CN112995315B - 一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法：车辆启动时进行拓扑发现，完成车辆电子电气架构和车载网络中各节点的参数导入；进行服务及QoS需求注册；当应用层订阅服务时读取QoS需求；根据QoS需求对已订阅的服务进行网络资源的计算和分配，制定对应的转发和调度策略并下发，完成静态配置；当QoS需求发生变更或新增时，更新节点并反馈节点信息，同时计算网络中剩余的网络资源是否满足变更的或新增的QoS需求；若满足，则下发配置文件并建立连接；若不满足，则与之前已完成配置的网络资源进行再协商，若协商成功，则在牺牲部分非实时流的情况下重新配置整车网络资源，生成对应的配置文件更新网络配置及节点，建立连接；若协商失败则发出警告。

Description

一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法

技术领域

本发明涉及车载网络技术领域，特别是涉及车载网络的QoS保障、时间敏感网络等技术在智能驾驶车辆领域的应用，具体涉及一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法。

背景技术

近年来智能驾驶汽车不断发展，使得传统基于CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)的车载通信网络难以满足逐渐增加的车载网络通信需求。车辆内部电子器件如传感器、控制器和执行器数目的增多，使得智能驾驶车辆对于数据传输的共享需求及跨域通信增多；同时由于智能驾驶汽车感知、控制和决策的安全性需求，对网络通信的实时性和确定性要求，对于包括带宽、延迟、抖动等在内的QoS(Quality of Service，服务质量)需求也逐渐严苛。

车载通信需要QoS保障机制来确保网络通信的质量，不同类型的业务流对于网络通信的服务质量需求不同，如控制流对于实时性需求高，而一些娱乐系统中的音视频流对于QoS需求则较低。

另一方面，由于交通场景的多变车载网络的动态性增强，业务流量的更新、变更对车载网络的重新配置和维护都带来了挑战。在面向服务的架构以及ECU(ElectronicControl Unit，电子控制单元)虚拟化等趋势下，网络资源的管理、配置和调度方式都将发生改变，与下一代车载网络架构相适应的车载网络QoS保障机制是必要的。

发明内容

本发明的主要目的在于，在面向服务的车载网络架构下，针对车载网络中不同QoS需求的业务流，结合时间敏感网络、ECU功能虚拟化、流量调度等技术，提出一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，进行差异化的资源分配和流量调度控制，为车载网络通信提供差异化的QoS保障机制。

本发明为达上述目的，提出以下技术方案：

一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，包括如下步骤：S1、车辆启动时，进行拓扑发现，完成车辆电子电气架构和车载网络中各网络节点的参数导入；S2、对所述网络节点对应的各类型的服务，进行服务注册，并同时声明服务的QoS需求；S3、当应用层根据需求订阅服务时，读取所订阅的服务的QoS需求，若读取到QoS需求，则直接进入步骤S4；若未读取到QoS需求，则根据默认需求表进行QoS需求的对应，然后进入步骤S4；S4、根据服务的QoS需求对已订阅的服务进行网络资源的计算和分配；S5、根据步骤S4的计算和分配结果，为已订阅的服务制定对应的转发和调度策略并下发，完成一次静态配置；S6、车辆运行过程中实时监测应用层服务需求的变化，当应用层的QoS需求发生变更或新增时，根据新增的或变更的QoS需求进行QoS节点的更新，并向订阅端反馈更新后的QoS节点信息，以使订阅端创建相应的与更新后的QoS节点通讯的通讯节点，并向网络管理平台反馈通讯节点的节点信息，同时计算当前网络中剩余的网络资源是否能够满足变更的或新增的QoS需求；如果能够满足，则下发配置文件并建立连接；如果不能满足，则进入步骤S7；S7、与之前已经完成配置的网络资源进行再协商，以请求重新配置整车网络资源；S8、若协商成功，则在牺牲部分非实时流的情况下重新配置整车网络资源，生成对应的配置文件以更新网络配置及节点，并建立连接；S9、若当前剩余的网络资源不足以进行再协商，即协商失败，则向用户发出网络资源不足的警告，并向用户提供参考解决方案。

