CN112751715B - 一种车载avb协议的带宽预留优化方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种车载avb协议的带宽预留优化方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载AVB协议的带宽预留优化方法、系统及存储介质，属于信息技术领域。针对现有技术中存在的端到端延时问题，本发明提供了一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，包括：分配优先级；调整观察间隔；计算预留带宽；优化延时计算方法；计算端到端延时。此外，还提供了一种车载AVB协议的带宽预留优化系统及存储介质。上述优化方法支持调整AVB协议CBS整形器的观察间隔；采用优化延时计算方法，基于实际预留带宽计算延时，增强了CBS整形器的观察间隔的调整范围。并且，显著提升车载以太网AVB流预留协议的带宽预留效率，满足车载以太网AVB技术在自动驾驶相关传感器融合处理等场景中的应用。

Description

一种车载AVB协议的带宽预留优化方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及信息技术领域，更具体地说，涉及一种车载AVB协议的带宽预留优化方法、系统及存储介质。
背景技术
根据中华人民共和国国家标准《汽车驾驶自动化分级》(报批稿)的定义，自动驾驶从0级到5级共分为6个等级。随着自动驾驶等级的提升，需要部署更多的传感器，如摄像头、激光雷达、毫米波雷达等。传统车载网络主要由CAN、LIN、Flexray等总线组成，其共同缺点是带宽不足；以太网具有通用，大带宽等特点，逐渐开始用于车载网络领域，当前主要用于后座娱乐系统相关的音视频传输，并在少数车型中已经批量实用。
AVB(Audio Video Bridge)，即音视频桥，是一种基于IEEE 802.3以太网的用于高质量音视频传输的数据链路层网络协议，于2005年由IEEE 802.1工作组定义完成。AVB协议包括三部分，分别是IEEE 802.1AS，精确时间同步协议(Precision Time Protocol,PTP)；IEEE 802.1Qat，流预留协议(Stream Reservation Protocol,SRP)；IEEE 802.1Qav，队列及转发协议(Queuing and Forwarding Protocol)。其工作机制是首先完成各个设备的时间同步，然后发送端发起带宽预留请求，接收端返回准备好的Ack，其中网桥根据发送端的需求完成相应的带宽预留，最后按照FQTSS中规定的CBS算法，将流量从发送到传输到接收端。对于基于SRP的带宽预留，当前主流实施方法是：发送端设备携带带宽信息为一流发出注册申请，接收端设备根据自身状态给出听者注册响应，AVB网桥处于所述发送端和接收端的路径上，尝试为该流分配带宽资源。当说者设备有两个以上的音视频数据数据流需要传输时，需要先后建立两次以上的预留过程才能达到目的，效率比较低。另外，当前AVB一般提供两个优先级队列，与其对应的观察间隔分别为125us和250us，分别对应7跳AVB网桥的端到端延时为2ms和10ms。观察间隔除影响AVB的转发延时之外，也直接影响预留的带宽大小。
如前面所述，自动驾驶相关的传感器数量会逐步增多，且一般采用AVB协议进行传输。由于车内电磁环境复杂，以太网带宽越高，越容易受到电磁干扰，导致车载以太网的带宽不能无限提高，所以带宽预留的效率直接影响车载以太网AVB的传输效率。理论上，带宽预留与观察间隔的关系如下：
Figure GDA0003776898070000011
其中，B为总预留带宽；OInterval为观察间隔；Smax为最大采样率；FrameSize报文长度；StreamQuantity为流的数量。最大采样率取决于系统内部时钟的倍频，不属于本专利的范围。本发明适用于自动驾驶汽车相关的传感器数据传输，通过优化带宽预留，可实现基于同一物理链路传输多种流量特征的传感器数据，如高清摄像头、激光雷达等，最终降低开发成本，提升开发效率。
中国专利申请，申请号201810530602.6，公开日2018年08月17日，公开了一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)建立含SC消息的混合调度机制；(2)建立预留带宽参数优化模型；(3)对预留带宽参数优化模型进行求解；(4)计算响应时间上界。其核心机制是在IEEE 802.1Qat协议中A类SR消息和B类SR消息的基础上增加安全关键控制流SC消息队列，但是，该方法需要对新增加的队列进行调度，且降低了原有的A类SR和B类SR队列的可用带宽，不能提升车载AVB流预留协议的使用效率，即带宽预留效率。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的车载以太网AVB流预留协议的带宽预留效率低问题，本发明提供了一种车载AVB协议的带宽预留优化方法、系统及存储介质，它可以实现满足端到端延时的前提下显著提升车载以太网AVB流预留协议的带宽预留效率，满足车载以太网AVB技术在自动驾驶相关传感器融合处理等场景中的应用。
2.技术方案
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，包括以下步骤：
