和接收器。当提供了其中应当传输数据的传输帧(MAC帧)时，本地发送器和接收器才根据前述标准离开去激活状态。因为数据传输协议(通讯模型)的上面(前置)的层尽可能地与物理的数据传输脱离，因此，能够一直产生数量级是30μs的对激活时间TW的延迟，以便例如激活本地发送器。然后，必须等候传输帧并且以该时间进行延迟。
发明内容
本发明的目的在于，在同时实现节电模式的时候，在以太网AVB传输协议中实现对传输速度的改善。
根据本发明，该目的在开头所述类型的方法中利用权利要求1的特征来实现。在此特别提出，在将数据输入到传输帧(MAC帧)中并且发送给本地发送器、即传递到位传输层中之前，基于预留报文和对发送速率和/或数据传输率的设定来激活节点的本地发送器和/或接收器，优选地沿着数据的传输路段实现。
在此根据本发明充分利用的是，根据以太网AVB传输协议，数据的发送要求提前预留物理上的传输信道，其中也要设定输出端口的Taffic-Shaper、即其数据传输率和/或发送速率。因此，对于在以太网中沿着起始发送器和目地接收器之间的传输路段的本地发送器和接收器来说，要发送的数据的周期时间是已知的。因此，如果要发出数据包，那么数据包在等待真正传输并且将数据包调整到传输帧(MAC帧)中之前，事先就已经能够使本地发送器和/或接收器脱离节能模式(LPI)，这是因为从预留中已知了所计划的传输的时间点。只要在将数据调整到传输帧中之前实现了至少延迟了激活时间TW，那么就能够实现没有时间上延迟的传输。
因此通过根据本发明的方法，能够在AVB以太网传输协议中减少或者最好是避免由于激活时间引起的延迟，从而能够维护要传输的数据的所要求和所预留的服务质量(延迟，抖动)。
根据所提供的方法的一个特别优选地实施方式，能够通过合适的MAC寄存器或PHY寄存器的写操作来实现节点的本地发送器和/或接收器的激活，由此影响MAC协议层或者位传输层(PHY层)，即，数据等待传输。其结果在于，较为可能地将去激活的本地发送器和/或接收器(PHY设备)从去激活模式(LPI，节能模式)中唤醒或者激活。这种方法能够对状态信号产生特别直接的影响，其将本地发送器和/或接收器转换到LPI模式(节能模式)中或者将其从该LPI模式中再次唤醒、即将其激活。
可替换地或者附加地，通过计时器实现激活节点的本地发送器和/或接收器，该计时器预设了在开始去激活之后何时再次激活本地发送器和/或接收器的时间。在计时器终止之后，本地发送器和/或接收器自动地再次离开LPI模式(节能模式)。因为从预留报文中已知了所计划的传输时间，所以能够将计时器设定为或者其自动设定为，刚好比所计划的发送时间点提前了激活时间TW，以使得本地发送器和/或接收器在传输时间点为数据的传输做好准备。
在根据本发明提供的方法的另一个可能的、能够作为前述实施方式的可替换或者附加实施方式来实现的实施方式中，能够提出，通过在传输数据之前发出的伪数据包来实现激活节点的本地发送器和/或接收器，其中，发出有可能会被限制为将伪数据包的数据调整到传输帧中，以便将本地发送器和/或接收器从节能模式(LPI模式)中唤醒。
在所有前述情况中特别合理的是，实现了比所计划的发送时间点至少提前了激活时间TW地激活节点的本地发送器和/或接收器，通过预留报文和/或设定发送速率和/或数据传输率已知了所计划的发送时间，以便尽可能完全地避免传输时的时间延迟。
在通过伪数据包激活本地发送器和/或接收器时能够特别有利的是，比所计划的发送时间点至少提前了激活时间TW和伪数据包的传输持续时间的总和时间地实现了激活节点的本地发送器和/或接收器，通过预留报文和设定发送速率和/或数据传输率已知了所计划的发送时间，以避免传输时的时间延迟。
此外，在所提供的方法的一个进一步改进方案中能够提出，通过特别是比位传输层的前置层、即MAC层更高一层的应用生成伪数据包，并且将其传输到位传输层的前置层、即MAC层，在该层中将伪数据包插入到传输帧中。然后，这直接导致了在位传输层中激活本地发送器和/或接收器。因此能够实现的是，在不干涉数据传输的物理工作原理的情况下，通过位于前面的应用层控制这样的伪数据包，这些应用层能够由节点或者控制设备的制造商自由地预设，而不必改变实际的数据传输的标准。
