CN114884998A - 一种协作式软件定义车载网络系统、调度方法及cacc - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种协作式软件定义车载网络系统、调度方法及CACC，该系统包括域控制器单元组、车载中央交换机和车载无线通信单元，各组成部分通过车内通信网络或车际无线通信网络连接，且采用协作式软件定义网络逻辑框架。通过多个调度器动态协同工作来对车内通信网络和车际通信网络中的通讯行为进行主动调控，以保证网联智能驾驶汽车信息跨网多跳传输的同步性和实时性。本发明也提出了一种应用于该系统的调度方法及一种应用该系统的CACC。

Description

一种协作式软件定义车载网络系统、调度方法及CACC
技术领域
本发明属于网联智能驾驶汽车领域，具体涉及一种协作式软件定义车载网络系统、调度方法及CACC。
背景技术
近年来，随着各种先进的通讯技术和计算机技术的不断进步，网联智能驾驶技术已成为智能交通系统的研究热点及重要发展方向。与传统的仅依赖车载传感器的高级驾驶辅助系统（ADAS）不同，具有V2X通信能力的协同自动驾驶系统可以与车辆、基础设施和行人进行交互，以获取超出视觉范围的交通信息，以促进交通安全和效率。与此同时，汽车电子电气架构也在由传统分布式逐渐向域集中式发展，车载网络系统变得越来越复杂。
快速发展的软件定义网络(SDN)近年来被广泛部署在各类网络中，SDN将逻辑控制层面和网络设备层面分离，从而降低对设备的依赖，可以实现更有效的流量管理。然而，网联智能驾驶汽车之间建立的连接并不是静态的，它需要随着车辆的行驶而与周边通信单位建立连接，因此需要多个调度器动态协同工作来保证网联智能驾驶汽车信息跨网多跳传输的同步性和实时性。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种协作式软件定义车载网络系统、调度方法及CACC，不同于传统的SDN系统，本发明提出的协作式软件定义网络系统考虑了网联智能驾驶汽车内外网络融合通信的特点，由参与通信的多个调度器协同调度，充分保证了网络系统的确定性，进而可以为优化网联智能驾驶汽车性能方面提供技术支持。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
一种协作式软件定义车载网络系统，基于协作式软件定义网络逻辑框架，包括：智能驾驶应用层、协作调度层和车载通信数据层；
所述智能驾驶应用层包括：数据融合车载应用模块、协同决策车载应用模块和车辆控制车载应用模块；
所述智能驾驶应用层，用于车辆周边环境感知、驾驶行为决策和车辆运动控制，并产生通讯需求；
所述协作调度层，包括：软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器；
所述协作调度层，用于根据不同车载应用的通讯需求产生协同调度指令，对车内通信网络和车际通信网络中参与提供服务的存储转发实体的通讯行为进行主动调控；
所述车载通信数据层包括域控制器单元组、车载无线通信单元和车载中央交换机，用于接收并执行来自协作调度层的调度指令。
进一步，所述域控制器单元组与车载中央交换机之间通过车内通信网络或车际无线通信网络连接，所述车载无线通信单元与车载中央交换机之间通过车内通信网络或车际无线通信网络连接；
所述域控制器单元组包括：底盘域控制单元、智能座舱域控制单元、智能驾驶域控制单元和能源域控制单元，每个所述域控制器单元中包含相应域控制器和子网络，每个所述域控制器与车载中央交换机通过车载以太网相连；
所述车载中央交换机为每个所述域控制器和车载无线通信单元提供通信接口，用于不同域控制器之间、域控制器与车载无线通信单元之间的车内消息帧转发；
所述车载无线通信单元用于建立不同车辆之间的车际网络通信连接，为车辆提供车际消息帧发送与接收服务。
进一步，所述软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器中的其中之一包括：协同接口模块1、协同接口模块2、北向接口模块、南向接口模块和调度决策模块；
所述协同接口模块1为该调度器与协作调度层其他调度器交互的西向接口模块，负责与左侧调度器进行信息交互；
所述协同接口模块2为该调度器与协作调度层其他调度器交互的东向接口模块，负责与左侧调度器进行信息交互；
所述北向接口模块为该调度器与上层车载应用交互的接口模块，负责将不同车载应用的通信需求发送至调度决策模块；
所述南向接口模块为该调度器与下层车载通信数据存储转发实体交互的接口模块，负责将调度决策模块的调度指令发送至相应的通讯实体；
所述的调度决策模块根据其他调度器信息和上层车载应用的通信需求产生调度指令。
进一步，负责管理车内通信网络的SDN调度器和负责管理车际无线网络的SDIV调度器通过东西向接口模块连接，车内通信网络的SDN调度器与负责管理车际无线网络的SDIV调度器协同工作。