步骤1，根据发送端发送流量的优先级，将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中，等待传输；
步骤2，根据AVB网桥当前带宽使用情况实时调整观察间隔；
步骤3，根据步骤2调整后的观察间隔，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽；
步骤4，AVB网桥根据默认的带宽预留情况，为所有流计算转发延时，用于优化延时计算方法；
步骤5，计算端到端延时，用于验证上述带宽预留方法是否满足相关流量的传输延时要求。
进一步地，所述AVB网桥最多支持7个优先级队列，1个用于传输Best Efforts流量的队列。为了降低调度的复杂性，一般将不同优先级的流量分配至A类SR队列和B类SR队列。
进一步地，所述步骤2包括：根据AVB网桥当前带宽使用情况，调整观察间隔。一般情况下，每种流量的端到端延时要求不同，导致A类SR队列或B类SR队列中同时存在不同端到端延时要求的流量。网络控制面需实时感知各个队列的带宽预留情况，通过调整不同端到端延时要求的流量对应的队列观察间隔，从而满足每种流量的端到端延时，同时提升带宽预留的效率。此种方法通过网络控制面对观察间隔实时调整，可有效降低复杂性。
进一步地，所述步骤3中，结合所述观察间隔，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽；带宽与观察间隔的关系为：
Figure GDA0003776898070000031
在上式中，B为总预留带宽；OInterval为观察间隔；Smax为最大采样率；FrameSize报文长度；StreamQuantity为流的数量。
进一步地，如果无法为相关流预留满足需求的带宽，结合相关流的延时要求，调整所述观察间隔，并重新计算带宽，得出最优解。该方法的优势在于，根据动态的观察间隔计算实际预留带宽，预留带宽值更精确，效率更高。
进一步地，所述步骤4中，AVB网桥默认根据75％的带宽预留情况，为所有流计算转发延时，转发延时的关系为：
Figure GDA0003776898070000032
在上式中，tDevice是网络节点交换延时，tMaxPacketSize+IPG是最大报文转发延时(含报文间隙)，tAllStream是所有流转发延时，tStreamPacket+IPG是流量转发延时(含报文间隙)，tStreamPacket是流量报文转发延时，Rate为最大物理带宽，MaxAllocaband为最大预留带宽。
进一步地，所述步骤4包括：利用唯一标识字段标识流量的次序，用于告知AVB网桥所述流是第几条需要被转发的流量，AVB网桥开始计算所述流的实际使用带宽，结合步骤3已经预留的带宽，作为所述跳实际预留的带宽。
进一步地，步骤5中所述端到端延时为所述流量经过多个网络转发节点的延时。
进一步地，所述步骤5中，AVB链路的最大端到端延时可表示为：
Figure GDA0003776898070000033
在上式中，tDevice是网络节点交换延时，tMaxPacketSize+IPG是最大报文转发延时(含报文间隙)，tAllStream是所有流转发延时，tStreamPacket+IPG是流量转发延时(含报文间隙)，tStreamPacket是流量报文转发延时，Rate为最大物理带宽，AllocBand为实际预留带宽，n为跳数。
进一步地，一种车载AVB协议的带宽预留优化系统，所述系统包括：
优先级分配模块，用于将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中；
调整间隔模块，接收优化级分配模块的结果，根据AVB网桥当前带宽使用情况实时调整观察间隔；
带宽计算模块，根据调整间隔模块调整后的结果，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽；
优化延时模块，接收带宽计算模块的结果，优化延时计算方法获得所有流的转发延时；延时计算模块，接收优化延时模块获得的单个节点延时，计算端到端延时。
一种可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述的方法。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
该方法及系统采用以太网，解决了传统车载总线互通性差的问题；该方法及系统支持调整AVB协议CBS整形器的观察间隔，从而满足每种流量的端到端延时，同时提升带宽预留的效率；该方法及系统采用优化延时计算方法，基于实际预留带宽计算延时，增强了CBS整形器的观察间隔的调整范围。
附图说明
图1为本发明的具体实施步骤的示意图；
图2为本发明涉及的流量优先级示意图；
图3为本发明用于调整CBS整形器观察间隔的字段示意图；
图4是本发明用于标识流量次序的字段示意图；
图5是本发明实施例的转发流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本发明实施例可以应用于自动驾驶系统相关的摄像头、激光雷达等数据传输，满足多条流量带宽预留的需求，提升带宽预留的利用率。
如图1所示，本发明提出一种基于每跳延时补偿的传输机制，涉及一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据发送端发送流量的优先级，将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中，等待传输。