为了在应用用于激活本地发送器和/或接收器的伪数据包的情况下，避免通信网络中的附加的数据交通并且不招致线负载，该线负载在其自身方面花费能量，根据本发明能够设置的是，在本地发送器和/或接收器中拒绝伪数据包并且不将其传递给其他的节点、即不将其放入用于传输的网络中。此外，伪数据包能够包含特殊的编码，该编码用于在本地发送器和/或接收器被激活后在该本地发送器和/或接收器中拒绝数据包，而不是通过PHY设备、例如作为本地发送器和/或接收器的收发器将该数据包发出。
在本地发送器和/或接收器中通常涉及到所谓的、同时是发送器和接收器的Transceiver(收发器)设备，从而也能够由此激活接收器，将用于传输的数据包传输给了误以为的数据接收器，随后能够在传输之前特别地拒绝该数据包，但是这导致将收发器从节能模式(LPI模式)中激活。
为了能够与可能地激活和/或去激活本地发送器或接收器无关地执行预留报文的传输，根据本发明可以提出，实现在基于以太网的网络中传输数据并且在不同传输信道上传输预留报文。
此外，本发明涉及了一种具有本地发送器和/或接收器的控制设备和计算单元，其中，通过程序代码器设置计算单元以用于利用以太网AVB传输协议在机动车辆的节点、特别是控制设备间传输数据。根据本发明，通过程序代码器设置计算单元以用于执行前述方法或者该方法的多个部分。
本发明也相应地涉及到了具有程序代码器的计算机程序产品，该程序代码器适用于，在计算单元上实施时，所述程序代码器设置计算单元以用于执行前述方法或者该方法的多个部分。
附图说明
从下述实施例和附图中也能得出本发明的另外的优点、特征和可行性方案。在此，所有的所描述和/或图示的特征单独地或者以各种组合的方式形成了本发明的内容，这些特征也独立于其在权利要求中的或者其回溯引用的内容。在此：
图1示出在第一实现方案中应用Energy Efficient Ethernet的情况下，以太网AVB传输协议的正常的变化曲线，
图2示出在第二实现方案中应用Energy Efficient Ethernet的情况下，以太网AVB传输协议的正常的变化曲线，并且
图3示出在具有根据实施方式的本地发送器和/或接收器的事先激活的Energy Efficient Ethernet中，根据本发明的以太网AVB传输协议的变化曲线。
具体实施方式
图1示出了在位传输层(PHY)中的本地发送器和接收器(PHY设备)的节能模式(LPI)和正常状态(活跃)之间的状态转换的正常时间间隔，和所属的在MAC层中的传输帧(MAC帧)的时间进程。
在MAC层中将待传输的数据调整到该传输帧中时，这通过MAC层中的高状态用标记“Daten”来示出，即活跃的传输帧(MAC帧)。因此就在这种状态中将数据调整到传输帧(MAC帧)中，只要数据在传输帧中，位传输层的发送器(PHY)就是活跃的。
在时间点t1，完全传输存在于MAC层中的数据，其中直到时间点t3为止，不再有数据要被传输。在节能以太网的范畴中，以太网收发器(PHY)-即在发送节点的情况中即利用其发送功能-过渡到节能模式(LPI模式，Low Power Idle低功耗闲置)中。对此，在标准IEEE 802.3az的范畴中，以太网收发器能使用200μs的去激活时间TS，从而以太网收发器PHY在时间点t2实现了节能模式，其中以太网收发器PHY是去激活的。
之后，以太网收发器PHY位于其静止模式(LPI)中，直到时间点t3在MAC层中将新数据调整到传输帧(MAC帧)中。在该时间点，以太网收发器(PHY，发送接收器)开始了到活跃的正常状态中的过渡，根据对于节能以太网的标准IEEE 802.3az，在30μs激活时间TW之后在时间点t4达到该状态。之后，在MAC层中存在的且调整到传输帧(MAC帧)中的数据通过活跃的以太网收发器(PHY)来传输。因此，存在于MAC层中的待传输的数据必须在传输帧中等待激活时间TW，直到进行了传输。由此，获得了30μs的传输延迟。
图1示出了根据现有的用于节能以太网(EEE)的标准IEEE 802.3az的状态。
