CN110691117B - 一种电动汽车充换电网络协议网关 - Google Patents

一种电动汽车充换电网络协议网关 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车充换电网络协议网关，包括：接口模块、通信模块、缓存模块和计算模块；接口模块，用于对装配车载通信模块的电动汽车用户提供有线和无线接入；通信模块，用于对所述接口模块接入的数据包进行协议转换或添加隧道，来对数据包进行解析、封装和转发操作；缓存模块，用于缓存数据以减少公网中数据请求的压力；计算模块，用于对采集到的数据进行预处理，并发往数据中心。本网关可以实现车辆和充换电网络的无线接入方式，通过隧道和协议转换两种方法结合，使网关具备车辆使用多协议与充换电网络进行数据交互的功能，解决了电动汽车充换电网络信息感知力不足的问题，拓展了通信范围和使用场景。

Description

一种电动汽车充换电网络协议网关
技术领域
本发明涉及新能源汽车充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车充换电网络协议网关。
背景技术
随着物联网技术的快速发展。电动汽车充换电网络主要由电动汽车、传感器节点、充换电站、充换电网络服务管理平台等实体组成，这些功能实体信息的互联互通是保障电动汽车充换电网络高效运行的前提。因而，电动汽车充换网络应具备为采用不同通信方式的电动汽车提供接入服务的能力，同时具备提供如推送电价信息，电网政策法规等充换电周边增值服务的能力。
目前，电网主要是利用充电桩通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线实现与电动汽车之间的数据交互功能，并采用GPRS通信模块，通过无线移动公网向本地或远程的数据服务器传输所连接充电车辆的运行状态数据。电动汽车采用CAN总线的方式进行数据交互，使得电力运营商只能采集到驶入固定充电站内电动汽车的电池和运行状态信息，无法获得未通过CAN总线连接充电桩的电动汽车的电池状态、充电意愿和行驶路线等信息。导致目前基于电动汽车和充电设备数据信息的电动汽车充换电网络不能对多个新能源汽车和充电设备进行实时监控，在通信内容和通信方式两方面都存在很大的局限性。
现有车联网所采用的通信技术包括：基于802.11p的专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communications,DSRC)技术和基于蜂窝通信的C-V2X技术。车联网无线组网的方法主要采用DSRC，基于IEEE802.11p标准协议实现车辆与车辆(V2V)、车辆与路边单元(V2R)通信，主要采用5.9GHz频段通信，带宽20MHz，最大通信范围可达300-1000米。因此，国际上公认的车联网是基于DSRC构建的车载自组网(Vehicle Ad-hoc Network，VANET)。C-V2X技术指在现有蜂窝通信技术框架下车辆与万物互联的一项通信技术。V2X包括车辆与车辆，车辆与基础设施/互联网，车辆与行人等多种通信方式。C-V2X涉及两种通信接口：LTE-Uu接口和PC5接口。LTE-Uu接口在基站的辅助下提供车辆通信服务，PC5接口通过设备直连模式实现车辆与车辆间通信。目前，C-V2X技术在4G架构下进行研究，并向5G演进。但是其缺点是这种组网方式现在还停留在标准制定阶段，且成本较高。
由于车联网目前存在两种协议标准且与无线公网协议不统一，针对此种情况现有网关的设计方案主要基于以下两种：隧道和协议转换。
隧道方式是一种数据包封装技术，它是将原始IP包(其报头包含原始发送者和最终目的地)封装在另一个数据包(称为封装的IP包)的数据净荷中进行传输。使用隧道的原因是在不兼容的网络上传输数据，或在不安全网络上提供一个安全路径。使用这种方式可以实现异构网络的数据传输，但是会增加报头的开销，降低传输效率。