进一步，所述软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器可以作为独立存在的实体通过OpenFlow协议与所管理的通信实体连接，也可以嵌入到车载中央交换机中，通过以太网与所管理的实体连接。
一种调度方法，应用于上述所述的一种协作式软件定义车载网络系统，具体包括：
将一个系统采样周期划分为n个分数型基本周期；
所述软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器根据上层通信需求领取所需的基本周期个数，并将其分配给所管理的通讯实体；
每个通讯实体须在相应的基本周期内完成消息帧的传输。
进一步，所述分数型基本周期长度TBP需满足以下条件：
Figure 700030DEST_PATH_IMAGE001
；
其中
Figure 121784DEST_PATH_IMAGE002
表示求和运算，
Figure 715577DEST_PATH_IMAGE003
为分数型本周期的长度，
Figure 871882DEST_PATH_IMAGE004
为分数型基本周期内的信息传输时间。
进一步，所述基本周期的个数需要满足以下条件：
Figure 842113DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，
Figure 649532DEST_PATH_IMAGE006
为系统采样周期。
一种CACC，包括上述所述的一种协作式软件定义车载网络系统及上述所述的一种调度方法。
进一步，所述CACC包括：预测决策模块、鲁棒跟踪模块和执行模块；
所述的决策模块采用延时容忍的模型预测控制算法，负责根据前车和自车的运动状态信息做出加速度决策；
所述的鲁棒跟踪模块采用鲁棒控制算法，负责根据预测决策模块的加速度决策计算出驱动单元和制动单元的控制命令；
所述的执行模块包括驱动单元和制动单元，负责执行鲁棒跟踪模块的控制命令。
数据融合车载应用模块用于将多传感器信息源的数据加以分析、组合；协同决策车载应用模块用于根据自车状态和道路环境信息与周边车辆协同做出驾驶行为决策；车辆控制车载应用模块用于根据协同决策车载应用模块做出的决策对车辆进行运动控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提出了一种面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统，采用协作式软件定义网络逻辑框架，将逻辑控制层面和车载网络设备层面分离。车内网络和车际网络调度器动态协同工作，保证了网联智能驾驶汽车信息跨网多跳传输的同步性和实时性。
2.本发明提出的一种应用于所述的面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统的调度方法，将系统采样周期细化为更小的分数型基本周期，把车内局域网和车际通信网络中通讯实体的通讯行为安排在确定的分数基本周期中，减小了信息传输延时，提高了消息传输的可靠性。
3.本发明提出的一种CACC应用了所述的面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统和调度方法，并且采用延时容忍的模型预测决策模块与鲁棒跟踪模块相结合的控制框架，可以显著减小跟车辆踪误差，提升行驶安全性。
附图说明
图1为实施例采用的一种面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统结构示意图；
图2为实施例采用的SDN/SDIV调度器结构示意图；
图3为实施例采用的面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统的一种调度方法示意图；
图4为实施例采用的CACC控制架构图。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例
本发明提出了一种面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统，如图1所示，
图1为实施例采用的一种面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统结构示意图，包括域控制器单元组、车载中央交换机和车载无线通信单元，各组成部分通过车内通信网络或车际无线通信网络连接，且采用协作式软件定义网络逻辑框架。域控制器单元组包括底盘域控制单元、智能座舱域控制单元、智能驾驶域控制单元、能源域控制单元，各域控制器单元中包含相应域控制器和子网络，各域控制器与车载中央交换机通过车载以太网相连。车载中央交换机为各域控制器和车载无线通信单元提供通信接口，用于不同域控制器之间、域控制器与车载无线通信单元之间的车内消息帧转发。车载无线通信单元用于建立不同车辆之间的车际网络通信连接，为车辆提供车际消息帧发送与接收服务。