根据发送端发送流量的优先级，将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中，等待传输。如图2所示，AVB网桥最多可支持7个优先级队列，1个用于传输Best Efforts(尽力而为)流量的队列。为了降低调度的复杂性，一般将不同优先级的流量分配至A类SR队列和B类SR队列。
步骤2，根据AVB网桥当前带宽使用情况，通过网络控制面实时调整观察间隔。
根据AVB网桥当前带宽使用情况，调整观察间隔，从而提升带宽的利用率。图3为SRP报文格式，其中优先级字段用于表示流量等级和整形器类型选择，在其中选取若干比特位用于选择观察间隔。一般情况，每种流量的端到端延时要求不同，导致A类SR队列或B类SR队列中同时存在不同端到端延时要求的流量。网络控制面需实时感知各个队列的带宽预留情况，通过调整不同端到端延时要求的流量对应的队列观察间隔，最终改变其预留的带宽值，从而满足每种流量的端到端延时，同时通过改变观察间隔，预留合适的带宽，即提升了预留带宽的效率。此种方法通过网络控制面对观察间隔实时调整，可有效降低复杂性，网络控制面的挑战方法不是本发明的保护范围。
步骤3，根据步骤2调整后的观察间隔，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽。
结合步骤2获得的调整后的观察间隔，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽。带宽与观察间隔的关系为：
Figure GDA0003776898070000051
在上式中，B为总预留带宽；OInterval为观察间隔；Smax为最大采样率；FrameSize报文长度；StreamQuantity为流的数量。
在一种可能的实现中，若在某特定观察间隔情况下，无法为相关流预留可满足其需求的带宽，结合其延时要求，可调整观察间隔，并重新计算带宽，得出最优解，求解方法可以是启发式算法等，算法不是本专利讨论的范围。该方法的优势在于，根据动态的观察间隔计算实际预留带宽，预留带宽值更精确，效率更高。
步骤4，AVB网桥根据默认的带宽预留情况，为所有流计算转发延时，用于优化延时计算方法。
AVB网桥默认根据75％的带宽预留情况，为所有流计算其对应的转发延时，转发延时的关系为：
Figure GDA0003776898070000052
在上式中，Rate为最大物理带宽，MaxAllocaband为最大预留带宽。
如图4所示，利用唯一标识字段标识流量的次序，用于告知AVB网桥其是第几条需要被转发的流量，AVB网桥开始计算该流的实际使用带宽，计算方法如步骤3，作为该网络节点实际预留的带宽，实际预留带宽一般不会大于75％的理论带宽，从而提升延时特性，提升延时有利于调大观察间隔，从而减小带宽预留。
步骤5，需要说明的是，上述步骤4是单个网络节点的转发延时，本步骤计算端到端延时，即经过多个网络转发节点的延时。如上所述，基于步骤4的结果，AVB链路的最大端到端延时可表示为：
Figure GDA0003776898070000061
在上式中，一种可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述的方法。Rate为最大物理带宽，AllocBand为实际预留带宽，n为网络节点数。
基于现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种车载AVB协议的带宽预留优化方法。图3和图4是满足上述需求的流预留协议的报文格式，包括：发送端系统表示、流唯一表示、唯一标识、流量的目的地址、传输周期(TSpec)、优先级(流量优先级+整形器类型+观察间隔选择)、链路冗余、其他。
上述步骤1、2、3、4、5为单个网络节点的转发步骤。进一步地，如图5所示，为本实施例具体的在两个相邻网络节点之间的转发流程，假设共有S1至Si需要转发，转发流程如下：
(1)在AVB网桥100入口处，流Si通过预先规划的优先级进入相关队列；AVB网桥100读取唯一标识字段，通过与实现记录在缓存中的最大流量数量对比，判断得出其是否是最后一条流；
AVB网桥100读取优先级字段，得出与该流对应的观察间隔；最后通过严格优先级队列转发流量，并计算该流在网桥AVB 100实际使用带宽与实际转发延时；并根据此参数作为依据，为下一条流量做带宽预留。
(2)在AVB网桥110的出口处，AVB网桥110首先读取流Si在AVB网桥100中的实际转发延时，并与流Si的理论转发延时对比，适当调整其优先级，例如，若实际转发延时比理论转发延时低，则在AVB网桥110处降低其优先级，在每个网络节点的优先级均由网络控制面预先规划得出；AVB网桥110分别读取流Si的唯一标识字段，判断该流的次序，读取优先级字段，选择相应的观察间隔，最后计算该流在AVB 110的实际带宽预留和转发延时，带宽的计算方法参照实施例步骤3，延时计算方法参照实施例步骤5。