协议转换是指将一种网络协议解封装后再封装成另一种协议格式的方法。这种方式相比于隧道没有额外增加报头的开销，不会降低传输效率，但需要针对不同协议需要设计不同的实现策略，灵活性和安全性较差。
随着新能源汽车行业的快速发展，用户对于充换电网络的服务能力提出新的要求，如：充电桩预约服务、充电站查询、电价的播报等增值服务。但是目前电动汽车充换电网络的信息交换方式单一，且交互内容具有局限性，不能满足用户对充换电网络服务能力提出的需求。同时，对于电力公司来说，无法通过采集所有新能源汽车和充电设备的数据，对这些设备进行实时监控，不仅会阻碍其做出正确的电力调度等决策，还会使电动汽车充换电网络的发展进入瓶颈。
因此，亟需一种电动汽车充换电网络协议网关。
发明内容
本发明提供了一种用于电动汽车充换电网络的协议网关，以解决电动汽车充换电网络信息获取能力不足，通信技术单一的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种电动汽车充换电网络协议网关，其特征在于，包括：接口模块、通信模块、缓存模块和计算模块；
所述的接口模块，用于对装配车载通信模块的电动汽车用户提供有线和无线接入；
所述通信模块，用于对所述接口模块接入的数据包进行协议转换或添加隧道，来对数据包进行解析、封装和转发操作；
所述缓存模块，用于缓存数据以减少公网中数据请求的压力；
所述计算模块，用于对采集到的数据进行预处理，并发往数据中心。
优选地，接口模块包括：LTE接口、车联网接口、以太网接口和扩展接口；
所述LTE接口，用于提供蜂窝无线通信的接入方式；
所述车联网接口，用于通过DSRC射频芯片提供5.9Hz高速短距离无线接入方式；
所述以太网接口，用于有线接入充电站的电动汽车充换电网络数据中心，实现数据的上传，或接入另一个车联网的用户；
所述可扩展接口，用于提供其它无线技术接入。
优选地，接口模块具体用于将安装有车载4G/3G/GPRS模块的电动汽车通过蜂窝通信方式接入，实现基于蜂窝网的集中式车联网组网；安装有DSRC射频芯片的电动汽车通过DSRC通信方式接入，实现基于车载自组网的车联网组网；并且利用有线光纤或无线移动公网互联，间接实现电动汽车的互联。
优选地，通信模块，用于对所述接口模块接入的数据包进行协议转换和添加隧道，包括：所述的协议转换为WAVE协议和以太网协议之间的转换；所述添加隧道为向WAVE短信息协议添加隧道。
优选地，网关还包括二代行为模型虚拟交换机，用于编写P4程序以进行多协议的相互转换、隧道的处理和数据包的转发。
由上述本发明的电动汽车充换电网络的协议网关提供的技术方案可以看出，本发明通过将车联网技术引入电动汽车充换电网络，来实现车辆和充换电网络的无线接入方式，通过隧道和协议转换两种方法结合，使网关具备车辆使用多协议与充换电网络进行数据交互的功能，解决了电动汽车充换电网络信息感知力不足的问题，拓展了通信范围和使用场景。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的一种电动汽车充换电网络协议网关结构示意图；
图2为实施例的网关协议栈的示意图；
图3为封装隧道示意图；
图4为实施例的网关所涉及的应用场景示意图；
图5为网关通过无线数据方式的数据包处理流程图；
图6为网关通过有线数据方式的数据包处理流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
图1为本实施例提供的一种电动汽车充换电网络协议网关结构示意图，参照图1，电动汽车充换电网络协议网关包括：接口模块、通信模块、缓存模块和计算模块。
接口模块，用于对装配车载通信模块的电动汽车用户提供有线和无线接入。
接口模块包括：LTE接口、车联网接口、以太网接口和扩展接口。