在图2中，示出了根据用于节能以太网(EEE)的标准IEEE 802.3az的类似的状态转换，其中以太网收发器(PHY)在位传输层中从活跃的正常状态转换到节能模式(去激活状态)中，该状态称为LPI状态。在此，在完成了MAC层的传输帧中的数据传输之后，以太网收发器(PHY)在时间点t1也开始过渡到节能模式中。然而，在经历了去激活时间TS达到该模式之前，在MAC层中又存在待传输的数据，从而将该数据调整到传输帧(MAC帧)中。因此，在时间点TS-dt中断了到节能模式(LPI模式)的过渡，并且在时间点t3，当数据调整到MAC层的传输帧中时，再次开始以太网收发器PHY的激活过程。
无关于是否真正实现了以太网收发器PHY的节能模式(去激活状态)，都需要激活时间TW，以便在以太网收发器(PHY)的活跃的运行状态中开始传输在MAC层的传输帧中存在的数据。因此，在图2中示出的循环中，因为没有实现以太网收发器PHY的节能模式，所以根本并不省电。因此，在传输数据时产生了长为激活时间TW的延迟，其根据标准IEEE802.3az是30μs。
在此，现在开始应用图3所示的根据本发明的方法。
根据所提供的方法充分利用的是，根据以太网AVB协议，相应的网络节点通过预留已知了要传输的数据流的周期时间。因此，节点分别已知了所计划的发送时间点ttx，为此应当将MAC层中的接下来的数据包调整到传输帧(MAC帧)中。因此，在该时间点，应当将数据流的包经由以太网收发器(PHY)在数据网中发送。然后，即使在该时间点，在MAC层中实际上没有有效信息等待着被发送，也已经在时间点ttx-TW将以太网收发器(PHY)从睡眠状态或者节能模式(LPI)中唤醒或者激活，以使得在所计划的发送时间点ttx之前实现激活时间TW。因此将以太网收发器(PHY)的激活提前了激活时间TW，从而在将数据调整到传输帧(MC帧)中时，能够通过在活跃的正常状态中的活跃的以太网收发器PHY立刻没有延迟地传输数据。
以太网收发器(PHY)在时间点ttx-TW的激活能够例如通过合适的MAC寄存器或PHY寄存器的写操作来实现，该MAC寄存器或PHY寄存器控制了位传输层(PHY层)中的以太网收发器(PHY)的激活和去激活。因此，在此直接读取状态信号，该状态信号将以太网收发器(PHY)转换到节能模式(LPI模式)中或者从该节能模式中再次唤醒。
在将数据传输进MAC层的传输帧之后，以太网收发器(PHY)随后在去激活时间TS期间再次转入节能模式(LPI模式)，直到下个所计划的数据等待着被传输，其中，在此还将激活再次提前了激活时间TW。
因此，通过图3所示的变化曲线得到保障的是，在应用Energy EfficientEthernet时，在根据IEEE 1722标准的以太网AVB传输协议的范畴中的数据传输中，在通过激活时间TW传输数据流时也没有附加的延迟和抖动。
所提供的方法的另一个或者补充的实施方式在于，在节点中运行计时器，该计时器确定了以太网收发器(PHY)处于节能模式(LPI模式)中的时间。在计时器中设定的时间结束之后，以太网收发器再次自动地离开节能模式，从而在所计划的传输时间点ttx，以太网收发器能够处于活跃的正常状态中，并且能够在将数据调整到MAC层的传输帧中时立刻传输数据。因此在已知的传输时间点ttx，能够将计时器设定为，该计时器在时间点ttx-TW结束，并且以太网收发器因此已经准备好在所计划的传输时间点ttx传输数据。
另一个用于将以太网收发器从节能模式(LPI)中激活的可行性方案在于，通过以下方式激活以太网收发器(PHY)，即在所计划的发送时间ttx之前，将伪数据包适时地调整到MAC层的传输帧(MAC帧)中。优选地在时间点t ttx-tDUMMY-TW处进行，其中时间tDUMMY是伪包的传输持续时间。
该伪数据包仅仅用于：将以太网收发器(PHY)准时地从节能模式(LPI)中激活，而不需要在此改变Energy Efficient Ethernet机构。这种伪包能够由在MAC层的前置协议层中的应用来实现，该协议层能够由制造商或者用户通过合适的应用来进行相应的调整。因此根据本发明设置应用，其生成合适的伪数据包并且传递给MAC层，然后其将假数据调整到传输帧中，而并不存在真实数据(有效数据)，这直接导致将节能模式(LPI)中的以太网收发器(PHY)从睡眠状态中激活。在此，数据包的内容是不相干的，并且优选地选择为在正在传输的数据对面不触发回应。