本发明技术方案的有益效果包括：

1)建立了动态的多级QoS保障机制。将不同类型的业务流量在服务注册时注册不同QoS类别，对不同类别流量采用不同的网络资源配置，实现多级QoS保障；通过网络管理平台与服务之间的再协商实现了动态的QoS保障机制。解决了自动驾驶需求带来的高带宽和确定性低延时网络需求；

2)通过车载以太网及时间敏感网络的应用，在高带宽大并发情形下确保车载网络节点之间的确定性低时延通信；

3)改善了现有车载网络中网络资源配置的动态性和可扩展性。当物理拓扑或者流量模式发生变化时，网络的重新配置和资源的重新分配构成了新的挑战，涉及到诸多要素，如传输路径、设备特征、链路资源、调度流表、交换设备设置等，本发明的动态QoS保障机制有效地改善了静态的手工配置的繁琐和低效，并且提升了网络的可扩展性；

4)融合了面向服务的架构与车载网络的QoS保障。车载设备ECU的虚拟化是目前的趋势，通过软硬件解耦，将部分的软件功能集中到中央计算平台中，通过软件的配置更新提升架构的可扩展性。由此，面向服务的架构逐渐受到关注，我们在这种面向服务的架构的基础上，将QoS保障机制融合车载网络中服务的注册与订阅，建立了有效的QoS保障机制。

附图说明

图1是本发明实施例的一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法的流程图；

图2是本发明实施例中的再协商环节流程图；

图3是本发明实施例的一种车载网络架构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种动态QoS保障机制，面向智能驾驶汽车，基于面向服务的架构，可以使得在整车通信量增多、多种业务类型共存、流量模式多变的情形下，保证整车车载网络中各业务流量的QoS保障需求。通过合理的资源分配，在实现时间敏感流量的确定性低延时通信的同时，保证其他流量的通信能力，并且能够依据业务模式和服务需求动态调整，实现一定的可扩展性和灵活性。

图1是本发明实施例所提供的一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法的流程图。图3是本发明实施例的一种车载网络架构图。参考图3，一种示例性的车载网络主要包括应用层、中央计算平台、网络管理平台、交换单元、控制单元、传感器和执行器。应用层位于网络的最顶层，面向于用户。中央计算平台作为车辆的中央计算处理器，连接于应用层和网络管理平台之间，承担计算和决策的功能，接收各电子设备如传感器、执行器、控制单元等传输的数据信号，通过应用层软件进行归整、计算和决策，如对摄像头、激光雷达、毫米波雷达等传感器通过交换单元调度传输至中央计算平台的数据进行原始数据级别的前端融合，全面感知车辆周围环境，同时综合车辆此刻行驶状态以及云端信息进行决策，输出控制命令，再次通过交换单元转发调度至对应执行器，执行相应操作。网络管理平台承担车载网络管理的功能，本发明实施例的QoS保障方法可实施于网络管理平台。网络管理平台的南向接口即网络接口，面向整个车载网络对流量转发、调度进行配置和管理；北向接口，面向中央计算平台，根据业务应用需求提供接口。交换单元为确定性低延迟交换单元，依据网络管理平台下发的网络配置要求对整车数据进行转发和调度，在车辆中，也可由其他带有网络交换和调度功能的单元承担，如域控制器、整车控制单元等。参考图1，基于如图3所示的车载网络架构，一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，包括如下步骤：

S1、车辆启动时，由网络管理平台首先进行拓扑发现，完成车辆电子电气架构和车载网络中各网络节点的参数导入。

当车辆首次启动时，首先进行汽车电子电气架构及车载网络的物理拓扑发现，包括车载网络终端节点、链路资源等，车载网络的网络节点例如是交换单元、车辆的控制单元、执行器、传感器等，传感器具体包括车辆摄像头、雷达等。网络节点的参数包括节点的拓扑组织方式、发包周期、数据包大小、数据类型和链路参数等。

S2、对所述网络节点对应的各类型的服务，进行服务注册，并同时声明服务的QoS需求。

进行服务注册的地点，由具体的车载网络架构决定，可以在车辆网关或者域控制器等处进行服务注册，为服务订阅者如中央计算平台发布服务内容。进行服务注册时需同时声明服务的QoS需求，若未声明QoS需求，则网络管理平台依据默认需求表进行管理。所述QoS需求可包括QoS类别、端到端时延、带宽和抖动要求等。