LTE接口，用于提供蜂窝无线通信的接入方式。车联网接口，用于通过DSRC射频芯片提供5.9Hz高速短距离无线接入方式。以太网接口，用于接入充电站的电动汽车充换电网络数据中心，实现数据的上传，或接入另一个车联网的用户，充电站内安装有Zigbee射频芯片的所有传感器设备，与网关可实现基于无线传感器网络的传感器节点组网，网关用于汇聚本地Zigbee传感器节点的状态数据，通过所述网关光纤以太网接入功能实现数据的上传。可扩展接口，用于提供其它无线技术接入(还可以作为备用接口支持未来新兴的其它无线通信技术在充换电网络领域的应用)。
接入网关，需要电动汽车用户装配车载通信模块，包括车载4G/3G/GPRS模块或车载DSRC射频芯片。
接口模块具体用于将安装有车载4G/3G/GPRS模块的电动汽车通过蜂窝通信方式接入，实现基于蜂窝网的集中式车联网组网；安装有DSRC射频芯片的电动汽车通过DSRC通信方式接入，实现基于车载自组网的车联网组网；并且利用有线光纤或无线移动公网互联，间接实现电动汽车的互联。
本实施例的网关支持所有驶入该网关通信覆盖范围内车辆的数据上传，不同充电站内的所述网关利用有线光纤或无线移动公网互联，间接实现所有电动汽车的互联。安装所述车载通信模块的所有电动汽车，根据各自的通信频段，选择对应的无线接入方式，实现混合式车联网组网。
通信模块，用于对所述接口模块接入的数据包进行协议转换或添加隧道，来对数据包进行解析、封装和转发操作。图2为本实施例的网关协议栈的示意图。本实施例的网关包括两种协议栈：WAVE的TCP/IPv6协议栈和以太网协议栈，WAVE的TCP/IPv6协议栈包括应用层、TCP/UDP层、IPv6层、LLC层和MAC层，以太网协议栈包括应用层、TCP/UDP层、IPv6层和Ethernet层。参照图2，所述的协议转换为WAVE协议和以太网协议之间的转换。图3为封装隧道示意图。图3包括两种数据包：原始数据包和封装的IPv6数据包。原始数据包包括WSMP-N、WSMP-P以及净荷三个字段。封装隧道是指在原始数据包的基础上，添加IPv6报头，形成封装的IPv6数据包。
由于目前多数充电桩的通信模块使用的是GPRS模块，少数充电桩的通信模块嵌入Wifi模块，为了避免对设备固有资源重新建设造成浪费，本实施例的网关支持充电桩使用Wifi和GPRS两种接入方式，通过接口模块的可扩展接口实现。同时，本网关预留的可扩展接口支持未来的新兴无线技术，增加了设备的可扩展性。
缓存模块，用于缓存数据以减少公网中数据请求的压力。主要考虑到电动汽车充电需要长时间等待，为了满足用户对各种应用如Web服务，流媒体和文件传输等的需求所设计。通过对流行度较高的数据进行缓存来减少公网中请求的压力，同时可以通过缓存电网相关策略对电网增值服务提供技术支持。
计算模块，用于对采集到的数据进行预处理，并发往数据中心。减轻数据中心的计算压力的同时，还可以通过对本地汇聚到的数据进行挖掘，得到用户的兴趣偏好，便于电网因地制宜的设计服务策略。
本实施例的网关与多个车辆中至少一辆建立连接通道的具体步骤包括：装载DSRC射频芯片的车辆遵从WAVE协议。WAVE协议在网络层和传输层使用双协议栈的设计模式，分别为WSMP和IPv6/TCP。对于WSMP和IPV6协议栈的选择，主要来源于上层请求消息的类型进行区分。IPV6请求数据包通过DL-UNITDATA.request，WSMP则通过DL-UNITDATAX.request。基于WSMP的WAVE协议主要用于传输安全类或车辆行驶相关的服务或对时延要求高的紧急类消息，如道路信息、停车场信息、防碰撞信息等。基于IPv6/TCP的WAVE协议主要用于传递非安全类，对带宽要求较高的消息类型，如高清地图下载、高清视频等。因此，在对数据包进行隧道或协议转换操作时，根据所传输的消息类型做出相应方案的选择。
本实施例的网关还包括二代行为模型(Behavioral Model version 2,BMv2)虚拟交换机，用于编写P4程序以进行多协议的相互转换、隧道的处理和数据包的转发。可编程协议无关分组处理器(Programming Protocol-Independent Packet Processors，P4)是一种数据面的高级编程语言，通过P4语言，可以定义我们想要的数据面。使用P4可以实现对任意协议封装的报文进行处理，BMv2是支持P4编程的软件交换机。