协作式软件定义网络逻辑框架包括智能驾驶应用层、协作调度层、车载通信数据层。智能驾驶应用层主要包括数据融合、协同决策、车辆控制等车载应用模块；协作调度层主要包括软件定义网络（SDN）调度器n、SDN调度器n+1和软件定义车联网（SDIV）调度器i，用于根据不同车载应用的通讯需求产生协同调度指令，对车内通信网络和车际通信网络中参与提供服务的存储转发实体的通讯行为进行主动调控；车载通信数据层包括域控制器组、车载无线通信单元和车载中央交换机，其接收并执行来自协作调度层的调度指令。
在本发明所述的面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统中，车内和车际网络中的消息存储转发行为均由该局域网的调度器管理。如图1中车辆n的车内局域网络由SDN调度器n进行管理，车辆n+1的车内局域网络由SDN调度器n+1管理，两车之间的车际网络由SDIV调度器i管理。负责管理车内通信网络的SDN调度器和负责管理车际无线网络的SDIV调度器通过东西向接口模块连接，内外网络调度器动态协同工作，以保证网联智能驾驶汽车信息跨网多跳传输的同步性和实时性。
图2为实施例采用的面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统调度器结构示意图，包括协同接口模块1、协同接口模块2、北向接口模块、南向接口模块和调度决策模块。协同接口模块1为该调度器与协作调度层其他调度器交互的西向接口模块，负责与左侧调度器进行信息交互；协同接口模块2为该调度器与协作调度层其他调度器交互的东向接口模块，负责与左侧调度器进行信息交互；北向接口模块为该调度器与上层车载应用交互的接口模块，负责将不同车载应用的通信需求发送至调度决策模块；南向接口模块为该调度器与下层车载通信数据存储转发实体交互的接口模块，负责将调度决策模块的调度指令发送至相应的通讯实体；调度决策模块根据其他调度器信息和上层车载应用的通信需求产生调度指令。调度器可以作为独立存在的实体通过南向接口模块使用OpenFlow协议与所管理的通信实体连接；也可以嵌入到车载中央交换机中，通过以太网向所管理的实体下发调度指令。
图3为应用于实施例采用的面向网联智能驾驶汽车的协作式软件定义网络系统的一种调度方法，具体包括：将一个系统采样周期划分为n个分数型基本周期（BP）；每个调度器根据上层通信需求领取所需的基本周期个数，如图3中SDN调度器n占用第1-3个基本周期，SDIV调度器i占用第4-5个基本周期，SDN调度器n+1占用第6-9个基本周期，并将其分配给所管理的通讯实体；在每个调度器所管理的通讯实体开始消息帧传输之前，调度器向其管理的所以通讯实体发送同步帧（SYN），以确保各个传输节点的时钟同步，每个通讯实体须在相应的基本周期内完成消息帧的传输。
分数型基本周期长度TBP需满足以下条件：
Figure 887660DEST_PATH_IMAGE007
；
其中
Figure 780529DEST_PATH_IMAGE002
表示求和运算，
Figure 23292DEST_PATH_IMAGE003
为分数型本周期的长度，
Figure 170371DEST_PATH_IMAGE004
为分数型基本周期内的信息传输时间。
基本周期的个数需要满足以下条件：
Figure 840386DEST_PATH_IMAGE008
；
其中
Figure 220552DEST_PATH_IMAGE009
为第j个基本周期的长度，
Figure 1426DEST_PATH_IMAGE010
为系统采样周期。
图4为实施例采用的协同自适应巡航（CACC）系统控制架构图，包括预测决策模块、鲁棒跟踪模块和执行模块。决策模块采用延时容忍的模型预测控制算法，负责根据前车运动状态
Figure 534170DEST_PATH_IMAGE011
和自车的运动状态信息
Figure 375087DEST_PATH_IMAGE012
决策出期望加速度
Figure 242549DEST_PATH_IMAGE013
；鲁棒跟踪模块采用鲁棒控制算法，负责根据预测决策模块的加速度决策计算出所需的驱动力矩
Figure 577846DEST_PATH_IMAGE014
和制动力矩
Figure 214364DEST_PATH_IMAGE015
；执行模块包括驱动单元和制动单元，负责执行鲁棒跟踪模块的控制命令。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种协作式软件定义车载网络系统，基于协作式软件定义网络逻辑框架，其特征在于，包括：智能驾驶应用层、协作调度层和车载通信数据层；
所述智能驾驶应用层包括：数据融合车载应用模块、协同决策车载应用模块和车辆控制车载应用模块；
所述智能驾驶应用层，用于车辆周边环境感知、驾驶行为决策和车辆运动控制，并产生通讯需求；
