CN116584073A - 在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法 - Google Patents
在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116584073A CN116584073A CN202180082149.7A CN202180082149A CN116584073A CN 116584073 A CN116584073 A CN 116584073A CN 202180082149 A CN202180082149 A CN 202180082149A CN 116584073 A CN116584073 A CN 116584073A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- node
- nodes
- control unit
- bus
- ethernet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims description 32
- 230000006855 networking Effects 0.000 title description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 101100172132 Mus musculus Eif3a gene Proteins 0.000 description 1
- 108700009949 PTP protocol Proteins 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L12/00—Data switching networks
- H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
- H04L12/40—Bus networks
- H04L12/40143—Bus networks involving priority mechanisms
- H04L12/40156—Bus networks involving priority mechanisms by using dedicated slots associated with a priority level
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L12/00—Data switching networks
- H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
- H04L12/40—Bus networks
- H04L12/4013—Management of data rate on the bus
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L12/00—Data switching networks
- H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
- H04L12/40—Bus networks
- H04L12/40006—Architecture of a communication node
- H04L12/40019—Details regarding a bus master
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L47/00—Traffic control in data switching networks
- H04L47/70—Admission control; Resource allocation
- H04L47/82—Miscellaneous aspects
- H04L47/821—Prioritising resource allocation or reservation requests
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L12/00—Data switching networks
- H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
- H04L12/40—Bus networks
- H04L2012/4026—Bus for use in automation systems
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L12/00—Data switching networks
- H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
- H04L12/40—Bus networks
- H04L2012/40267—Bus for use in transportation systems
- H04L2012/40273—Bus for use in transportation systems the transportation system being a vehicle
Abstract
该方法包括以下步骤：a)头节点确定活动节点的数量；b)头节点将已标识的节点分类为两个或更多个节点类别，以对以太网通信进行优先级排序；c)头节点从多个节点中的至少一部分节点接收预留请求；d)响应于预留请求，将即将到来的通信窗口中为一个或多个节点指派时隙，所述指派基于节点优先级，该优先级是根据节点的类别而被分配给节点的，其中，在确定活动节点的数量后，计算总线周期长度并且确定休眠或不活动或有缺陷的节点的数量，其中，信标总线周期是根据总线周期长度能够缩短的程度来确定的。