上述车载AVB协议的带宽预留优化方法采用以太网，解决了传统车载总线互通性差的问题；支持调整AVB协议CBS整形器的观察间隔；采用优化延时计算方法，基于实际预留带宽计算延时，增强了CBS整形器的观察间隔的调整范围。并且，显著提升车载以太网AVB流预留协议的带宽预留效率，满足车载以太网AVB技术在自动驾驶相关传感器融合处理等场景中的应用。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令对应的系统来完成，所述系统包括：优先级分配模块，用于将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中；调整间隔模块，接收优化级分配模块的结果，根据AVB网桥当前带宽使用情况实时调整观察间隔；带宽计算模块，根据调整间隔模块调整后的结果，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽；优化延时模块，接收带宽计算模块的结果，优化延时计算方法获得所有流的转发延时；延时计算模块，接收优化延时模块获得的单个节点延时，计算端到端延时。所述系统的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据发送端发送流量的优先级，将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中，等待传输；
步骤2，根据AVB网桥当前带宽使用情况实时调整观察间隔；
步骤3，根据步骤2调整后的观察间隔，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽；
步骤4，AVB网桥根据默认的带宽预留情况优化延时计算方法，为所有流计算转发延时；所述步骤4中，转发延时的关系为：
Figure FDA0003738884930000011
在上式中，tDevice是网络节点交换延时，tMaxPacketSize+IPG是最大报文转发延时，tAllStream是所有流转发延时，tStreamPacket+IPG是流量转发延时，tStreamPacket是流量报文转发延时，Rate为最大物理带宽，MaxAllocaband为最大预留带宽；
步骤5，基于步骤4获得的转发延时，计算端到端延时。
2.根据权利要求1所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，所述步骤1中，将不同优先级的流量分配至A类SR队列和B类SR队列。
3.根据权利要求1所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，所述步骤2中，通过网络控制面实时感知各个队列的带宽预留情况，调整各个流量对应的队列观察间隔，使所述观察间隔满足各个流量的端到端延时要求。
4.根据权利要求1所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，所述步骤3中，带宽与观察间隔的关系为：
Figure FDA0003738884930000012
在上式中，B为总预留带宽；OInterval为观察间隔；Smax为最大采样率；FrameSize报文长度；StreamQuantity为流的数量。
5.根据权利要求4所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，如果无法为相关流预留满足需求的带宽，结合相关流的延时要求，调整所述观察间隔，并重新计算带宽，得出最优解。
6.根据权利要求5所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，所述步骤4包括：利用唯一标识字段标识流量的次序，用于告知AVB网桥所述流是第几条需要被转发的流量，AVB网桥开始计算所述流的实际使用带宽，结合步骤3已经预留的带宽，作为跳实际预留的带宽。
7.根据权利要求1所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，步骤5中所述端到端延时为所述流量经过多个网络转发节点的延时。
8.根据权利要求7所述的一种车载AVB协议的带宽预留优化方法，其特征在于，所述步骤5中，AVB链路的最大端到端延时可表示为：
Figure FDA0003738884930000021
在上式中，tDevice是网络节点交换延时，tMaxPacketSize+IPG是最大报文转发延时，tAllStream是所有流转发延时，tStreamPacket+IPG是流量转发延时，tStreamPacket是流量报文转发延时，Rate为最大物理带宽，AllocBand为实际预留带宽，n为跳数。
9.一种车载AVB协议的带宽预留优化系统，其特征在于，所述系统包括：
优先级分配模块，用于将不同优先级的流量分配至AVB网桥的不同队列中；
调整间隔模块，接收优化级分配模块的结果，根据AVB网桥当前带宽使用情况实时调整观察间隔；
带宽计算模块，根据调整间隔模块调整后的结果，AVB网桥在本地计算与其对应的实际使用带宽；
优化延时模块，接收带宽计算模块的结果，优化延时计算方法获得所有流的转发延时，其中，转发延时的关系为：
Figure FDA0003738884930000022
在上式中，tDevice是网络节点交换延时，tMaxPacketSize+IPG是最大报文转发延时，tAllStream是所有流转发延时，tStreamPacket+IPG是流量转发延时，tStreamPacket是流量报文转发延时，Rate为最大物理带宽，MaxAllocaband为最大预留带宽；
延时计算模块，接收优化延时模块获得的单个节点延时，计算端到端延时。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1-8任一项所述的方法。
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