所述协作调度层，包括：软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器；
所述协作调度层，用于根据不同车载应用的通讯需求产生协同调度指令，对车内通信网络和车际通信网络中参与提供服务的存储转发实体的通讯行为进行主动调控；
所述车载通信数据层包括域控制器单元组、车载无线通信单元和车载中央交换机，用于接收并执行来自协作调度层的调度指令。
2.根据权利要求1所述的一种协作式软件定义车载网络系统，其特征在于，所述域控制器单元组与车载中央交换机之间通过车内通信网络或车际无线通信网络连接，所述车载无线通信单元与车载中央交换机之间通过车内通信网络或车际无线通信网络连接；
所述域控制器单元组包括：底盘域控制单元、智能座舱域控制单元、智能驾驶域控制单元和能源域控制单元，每个所述域控制器单元中包含相应域控制器和子网络，每个所述域控制器与车载中央交换机通过车载以太网相连；
所述车载中央交换机为每个所述域控制器和车载无线通信单元提供通信接口，用于不同域控制器之间、域控制器与车载无线通信单元之间的车内消息帧转发；
所述车载无线通信单元用于建立不同车辆之间的车际网络通信连接，为车辆提供车际消息帧发送与接收服务。
3.根据权利要求1所述的一种协作式软件定义车载网络系统，其特征在于，所述软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器中的其中之一包括：协同接口模块1、协同接口模块2、北向接口模块、南向接口模块和调度决策模块；
所述协同接口模块1为该调度器与协作调度层其他调度器交互的西向接口模块，负责与左侧调度器进行信息交互；
所述协同接口模块2为该调度器与协作调度层其他调度器交互的东向接口模块，负责与左侧调度器进行信息交互；
所述北向接口模块为该调度器与上层车载应用交互的接口模块，负责将不同车载应用的通信需求发送至调度决策模块；
所述南向接口模块为该调度器与下层车载通信数据存储转发实体交互的接口模块，负责将调度决策模块的调度指令发送至相应的通讯实体；
所述的调度决策模块根据其他调度器信息和上层车载应用的通信需求产生调度指令。
4.根据权利要求3所述的一种协作式软件定义车载网络系统，其特征在于，负责管理车内通信网络的SDN调度器和负责管理车际无线网络的SDIV调度器通过东西向接口模块连接，车内通信网络的SDN调度器与负责管理车际无线网络的SDIV调度器协同工作。
5.根据权利要求4所述的一种协作式软件定义车载网络系统，其特征在于，所述软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器可以作为独立存在的实体通过OpenFlow协议与所管理的通信实体连接，也可以嵌入到车载中央交换机中，通过以太网与所管理的实体连接。
6.一种调度方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任意一项所述的一种协作式软件定义车载网络系统，具体包括：
将一个系统采样周期划分为n个分数型基本周期；
所述软件定义网络SDN调度器、SDN调度器和软件定义车联网SDIV调度器根据上层通信需求领取所需的基本周期个数，并将其分配给所管理的通讯实体；
每个通讯实体须在相应的基本周期内完成消息帧的传输。
7.根据权利要求6所述的一种调度方法，其特征在于，所述分数型基本周期长度TBP需满足以下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中
Figure 722296DEST_PATH_IMAGE002
表示求和运算，
Figure 981239DEST_PATH_IMAGE003
为分数型本周期的长度，
Figure 266727DEST_PATH_IMAGE004
为分数型基本周期内的信息传输时间。
8.根据权利要求6所述的一种调度方法，其特征在于，所述基本周期的个数需要满足以下条件：
Figure 410264DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 464807DEST_PATH_IMAGE008
为系统采样周期。
9.一种CACC，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的一种协作式软件定义车载网络系统及权利要求6-8中任一项所述的一种调度方法。
10.根据权利要求9所述的CACC，其特征在于，包括：预测决策模块、鲁棒跟踪模块和执行模块；
所述的决策模块采用延时容忍的模型预测控制算法，负责根据前车和自车的运动状态信息做出加速度决策；
所述的鲁棒跟踪模块采用鲁棒控制算法，负责根据预测决策模块的加速度决策计算出驱动单元和制动单元的控制命令；
所述的执行模块包括驱动单元和制动单元，负责执行鲁棒跟踪模块的控制命令。
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