Description
技术领域
本发明涉及一种在机动车辆的以太网车载网络内在部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法、一种控制设备以及一种以太网车载网络。
背景技术
随着10Mbit/s(IEEE802.3ch)的出现，除了100Mbit/s、1000Mbit/s和正在进行的千兆位标准化之外，其他的以太网标准也将会用于汽车应用。
新标准的一个变体是基于CSMA/CD的多点(MultiDrop)模式。这与其他以太网变体(>10Mbit/s)有很大不同，因为它追求的目标是能够更成本有效地设计以太网，从而也能解决更简单的控制设备。这种标准不需要任何交换机(交换机IC)，而是被设计成总线(类似于CAN)。这大约将所需的PHY(收发器/端口物理层)数量减半。因此，由于能够大大降低系统成本，以太网正在成为CAN/CAN-FD和FlexRay的有力竞争对手。此外，典型的汽车接口(如SPI而不是xMII)也能用于控制器与物理收发器/端口物理层(PHY)之间的通信。
图1比较了交换式以太网与如IEEE标准IEEE P802.3cg中定义的“总线以太网”(多点)的基本特征。在此最重要的区别是，资源(即总线访问)在交换式以太网中仅独家地可用，这意味着在每个时间每个以太网节点(ECU)都需要进行传输，而在这个过程中不会发生冲突。在具有多点模式的新的以太网总线实施方式中使用了共享介质，也就是说，在这个资源可用之前必须等待总线访问。
IEEE P802.3cg标准特别使用了一种新定义的机制(PLCA——物理层冲突避免)来避免在总线访问期间的冲突并实施公平访问。在这种情况下，在任何时候都确切地只有一个PHY(物理收发器)能接收对总线的访问。这使得避免冲突成为可能。访问是基于所谓的轮询(round-robin)方法。总线上的每个ECU(节点)都有机会在定义的周期(或序列)内进行一次传输。
承担网络控制器的功能所谓的头节点在这种情况下确定周期并在总线上传输重复出现的“信标”。因此，各节点基于其先前定义的身份ID(这确定了关于它们何时被允许进行传输的顺序)启动定时器，并且在所述定时器到期并且认识到轮到它们之后，这些节点被允许进行传输。
图2示出了以太网总线上的通信的基本序列。在传输信标之后，就轮到节点0，并且当这个节点完成其传输后，再允许下一个节点进行传输(通常情况下，在各时隙中分别只能传输单个以太网帧)。
图3展示了具有分支线的以太网总线的物理表示。
EP 2 585 940 A1描述了用于在被管理网络中调度网络通信的系统和方法可以包括识别多个网络节点的网络控制器；网络控制器将所识别的网络节点分类为两个或更多个节点类别，以便在节点层面对网络通信进行优先级排序；该网络控制器从多个网络节点中的至少一些网络节点接收预留请求，其中，这些预留请求为其相应的网络节点在即将到来的通信窗口中请求一个或多个时隙；并且该网络控制器响应于预留请求将即将到来的通信窗口中的时隙分配给一个或多个网络节点，其中，该分配基于这些网络节点的优先级，并且其中，该优先级是根据这些节点的类别而被分配给这些节点的。该专利申请描述的是网络控制器创建周期介质访问规划(MAP)，其中，在每个周期中定义了网络节点的访问操作。基础是所需的服务质量、来自相应节点的预留请求及其优先级/次优先级，网络控制器根据这些内容创建MAP。网络控制器也可以在没有预留请求的情况下自动发送MAP消息。
在US 2005 213 503A1中，根据某些描述的实施方式，协调设备基于来自先前未满足的带宽分配请求的信息执行带宽分配程序，并对当前的带宽分配请求做出响应。当前带宽分配请求为多个流指定当前请求的带宽量，并且可以从具有多个流的多个实体接收这些当前带宽分配请求。当针对当前请求的带宽量在多个流或多个实体之间分配可用带宽时，会考虑到来自先前未满足的带宽分配请求的信息。在规划网络节点的总线访问时，头节点也会考虑到前一个周期中的“未服务”访问预留。
与(如具有100/1000Mbit/s等的)交换式网络不同，如所描述地，不能以10Mbit/s立即访问总线，而是需要等待相应的时间。
部分联网(又称休眠/唤醒)将成为对于机动车辆来说越来越重要的功能，例如，对于以太网总线也是如此。在这种情况下，根据需要(也经由总线)唤醒控制设备或使其进入休眠，以便例如节省能源或启动这些控制设备。
与其他以太网类型相比，10Mbit总线提供的数据速率明显较低，这就是在此必须特别考虑数据传输的效率和传输的等待时间或者说访问时间的原因。如果安全性也成为10Mbit/s系统的一部分，那么几乎没有任何剩余的数据速率留给有效载荷数据，这类似于当前的CAN-FD实施方式的情况。
利用部分联网的功能，需要额外考虑总线的访问时间和效率，因为这是标准中没有考虑的新场景。
图4展示了一般问题。对于休眠或有缺陷的节点(控制设备)，带宽被浪费/带宽保持可用于所有节点。这限制了总线的带宽并且不必要地消耗了资源。
目前的问题在于，标准仅允许每一周期传输一帧，因此，随着总线上订户数量的增加，用于相应的节点(在此特别是主节点或头节点)的剩余数据速率会下降。
头节点要么在车载主机、网关、融合单元中实施，要么通常在区域控制器中实施，也就是说，通常在也要进行更新或诊断查询的同一控制设备上实施。
众所周知，要使用所谓的突发模式，在该突发模式下，节点在其周期期间能够发送至多255个数据包，但这种模式需要静态地预配置和维持。
在部分自动以及高度自动驾驶中，对车辆的要求越来越多，这需要传输网络和协议提供硬性实时支持，就像目前飞行器或工业自动化中已经出现的情况一样。
车载网络在未来也将比现在灵活得多。在操作期间，当不需要节点时就停用这些节点(这也称为部分联网)。这进而意味着，车载网络在运行时将在很大程度上动态改变。这些功能已经实施并在2020年进入批量生产。
发明内容