通过本实施例的网关对接收到的数据包的处理过程具体如下：
图4为本实施例的网关所涉及的应用场景示意图，参照图4，对于该场景的任意一辆电动汽车，车载通信单元为DSRC射频芯片，车辆首先计算自身位置与所述网关之间的距离，并判断所述距离与DSRC射频芯片通信半径(即DSRC射频芯片的通信半径)的关系：对于在充电站内或充电站外的所述距离小于通信半径的车辆，可通过DSRC与所述网关之间构建车载自组网(Vehicular Ad hoc Networks,VANET)，同时利用上行无线链路上传电池状态数据；而对于充电站外距离大于通信半径的车辆，通过该车辆与充换电站之间的多个SRC车辆节点以多跳方式建立无线链路，利用多跳路由将状态数据转发至邻近的电动汽车充换电网络网关。最后，所有电动汽车充换电网络网关先对上传的数据包进行解析，并根据数据包上层所封协议进行协议转换或加隧道处理后，通过有线的方式接入以太网，将接收的状态数据发送给充电站的电动汽车充电换服务网络的数据中心或另一个车联网的用户。
上述条件下网关对数据包的处理流程图如图5和6所示，参照图5和图6，网关对数据包的处理过程如下：
当本发明所述网关通过无线连接方式接收到车辆用户发送的数据包，处理流程如下：
1)装配有DSRC射频芯片的车辆进入同样装有DSRC射频芯片的充换电网络网关的通信覆盖范围，与其建立无线连接；
2)车辆通过建立好的无线连接向网关发送经车载环境无线接入(WirelessAccess Vehicular Environment,WAVE)协议封装的数据包；
3)网关在收到车辆发送的数据包后，首先对媒体接入控制(Medium AccessControl,MAC)帧进行解析，并根据MAC帧中携带的端口号判断该数据包的发送方式是车辆通过无线方式发送到网关，还是通过有线的方式发送到网关。由于车辆发送数据包都是通过DSRC射频芯片发送，因此，当确定收到的数据包是从DCRC无线接口进入，则默认其没有封装隧道，进入parse_ethernet_outer解析逻辑；
4)首先根据MAC帧中的ethertype字段为0x41判断上层封装了LLC子层。LLC子层主要作用是标识上层采用了何种协议，0x88DC表示上封装的为ipv6协议，0x86DD表示上层封装了WSMP协议；
5)在本实施例的网关中，通过预先设计动作匹配表，对数据包处理过程中所涉及到的动作匹配表如下表1所示，通过表1执行相应动作完成数据包的封装和转发，匹配动作表中涉及的动作如下表2所示。
若上层封装的是ipv6协议，则选择waveip_to_ip_lpm表进行匹配，根据匹配动作表中的表项进行查询，成功匹配源MAC，执行waveip_toip动作，设置LLC包头无效，重新封装成以太网帧，修改ethernet头部的源地址与目的地址信息，同时设置ethertype字段为0x800；若上层封装的是WSMP协议，则选择wavewsm_to_intertunnelwave_lpm表进行匹配，根据匹配动作表中的表项进行查询，命中动作wavewsm_to_intertunnelwave，执行动作wavewsm_to_intertunnelwave，修改mac地址字段，修改ethertype字段,设置隧道头部为有效，并在WSM报文外封装上ipv6隧道，此时所述网关作为隧道起点，将网关的ipv6地址作为源地址封装在隧道报头中。
在封装好ipv6报头或者转换成ipv6协议的报文外加上以太网帧头和帧尾，通过网关的以太网接口进行转发。
表1 动作匹配表
动作表 功能
intertunnel_wsmintertunnel_wsm_lpm 用于处理封装了隧道的wsm数据包
ip_lpm 用于处理基于ipv6的wave数据包