QoS类别可根据时延要求进行指定，比如按照表1所示来指定QoS类别：

表1一种QoS分类方法及网络配置设置示例

可根据表1所示制定默认需求表，对于50μS时延要求的服务，将其QoS类别定义为1类，优先级最高，对于这一类的服务比如实时控制流，利用IEEE802.1Qbv机制(门控机制)严格按照设定的时隙进行传输，可以通过数据的周期、大小、路由、链路带宽以及QoS需求，列出流的约束，通过如ILP/SMT等求解方法进行时隙的求解，再将时隙转换为相应的门控周期列表，来进行网络配置。对于300μS时延要求的服务，将其QoS类别定义为2类；对于5mS时延要求的服务，将其QoS类别定义为3类；对于没有时延要求的服务，将其QoS类别定义为4类。对于2类服务和3类服务，利用CBS整形、CQF整形或ATS整形来达到对应的QoS需求，进行传输。对于4类服务，利用严格优先级的实施，在保证前3类流顺利传输的前提下尽力而为地传输。优先级的设定，时延要求越高的流量其优先级设定越高，优先级的设定可在服务中声明，也可通过平台内设需求表依据QoS需求进行分配优先级。

S3、当应用层根据需求订阅服务时，网络管理平台读取所订阅的服务的QoS需求，若读取到QoS需求，则直接进入步骤S4；若未读取到QoS需求，则根据诸如表1的默认需求表进行QoS需求的对应，然后进入步骤S4。

S4、根据服务的QoS需求对已订阅的服务进行网络资源的计算和分配。网络管理平台依据服务的QoS需求计算相应的资源分配方案，进行策略制定，通过不同的优先级分配、流量配置模式实现流量的分级调度。

S5、根据步骤S4的计算和分配结果，为已订阅的服务制定对应的转发和调度策略并下发，完成一次静态配置。完成步骤S4之后，生成对应的配置文件下发到终端设备及交换单元，如优先级配置、队列的分配、CBS整形器的参数设置、TAS整形器中的门控列表配置等等，实现网络的全局资源分配和优化。

S6、车辆运行过程中实时监测应用层服务需求的变化，当应用层的QoS需求发生变更或新增时，根据新增的或变更的QoS需求进行QoS节点的更新，并向订阅端反馈更新后的QoS节点信息，以使订阅端创建相应的与更新后的QoS节点通讯的通讯节点，并向网络管理平台反馈通讯节点的节点信息，同时计算当前网络中剩余的网络资源是否能够满足变更的或新增的QoS需求；如果能够满足，则下发配置文件并建立连接；如果不能满足，则进入步骤S7。

在车辆运行过程中，依据道路环境场景的不同，车辆中有效使用的传感器、ECU以及执行器会有所差别，网络管理平台也因此根据应用层虚拟化的软件系统需求，动态地依据场景的不同订阅不同服务。因此，网络拓扑和服务订阅、流量模式等都可能不断产生变化。由此，当上层应用的服务需求发生变化时，新的服务需求被提出，或者服务发生变更，网络管理平台将依据新的需求进行节点的更新，并反馈节点信息，同时计算当前网络中的剩余资源是否能够满足新增/变更后的服务QoS需求。如果能够满足，则下发配置文件，建立连接。