本发明的目的是，以低成本、低耗费的方式对新的以太网技术进行适配。
该目的通过权利要求1所述的方法、权利要求4所述的控制设备和权利要求6所述的以太网网络的特征实现。
有利地，通过本发明在成本和实施复杂性方面对新的以太网技术进行适配，以使之适用于机动车辆。
本发明提出了一种使总线周期适配于头节点的数据速率要求的方法。这意味着可以根据需要将更多的带宽动态地分配给头节点。本发明提出了一种方法，该方法根据要传输的数据的大小适配总线周期，从而不违背下载/更新对传输时间的要求。在这种情况下，该方法计算出在什么时间必须提供多少带宽。但是，该过程中的方法始终考虑到标准，并且不必对其他节点进行干预。
如图5所示，本发明的披露内容提出了根据当前和未来的网络行为来动态地对“总线周期”或信标传输时间进行适配的方法。换句话说，如图6所示，通过移除未使用的传输时隙并移动这些传输时隙来相应地对总线进行适配，使得其他节点因此能够更快地访问总线。到目前为止，还没有这方面的规定，但这可以在不使用新硬件的情况下仅使用软件和配置来实施，而不会产生更多耗费。
根据本发明的方法的解决方案和优点在于，个性他地缩短和适配时间表或总线周期。通过更早地传输信标帧(在图6中示为B')，随后的总线周期始终能够更早地执行。单独节点的传输时隙的大小可以介于64字节与1522字节之间，并且仅为了简单起见，这些传输时隙始终以相同的大小示出。
通过本发明可以有利地提高基于传感器的应用(例如自动驾驶、数据记录器、诊断)的执行质量。这一概念可以在没有更多耗费(硬件成本)的情况下实施，并同时符合标准。
在机动车辆中使用新引入的以太网协议需要的是，利用了简单的技术和给定的技术性质的机制，以便能够在无需昂贵的实施方式和另外的附加硬件的情况下实现。根据本发明的网络系统在可靠性方面得到了改进。借助基于软件的方法，大陆集团(Continental)可以充分利用其ECU或网络，并为客户提供更多功能。
特定于应用来确定更准确并可预测的延迟的优点在于，改进了车辆中通信的规划和执行。这意味着，能够更高效地使用现有的总线系统，并且能够避免跳转到具有更高带宽的昂贵技术。这还会影响所需的缓冲存储，于是该缓冲存储就可以被省去或被设计得更小。可以由此改进不同数据的融合(例如超声、雷达或麦克风)，并且使之更加准确。此外，对数据的记录可以变得更加精确。
现在，应用都是根据平台定制或适配于平台的。本发明阐述的方法使得软件的设计在某种程度上更加灵活并使底层系统得到最好的利用，而不必事先将其永久地编程到软件中。出发点是所谓的最差情况，其需要花费资源和金钱并且有损质量。本发明允许软件开发人员和软件架构师提供可以更灵活且更精确地根据应用实例的要求定制的软件/应用。将所描述的方法并入软件中允许在各自的情况下在控制设备内进行优化。这意味着软件可以以更加依赖平台的方式开发。
例如，在可以由此影响总线效率并且控制设备不再浪费时间“等待”(不幸的是，10Mbit/s技术必须如此)的情况下，部分联网作为系统功能对整个系统有甚至更大的影响。
新技术在机动车辆中可以不再受到阻碍。比如IP、AVB和TSN等协议具有数千页的规范和测试套件。这些新协议在机动车辆中的可控性并不是立即就能得到的。
本发明的一个优点在于，不必改变平常的硬件，而是可以继续使用现有的硬件。新方法可以集成到现有网络中，而不会损坏现有设备。由于可以使用现有协议，因此不违反标准。特别地，这些传感器应当尽可能便宜，以服务大众市场。如果能够省去如电缆/插头等更昂贵的接口，这意味着能提供更大的附加价值。另外，数据到达总线的速度越快，数据质量就越好，并且需要的等待和/或存储就越少。
该方案解决了信标周期时间只与总线及其配置相关、但不与单独节点或其要求相关的问题。新架构的基本变革的突出之处在于，将软件集中在越来越少的计算单元上。这些所谓的服务器或中央计算机不再由仅一个μC或μP组成，而是包含几个μC、μP、SOC以及具有大量端口的以太网交换机。这些服务器或中央计算机在各自的情况下用单独的软件表示其自身的本地网络，这也意味着相应的软件组件不(无法)知道它们正在与例如位于同一壳体的组件进行通信。具有中央服务器的域架构是已知的。在此，一方面，服务器包含许多强大的处理器，并且另一方面，大量的软件或应用在其上执行。控制设备内的通信工作量是巨大的，并且这表示其自身的本地网络。在未来，车辆的所有软件都将在此执行，并且每个控制器都具有由不同的供应商提供的其自身的软件栈。
将功能和应用(动态地)转移到其他控制设备/处理器(即，也为了优化它们)的概念是已知的。这被称为实时迁移、重新分配或迁移。将软件转移到其他ECU/处理器的系列应用是已知的。
因为硬件变得越来越普遍并且软件对平台的依赖性也越来越小，借助于新的架构，现在首次有可能也在不同的ECU上实施软件，而在此之前，所有的功能和ECU都不能做到这一点。因此，在设计系统时，什么软件将在什么控制设备(服务器)上运行并不总是确定的。然而，软件的转换在此并不限于ECU到ECU的操作，而是更适用于同一ECU内控制器到控制器的操作。
本发明的描述和优点
这一概念可以在没有额外的财政支出(比如硬件成本)的情况下实施，并同时符合标准。在机动车辆中使用新引入的以太网协议需要的是，利用简单的技术和给定的技术性质的机制，以便能够在无需昂贵的实施方式和另外的附加硬件的情况下实现。根据本发明的网络系统在可靠性方面得到了改进。
特定于应用来确定更准确并可预测的延迟的优点在于，改进了车辆中的通信的规划和执行。这意味着能够更高效地使用现有的总线系统，并且能够避免跳转到昂贵的技术(更高的带宽)。这还会对需要的缓冲存储产生影响，于是该缓冲存储可以被省去(或缩小)。可以由此改进不同数据的融合(例如超声+雷达或麦克风)，并且使之更加准确。此外，对数据的记录可以变得更加精确。
在软件更新的情况下，可以通过本发明报告返回更真实的时间窗口，而不必假设最差情况。因此，可以进行下载/更新，否则其将永远不会开始或可能以后才会开始。