wavewsm_to_intertunnelwave_lpm 用于处理从终端接收到的wsm数据包
waveip_to_ip_lpm 用于处理从终端接收到的ip数据包
ipv4_lpm 用于转发以太网的流量
表2 动作匹配表对应动作
Figure BDA0002174868680000101
当数据包发送到对端网络的充换电网络网关时，网关根据上述相同的方法对数据包进行解析、封装和转发操作，将数据的发送至数据中心或发送至另一个车联网网络中的车辆。
当本发明所述网关从以太网接口接收到数据包，处理流程如下：
1)网关通过以太网接口接收到一个数据包。通过端口号判定数据包通过有线方式发送，进入parse_ethernet_inter逻辑，但此时无法确定是否封装隧道；
2)首先根据MAC帧中的ethertype字段是否为0x41判断上层是否封装了ipv6隧道：
3)若MAC帧中的ethertype字段为0x41，判定该数据包封装有ipv6隧道则匹配Intertunnel_wsm_lpm动作表；
4)若目的ip为本网关的地址执行Intertunnelwsm_to_wavewsm动作，拆除ipv6隧道，封装成WAVE MAC帧通过DSRC射频芯片将数据包发送给目标车辆用户；
5)若目的ip不是本网关的地址，则执行Intertunnel_forward_middle，修改源ip和目的ip地址，将数据包转发至下一条路由设备；
6)若MAC帧中的ethertype字段不是0x41，判定该数据包没有封装ipv6隧道，则匹配匹配ip_lpm动作表；
7)若目的ip为本网关的地址执行执行ip_to_waveip动作，添加LLC层，封装成WAVEMAC帧通过DSRC射频芯片将数据包发送给目标车辆用户；
8)若目的ip不是本网关的地址，则执行Intertunnel_forward_middle，修改源ip和目的ip地址，将数据包转发至下一条路由设备。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电动汽车充换电网络协议网关，其特征在于，包括：接口模块、通信模块、缓存模块和计算模块；
所述的接口模块，用于对装配车载通信模块的电动汽车用户提供有线和无线接入；
所述通信模块，用于对所述接口模块接入的数据包进行协议转换或添加隧道，来对数据包进行解析、封装和转发操作；还用于对所述接口模块接入的数据包进行协议转换和添加隧道，包括：所述的协议转换为WAVE协议和以太网协议之间的转换；所述添加隧道为向WAVE短信息协议添加隧道；
所述缓存模块，用于缓存数据以减少公网中数据请求的压力；
所述计算模块，用于对采集到的数据进行预处理，并发往数据中心。
2.根据权利要求1所述的电动汽车充换电网络协议网关，其特征在于，所述的接口模块包括：LTE接口、车联网接口、以太网接口和可 扩展接口；
所述LTE接口，用于提供蜂窝无线通信的接入方式；
所述车联网接口，用于通过DSRC射频芯片提供5.9Hz高速短距离无线接入方式；
所述以太网接口，用于有线接入充电站的电动汽车充换电网络数据中心，实现数据的上传，或接入另一个车联网的用户；
所述可扩展接口，用于提供其它无线技术接入。
3.根据权利要求1所述的电动汽车充换电网络协议网关，其特征在于，所述的接口模块具体用于将安装有车载4G/3G/GPRS模块的电动汽车通过蜂窝通信方式接入，实现基于蜂窝网的集中式车联网组网；安装有DSRC射频芯片的电动汽车通过DSRC通信方式接入，实现基于车载自组网的车联网组网；并且利用有线光纤或无线移动公网互联，间接实现电动汽车的互联。
4.根据权利要求1所述的电动汽车充换电网络协议网关，其特征在于，所述网关还包括二代行为模型虚拟交换机，用于编写P4程序以进行多协议的相互转换、隧道的处理和数据包的转发。
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