S7、与之前已经完成配置的网络资源进行再协商，以请求重新配置整车网络资源。

S8、若协商成功，则在牺牲部分非实时流的情况下重新配置整车网络资源，生成对应的配置文件以更新网络配置及节点，并建立连接；

S9、若当前剩余的网络资源不足以进行再协商，即协商失败，则向用户发出网络资源不足的警告，并向用户提供参考解决方案。

如图2所示是再协商环节流程图。参考图2，当上层订阅的服务QoS需求发生变更或者新增QoS需求时，订阅端请求连接并进行新的服务注册和需求声明，网络管理平台读取新的需求并创建对应的QoS节点，此处QoS节点指网络管理平台为管理不同级别的QoS需求而建立的不同类型的节点，然后网络管理平台向订阅端反馈新创建的QoS节点信息，订阅端根据网络管理平台所反馈的QoS节点信息创建与之对应的通讯节点，通讯节点创建成功后订阅端再向网络管理平台反馈通讯节点信息，然后网络管理平台判断当前网络中的剩余资源是否能够满足新增/变更后的服务QoS需求，若满足则直接下发配置文件并建立连接；若不能满足则与已经配置网络资源的原节点建立连接以进行再协商，协同调整网络资源，可在牺牲部分非实时流的情况下重新配置整车网络资源，确保实时流的服务质量，如将一些娱乐系统中的视频流的QoS级别降低，从而保证关键控制流的QoS需求，协商完成后反馈协商结果。如果当前网络剩余资源无法与原节点进行再协商，即无法确保关键实时流的服务质量而影响整车安全性，则通过网络管理平台进行告警，告知车辆管理人员网络资源紧张，当前已无法通过调度合理配置网络资源，并提供参考解决方案，如提高某条网络链路带宽等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、车辆启动时，进行拓扑发现，完成车辆电子电气架构和车载网络中各网络节点的参数导入；

S2、对所述网络节点对应的各类型的服务，进行服务注册，并同时声明服务的QoS需求；

S3、当应用层根据需求订阅服务时，读取所订阅的服务的QoS需求，若读取到QoS需求，则直接进入步骤S4；若未读取到QoS需求，则根据默认需求表进行QoS需求的对应，然后进入步骤S4；

S4、根据服务的QoS需求对已订阅的服务进行网络资源的计算和分配；

S5、根据步骤S4的计算和分配结果，为已订阅的服务制定对应的转发和调度策略并下发，完成一次静态配置；

S6、车辆运行过程中实时监测应用层服务需求的变化，当应用层的QoS需求发生变更或新增时，根据新增的或变更的QoS需求进行QoS节点的更新，并向订阅端反馈更新后的QoS节点信息，以使订阅端创建相应的与更新后的QoS节点通讯的通讯节点，并向网络管理平台反馈通讯节点的节点信息，同时计算当前网络中剩余的网络资源是否能够满足变更的或新增的QoS需求；如果能够满足，则下发配置文件并建立连接；如果不能满足，则进入步骤S7；

S7、与之前已经完成配置的网络资源进行再协商，以请求重新配置整车网络资源；

S8、若协商成功，则在牺牲部分非实时流的情况下重新配置整车网络资源，生成对应的配置文件以更新网络配置及节点，并建立连接；

S9、若当前剩余的网络资源不足以进行再协商，即协商失败，则向用户发出网络资源不足的警告，并向用户提供参考解决方案。

2.如权利要求1所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，所述网络节点包括交换设备以及车辆的传感器、执行器和控制器；所述参数包括网络节点的拓扑组织方式、发包周期、数据包大小、数据类型和链路参数。

3.如权利要求1所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，所述QoS需求包括QoS类别、端到端时延、带宽和抖动要求。

4.如权利要求3所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，根据时延需求指定QoS类别，对不同的QoS类别，给予不同的网络配置。

5.如权利要求4所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，对于50μS时延要求的服务，将其QoS类别定义为1类；对于500μS时延要求的服务，将其QoS类别定义为2类；对于5mS时延要求的服务，将其QoS类别定义为3类；对于没有时延要求的服务，将其QoS类别定义为4类；

对于1类服务，利用IEEE802.1Qbv机制按照设定的时隙进行传输；

对于2类服务和3类服务，利用CBS整形、CQF整形或ATS整形来达到对应的QoS需求；

对于4类服务，则按照优先级进行传输。

6.如权利要求5所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，对于1类服务，通过获取数据的周期、大小、路由、链路带宽以及QoS需求，列出流的约束，进行所述时隙的求解，再将时隙转换为相应的门控周期列表，来进行网络配置。

7.如权利要求5所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，对于时延要求越高的服务，给予越高的优先级。

8.如权利要求5所述的面向服务的智能汽车车载网络QoS保障方法，其特征在于，所述优先级在进行服务注册的同时进行声明，或者根据车载网络平台的内设需求表根据QoS需求进行分配。

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