根据本发明的方法的用途可以用于使用10Mbit/s以太网的其他工业领域中，比如工业自动化。
发明内容
有利地，该目的是通过一种在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法实现的，其中，该方法包括：
a)由头节点确定活动节点的数量；
b)由头节点将所标识的节点分类为两个或更多个节点类别，以对以太网通信进行优先级排序；
c)由头节点从多个节点中的至少一部分节点接收预留请求；
d)响应于预留请求，在即将到来的通信窗口中为一个或多个节点指派时隙，所述指派基于节点优先级，该优先级是根据节点的类别而被指派给节点的，在确定活动节点的数量后，计算总线周期长度并且确定休眠或不活动或有缺陷的节点的数量，其中，信标总线周期是根据该总线周期长度能够缩短的程度来确定的。
在该方法的一个有利的实施例中，总线利用率被连续监测，通过较早地传输信标(B')来较早地执行随后的总线周期。
该方法的另一有利实施例的突出之处在于，在确定休眠节点的总线位置(节点ID)之后，执行检查以确定是否存在总线位置(节点ID)更高的、不表示不活动的休眠节点的节点，优化活动节点的总线位置(节点ID)。
该方法的另一有利实施例的突出之处在于，在确定必要的下载数据速率之后，确定该以太网网络的最后一个总线周期中该以太网网络中的当前空闲数据速率(Dfrei)，并确定每个总线周期的必要数据速率(Dzus)，其中，如果该以太网网络的最后一个总线周期中该以太网网络中的空闲数据速率(Dfrei)大于或等于该每个总线周期的必要数据速率(Dzus)，则在下一个总线周期中不做任何改变，并且如果该以太网网络的最后一个总线周期中该以太网网络中的空闲数据速率(Dfrei)小于该每个总线周期的必要数据速率，则在下一个总线周期中做出改变。
特别有利的是，通过一种用于以太网的控制单元来实施，该控制单元作为第一节点——该第一节点作为控制单元——被设计为：向该以太网车载网络的第二控制单元发送信号并从该第二控制单元接收信号；确定在到第二控制单元的连接路径上的信号传播时间；基于该传播时间来确定连接路径的最大速度；基于该最大速度来确定该连接路径的传输介质的类型，该控制单元至少包括微处理器、易失性存储器和非易失性存储器、至少两个通信接口、可同步定时器/时钟，该非易失性存储器包含程序指令，这些程序指令在由该微处理器执行时，能够实施并且执行根据本发明的方法的至少一个实施例。
特别有利的是通过一种用于机动车辆的以太网网络来实施，该以太网网络具有第一控制单元和第二控制单元，其中，这些控制单元经由至少一个连接路径彼此连接，并且该第一控制单元被设计为执行根据本发明的方法。
该以太网车载网络的特别有利的实施例的突出之处在于，该以太网网络具有第三控制单元，该第三控制单元仅间接连接至该第一控制单元并通过第三连接路径直接连接至该第二控制单元，其中，该第三控制单元被设计为确定该第三连接路径上的第三信号的传播时间，其中，该第一控制单元被设计为，通过给第三控制单元的服务消息来触发对第三信号传播时间的确定。
通过实施本发明披露的方法，可以使用具有更高的质量和耐久性的独立于平台的软件。本发明可以用于具有时钟同步组件和嵌入式系统的其他通信系统。
附图说明
在附图中描绘了本发明的示例性实施例并且以下将对其进行更详细的描述。在附图中：
图1示出了以太网总线(10Mbit/s)与交换式网络之间差异的简化图；
图2示出了在以太网总线上通信的基本流程；
图3示出了具有分支线的以太网总线的物理表示；
图4示出了在存在休眠节点的情况下，总线不仅会浪费大量带宽，而且还会不必要地增加其他节点的延迟；
图5示出了传输时间窗口的动态适配；
图6示出了独特地缩短和适配时间表或总线周期的解决方案和优点；
图7示出了对不必要那么长的时间表进行缩短的另一示例，其中示出了未进行在此提出的优化(上面)的情况和进行优化/缩短后(下面)的情况；
图8示出了利用最小值和最大值计算下一个信标周期；
图9示出了基于活动节点/休眠节点的位置(在此：节点ID)确定信标的发送时间；
图10示出了在不活动的订户仅位于总线“末端”(最大节点ID)处的情况下通过较早地传输下一个信标帧来缩短和优化周期时间；
图11以仅存在一个休眠节点(ID 2)的示例示出了总线周期的各种优化选项。
具体实施方式
图1示出了以太网总线(10Mbit/s)与交换式网络之间差异的简化图示。
本发明的披露内容提出了一种新的方法，其用于优化汽车10Mbit/s总线上的数据传输效率并减少节点的总线访问时间。
图2示出了在以太网总线上通信的基本流程。在传输信标之后，首先轮到节点0，并且当这个节点完成其传输后，再允许下一个节点进行传输(通常情况下，在各时隙中分别只能传输单个以太网帧)。
本发明方法的基本理念描述了总线周期的动态适配。与FlexRay不同的是，这没有负面或考虑不周的影响。这些节点没有固定限定的时间窗口，只是遵循一定顺序。头节点也不知道哪些数据是被节点事先发送的。
图3示出了具有分支线的以太网总线的物理表示。
该方法首先确定总线上的所有订户。这通常是静态预配置的，因为头节点需要知道订户的数量以便调度流量。
图4示出了在存在休眠节点的情况下，总线不仅会浪费大量带宽，而且还会不必要地增加其他节点的延迟。
图5示出了传输时间窗口的动态适配。于是，头节点确定总线上所有的休眠或有缺陷或不活动的节点。在此，可以区分这些节点当前是正在休眠、还是已知其将在未来某个时间是不活动的——在此背景下休眠或不活动意味着这些节点不参与总线通信(即，既不主动(传输用户数据)通信、也不被动(接收用户数据)通信)。头节点经由较高的软件层或应用接收此信息，该信息通过来自总线上的一个或该订户的消息来传送，该消息例如是由于节点的错误状态而导致的对休眠/唤醒信号的响应，例如通过来自网络管理的请求、对协议的检查、在节点上对寄存器的读取得到。
图6示出了独特地缩短和适配时间表或总线周期的解决方案和优点。通过更早地传输信标帧(示为‘B’)，随后的周期始终能够更早地执行。单独节点的传输时隙的大小可以为64字节到1522字节，仅为了简单起见，这些传输时隙始终以相同的大小示出。