根据一个用于生成伪数据包的特别优选的可行性方案还能够提出，对伪数据包的定义导致了在发出之前再次拒绝以太网收发器(PHY)中、即位传输层中的数据，而不会进行使网络承担负荷的数据传输。这能够例如在调整当前标准的范畴中实现。
因此，总体上通过所提供的方法提供了一种用于在节点中节省发送和接收能量的有效率的可行性方案，而不会在数据传输时导致传输的时间延迟和抖动、即延时。

Claims (11)

1.一种用于利用以太网AVB传输协议在机动车辆的节点间传输数据的方法，其中通过将数据输入传输帧(MAC帧)中并且传输到本地的发送器(PHY)，经由基于以太网的网络将所述数据以周期性的间隔发出，并且其中在发送所述数据之前，借助于自有的协议的预留报文预留传输所述数据所要求的资源，其中将来自节点的数据流设定到确定的发送速率和/或数据传输率上，并且其中在没有数据需要传输的非有效周期中去激活节点的本地的所述发送器和接收器(PHY)，并且只要在传输帧(MAC帧)中有待传输的数据就再次激活所述节点的本地的所述发送器和所述接收器，其中根据激活时间(TW)提供本地的所述发送器和所述接收器(PHY)以用于传输，其特征在于，基于预留报文和对所述发送速率和/或所述数据传输率的设定来激活所述节点的本地的所述发送器和/或所述接收器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过合适的MAC寄存器或PHY寄存器的写操作来实现激活节点的本地的所述发送器和/或所述接收器(PHY)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过计时器来实现激活节点的本地的所述发送器和/或所述接收器(PHY)，所述计时器预设在开始去激活之后何时再次激活本地的所述发送器和/或所述接收器(PHY)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过在传输所述数据之前发出的伪数据包来实现激活节点的本地所述发送器和/或所述接收器(PHY)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，比所计划的发送时间点至少提前了所述激活时间(TW)地实现激活节点的本地的所述发送器和/或所述接收器(PHY)。
6.根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，比所计划的发送时间点至少提前了所述激活时间(TW)和所述伪数据包的传输持续时间的总和地实现了激活节点的本地的所述发送器和/或所述接收器(PHY)。
7.根据权利要求4或6中任一项所述的方法，其特征在于，通过应用生成所述伪数据包，并且将所述伪数据包传递给前置层。
8.根据权利要求4、6或7中任一项所述的方法，其特征在于，在本地的所述发送器和/或所述接收器中拒绝所述伪数据包并且不将所述伪数据包传递给另外的节点。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述基于以太网的网络中实现所述数据的所述传输，并且在不同的传输信道上实现预留报文的所述传输。
10.一种具有本地发送器和/或接收器和计算单元的控制设备，其中通过程序代码器设置所述计算单元以用于利用以太网AVB传输协议在机动车辆的节点间传输数据，其特征在于，通过程序代码器设置所述计算单元以用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.一种具有程序代码器的计算机程序产品，所述程序代码器适用于，在计算单元上实施时，所述程序代码器设置所述计算单元以用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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