图7示出了对不必要那么长的时间表进行缩短的另一示例，其中示出了未进行在此提出的优化(上面)的情况以及进行了优化/缩短后(下面)的情况。
图8示出了利用最小值和最大值计算下一个信标周期。
信标周期(或何时传输下一个信标或总线上有多少节点是活动的)可以通过确定休眠或有缺陷或不活动的订户的数量来计算。就其本身而言，利用剩余的活动节点的数量，不管这些节点的ID是什么，首先可以计算出可以在总线上节省多少时间或者总线周期能够缩短多少。
如果正常模式下的周期长度：
Z＝订户*(传输窗口+帧大小)，则其一般地被减小为
Z'＝(订户-非活动订户)*(传输窗口+帧大小)。
图9示出了基于活动节点/休眠节点的位置(在此：节点ID)确定信标的发送时间。
总线上的所有节点都具有唯一ID。该方法使用节点的总数和ID来确定每个总线周期的休眠订户的位置。汽车10Mbit/s以太网总线上的订户的数量受到总线拓扑结构的限制，因此很容易获得在休眠或可能故障的节点“后面”是否存在活动节点(休眠节点ID<活动节点ID)的概况。
如果直到最大ID都不再有活动节点，则调整信标周期，使得信标被设置在第一休眠节点的传输时隙(所谓的传输机会)之前，这样前面只有活动节点，而将休眠节点在后面。此方法假设在休眠节点后面(也就是说更大的ID)没有另外的活动节点或ECU、传感器，如图10所示。这种情况的概率相对较高，因为如今汽车环境中的10Mbit/s以太网总线系统通常被设计用于8个ECU。
图10示出了在不活动的订户仅位于总线“末端”(最大节点ID)处的情况下，通过较早地传输下一个信标帧来缩短和优化周期时间。
然而，针对总线上ID较小的节点不再参与的情况，本发明提出了对订户的ID进行调整或优化。
根据本发明，在这方面有若干提议，如图11所示。对这些方法的选择或组合可以根据应用情况进行调整：
将总线上ID较大的所有活动订户的ID都事先减少休眠节点数。例如，如果ID 3正在休眠，则将ID 4减少一。这保持了总线订户的传输顺序。
另一种可能是用ID最大的订户来填补休眠ID。如果ID 3正在休眠，则将此ID重新分配给最大的一个(例如ID 8)。尽管这改变了总线订户的顺序，但减少了需要重新配置的总线订户。
图11使用仅存在一个休眠节点(ID 2)的示例示出了用于优化总线周期的各种选项。
为了避免对总线周期进行无用的优化或调整，该方法提出确定当前总线利用率。当前利用率可以通过最后信标的时间差和参与节点的数量来确定。如果总线利用率很低，则可以从统计学上假设它不会在下一个周期突然增加。然而，仍然可以对任何变化做出反应，因为提出了连续监测总线利用率。
在最后一个步骤中，根据所需的数据速率来调整总线周期。稍后将为此提出两种可能性。
在一个有利的子步骤中，可以确定将必要的数据速率与当前总线容量进行比较的方法。首先，在此计算出与10Mbit总线有关的必要的下载数据速率。然后，由头节点确定活动节点的数量。确定不活动订户(要么只是被动侦听，要么处于错误状态，要么处于休眠模式)的时隙，并且通过用于头节点的方法使其可用，这种时隙被称为Dfrei。
这已经造成了对总线的优化，而在过程中没有主动干预正在进行的通信，在过程中也没有使节点缄默。然后，也可以向应用报告回真实的数据速率，而不必总是在过程中假设最坏的情况。这节省了存储器，并为应用、可能还有驱动器提供了真实的时间窗口。这种方法是对周期进行优化的第一步骤。
描述了另一个可能的优化步骤，以防止总线上的其他订户(当然除了头节点以外)的子集(或全部)基于所计算的、头节点处必要的数据速率进行传输，并因此减少用于下载(或安全性更新)的周期时间，使得头节点能够提供其必要的数据速率，即使根据正常的总线操作没有足够的带宽可用的情况下也是如此。为此，不断比较头节点在当前周期内仍需传输的数据量，其中，该值被视为限值，其在该周期内不得低于0，为此该周期将在传输下一个信标之前终止。这种方法对其他总线订户具有最高的可能公平性，因为只有在一定的容限内，头节点才会需要多少带宽就使用多少带宽，其余的带宽仍然可供后续节点使用。无法确切地预测由于此剩余带宽在一个周期内仍能传输的节点数量，因为每个总线订户可能介于0字节(完全不传输数据)、64字节(传输最小以太网帧)与1522字节(传输最大以太网帧)之间。
为了进一步提高公平性，建议在节点不能再进行传输并且周期被下一个信标终止(因为该时隙中的剩余所需数据速率低于潜在的最大以太网帧)的情况下，将“剩余带宽”带入下一个周期，并在该下一个周期释放给其他总线订户使用。通过这种方式，尽管头节点处的带宽要求得到满足，但仍可以建立一种“结余”。
然而，为了防止结余增加太多从而有可能造成大的数据突发(在这种情况下，许多其他总线订户能够不受阻碍地传输大量的数据)，还同样提出限制结余的增加，要么在时间方面进行限制(通过在以秒为单位的可配置的时间段后饱和或重置结余)，要么通过周期计数器进行限制(在可配置数量的总线周期后饱和或重置结余)。
这种类型的周期优化并不是可设想的唯一优化。“不公平”与“最大可能的公平”之间的中间解决方案可能是更简单的方法，例如，在该更简单的方法中，只允许头节点在几个周期内进行传输，并相应地迅速建立起大的结余。从一定的阈值起，通过插入使得所有节点在其必须再次“闲置”一定数量的周期之前有机会在其中进行传输的周期，从而可以一次性地减少这种结余。如果需要，为了简化该方法，这种变体也可以在不考虑任何结余的情况下来实施，而只是根据周期的数量——例如“99个周期为只有头节点进行传输，然后1个周期为所有节点都进行传输”——来实施。然而，在这种情况下，不能排除头节点的数据速率存在一定的抖动(差异/偏差)。
根据本发明的方法可以通过替代性方法步骤执行，凭借这些方法步骤，在确定活动节点的数量后，确定未使用的传输可能性，由此计算出每个时间单位的头节点的绝对数据速率。
在下文中，本发明针对已经呈现的方法提出了，确定通信伙伴或其应用的可信度。只要确定这种可信度，就可以执行敏感数据的交换。
例如，服务器上的头节点通常经由MII(介质独立接口)或PCI Express连接在PCB(印刷电路板)上，并且因此可以始终在没有收发器(PHY)的情况下进行管理。
以太网收发器(PHY)会导致3位数纳秒范围内的延迟。这听起来很小，但第2层(MAC)的延迟大约在1位数的纳秒范围内或趋于0，具体取决于测量的分辨率有多高。
该方法首先确定要进行数据交换(接收、发送或两者)的应用的地址。
然后，该方法开始对该组件进行传播时间测量。例如，这里可以使用gPTP协议(或802.1AS)的PDelay_Request方法。作为响应，发送回两个响应，并且可以使用硬件时间戳来确定消息的传播时间。(使用具有硬件时间戳的协议是很重要的——因此排除使用NTP，因为分辨率太不精确了)。
在这个计算值的帮助下，该方法计算出与该订户的物理距离。在此距离不直接用如米或厘米等计量单位表示，而是可以换算成作为连接的一部分的组件(PHY、交换机)的数量，因为这个延迟与实际电缆上的延迟相比是很显著的。
作为替代方案，该方法通过开始传播时间测量(例如，PTP协议的一部分)并通过计算出与订户的距离来测量到该订户/地址的传播时间。
必须首先对所测量的传播时间进行评估，以提供位置的指示。软件不能知道伙伴是否位于同一个ECU内，或者理想情况下其不能知道是否使用了通用SW而不是特殊版本；另外，IP地址可能被伪造或改变。基于MII的连接的传播时间不需要PHY(收发器)。然而，无论是时间同步软件还是委任这项调查的实际应用都不知道这一点。PHY将数据转换为电信号并对其进行编码，这比两个以太网MAC通过基于MII的线路彼此通信要花费更多时间。
所呈现的方法还识别订户是否直接连接到请求订户。如果不是这种情况，就可以根据等待时间分别选择适当的协议。例如，MAC-Sec或IP-Sec可以用于车辆内的等待时间，并且如果等待时间太长因此订户无疑在车辆外部，则可以使用其他基于IP/TCP的方法。
Claims (9)
1.一种在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法，该方法包括：
a)由头节点确定活动节点的数量；
b)由头节点将所标识的节点分类为两个或更多个节点类别，以对以太网通信进行优先级排序；
c)由头节点从多个节点中的至少一部分节点接收预留请求；
d)响应于预留请求，在即将到来的通信窗口中为一个或多个节点指派时隙，所述指派基于节点优先级，该优先级是根据节点的类别而被指派给节点的；
其特征在于，
在确定活动节点的数量后，计算总线周期长度并且确定休眠或不活动或有缺陷的节点的数量，其中，信标总线周期是根据总线周期长度能够缩短的程度来确定的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，总线利用率被连续监测，通过较早地传输信标(B')来较早地执行随后的总线周期。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在确定休眠节点的总线位置(节点ID)之后，执行检查以确定是否存在总线位置(节点ID)更高的、不表示不活动的休眠节点的节点，对活动节点的总线位置(节点ID)进行优化。
4.一种用于以太网的控制单元，，该控制单元作为第一节点——该第一节点作为控制单元——被设计为：
-向以太网车载网络的第二控制单元发送信号并从该第二控制单元接收信号；
-确定在到第二控制单元的连接路径上的信号传播时间；
-基于该传播时间来确定该连接路径的最大速度；
-基于该最大速度来确定该连接路径的传输介质的类型，该控制单元至少包括：
-微处理器，
-易失性存储器和非易失性存储器，
-至少两个通信接口，
-可同步定时器，
该非易失性存储器包含程序指令，所述程序指令在由该微处理器执行时，
其特征在于，能够实施和执行如权利要求1至3所述的方法的至少一个实施例。
5.一种用于机动车辆的以太网网络，该以太网网络具有第一控制单元和第二控制单元，其中，这些控制单元经由至少一个连接路径彼此连接，该第一控制单元如权利要求4所述地被设计。
6.如权利要求5所述的以太网车载网络，其特征在于，该以太网网络具有第三控制单元(5)，该第三控制单元仅间接连接至第一控制单元(3)并通过第三连接路径直接连接至第二控制单元，其中，该第三控制单元被设计为确定第三连接路径上的第三信号的传播时间，其中，该第一控制单元被设计为通过给第三控制单元的服务消息来触发对第三信号传播时间的确定。
7.一种计算机程序产品，包括命令，当该程序由计算机执行时，所述命令使所述计算机执行如权利要求1至3中的一项或多项所述的方法(200)。
8.一种计算机可读介质，其上存储有如权利要求7所述的计算机程序产品。
9.一种车辆，该车辆具有以太网车载网络，该以太网车载网络包括多个如权利要求4所述的控制单元。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102020215763.4 | 2020-12-11 | ||
| DE102020215763.4A DE102020215763A1 (de) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | Verfahren zur Optimierung der Übertragungsdatenrate in einem Sensornetzwerk im Teilnetzbetrieb in einem Ethernetnetzwerk |
| PCT/DE2021/200228 WO2022122093A1 (de) | 2020-12-11 | 2021-11-30 | Verfahren zur optimierung der übertragungsdatenrate in einem sensornetzwerk im teilnetzbetrieb in einem ethernetnetzwerk |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116584073A true CN116584073A (zh) | 2023-08-11 |
Family
ID=79024858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180082149.7A Pending CN116584073A (zh) | 2020-12-11 | 2021-11-30 | 在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240022450A1 (zh) |
| EP (1) | EP4260524A1 (zh) |
| JP (1) | JP2023552627A (zh) |
| KR (1) | KR20230091172A (zh) |
| CN (1) | CN116584073A (zh) |
| DE (1) | DE102020215763A1 (zh) |
| WO (1) | WO2022122093A1 (zh) |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7489656B2 (en) | 2004-03-23 | 2009-02-10 | Microsoft Corporation | Bandwidth allocation |
| DE102006003067A1 (de) * | 2006-01-20 | 2007-07-26 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und System zur dynamischen Ressourcenzuweisung |
| US9294297B2 (en) | 2010-06-24 | 2016-03-22 | Entropic Communications, LLC. | Node-based quality-of-service management |
| DE102011085764A1 (de) * | 2011-11-04 | 2013-05-08 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum Betreiben einer Busanordnung |
| DE102014100628B4 (de) | 2013-01-21 | 2016-08-18 | Voice Inter Connect Gmbh | Bussystem und Verfahren zur Übertragung von Daten in Echtzeit |
| US10925097B2 (en) | 2018-01-19 | 2021-02-16 | Canova Tech S.r.l. | Method for preventing physical collision on ethernet multidrop networks |
| US11272543B2 (en) | 2018-02-21 | 2022-03-08 | Nxp B.V. | Physical layer device that connects to a shared media and method for operating a physical layer device that connects to a shared media |
| US10952243B2 (en) | 2018-04-10 | 2021-03-16 | Nio Usa, Inc. | Method, system and device for network communications within a vehicle |
| US10868765B2 (en) | 2018-05-25 | 2020-12-15 | Microchip Technology Incorporated | Shaping traffic on PLCA-enabled 10SPE networks |
| US11233750B2 (en) * | 2018-10-29 | 2022-01-25 | Hyundai Motor Company | Method and apparatus for allocating transmission opportunities in vehicle network |
-
2020
- 2020-12-11 DE DE102020215763.4A patent/DE102020215763A1/de active Pending
-
2021
- 2021-11-30 EP EP21830941.7A patent/EP4260524A1/de active Pending
- 2021-11-30 WO PCT/DE2021/200228 patent/WO2022122093A1/de active Application Filing
- 2021-11-30 JP JP2023535600A patent/JP2023552627A/ja active Pending
- 2021-11-30 CN CN202180082149.7A patent/CN116584073A/zh active Pending
- 2021-11-30 KR KR1020237017913A patent/KR20230091172A/ko unknown
- 2021-11-30 US US18/039,841 patent/US20240022450A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240022450A1 (en) | 2024-01-18 |
| EP4260524A1 (de) | 2023-10-18 |
| WO2022122093A1 (de) | 2022-06-16 |
| KR20230091172A (ko) | 2023-06-22 |
| DE102020215763A1 (de) | 2022-06-15 |
| JP2023552627A (ja) | 2023-12-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11233750B2 (en) | Method and apparatus for allocating transmission opportunities in vehicle network | |
| Park et al. | FlexRay network parameter optimization method for automotive applications | |
| US9756590B2 (en) | Gateway, nodes, and method for a vehicle | |
| US20030070019A1 (en) | Method and device for transmitting information on a bus system, and a bus system | |
| CN112075063B (zh) | 用于车辆中的数据通信的网关 | |
| Cena et al. | On the properties of the flexible time division multiple access technique | |
| US7120713B2 (en) | Systems and methods for interfacing legacy equipment to high-speed data buses | |
| US20200295966A1 (en) | Transmission duration report and transmission target time allocation for controller area network synchronization | |
| CN116569523A (zh) | 用于以太网网络中传感器和控制设备的动态配置方法 | |
| Obermaisser | Reuse of CAN-based legacy applications in time-triggered architectures | |
| Cena et al. | Performance analysis of Byteflight networks | |
| US11337184B2 (en) | Method and apparatus for transmitting and receiving data stream performed in vehicle network | |
| CN116584073A (zh) | 在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法 | |
| Tovar et al. | Setting target rotation time in PROFIBUS based real-time distributed applications | |
| CN113994638A (zh) | 用于串行总线系统的用户站和用于在串行总线系统中进行通信的方法 | |
| CN116601923A (zh) | 用于经由以太网网络快速刷新传感器节点的方法 | |
| Marques et al. | Efficient transient error recovery in FlexRay using the dynamic segment | |
| Cummings | Easing the transition of system designs from CAN to FlexRay | |
| Kim et al. | Probabilistic delay model of dynamic message frame in flexray protocol | |
| US20240007325A1 (en) | Method for determining components of a sensor network within an in-vehicle ethernet network in a motor vehicle | |
| CN110601996B (zh) | 一种采用令牌保底分布式贪心算法的环网防饥饿流控方法 | |
| Herpel et al. | A simulation approach for the design of safety-relevant automotive multi-ECU systems | |
| Yong et al. | Analysis of the Influence of CAN Bus Structure on Communication Performance | |
| KR101058414B1 (ko) | ＦｌｅｘＲａｙ 통신에서의 신뢰성 향상을 위해 정적 세그먼트 내에서 슬롯을 배치하는 방법 및 장치 | |
| Hua et al. | Cooperative and efficient real-time scheduling for automotive communications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |