EP4264891A1 - Verfahren zur dynamischen konfiguration von sensoren und steuergeräten in einem ethernetnetzwerk - Google Patents

Verfahren zur dynamischen konfiguration von sensoren und steuergeräten in einem ethernetnetzwerk

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Publication number
EP4264891A1
EP4264891A1 EP21843586.5A EP21843586A EP4264891A1 EP 4264891 A1 EP4264891 A1 EP 4264891A1 EP 21843586 A EP21843586 A EP 21843586A EP 4264891 A1 EP4264891 A1 EP 4264891A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nodes
bus
control unit
ethernet
node
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
Application number
EP21843586.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helge ZINNER
Julian BRAND
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive Technologies GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP4264891A1 publication Critical patent/EP4264891A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • 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
    • H04L12/403—Bus networks with centralised control, e.g. polling
    • H04L12/4035—Bus networks with centralised control, e.g. polling in which slots of a TDMA packet structure are assigned based on a contention resolution carried out at a master unit
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • 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
    • H04L12/407—Bus networks with decentralised control
    • H04L12/413—Bus networks with decentralised control with random access, e.g. carrier-sense multiple-access with collision detection [CSMA-CD]
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for the dynamic configuration of sensors and control units in an Ethernet network in a motor vehicle, a control unit and an on-board Ethernet network
  • a variant of the new standard is the CSMA/CD-based MultiDrop mode. This differs significantly from the other Ethernet variants (>10 Mbit/s), since the aim of this is to be able to design Ethernet more cost-effectively and thus also to address simpler control devices.
  • This standard does not require switches (switch ICs) but is designed as a bus (similar to CAN). This halves the number of required PHYs (transceivers). This means that Ethernet is becoming a serious competitor to CAN/CAN-FD and FlexRay, as it significantly reduces system costs.
  • typical automotive interfaces such as SPI instead of xMII for communication between controllers and physical transceivers (PHYs) are also possible.
  • Fig.1 compares the essential features of Switched Ethernet and "Bus Ethernet” (MultiDrop) as defined in the IEEE standard IEEE P802.3cg. The most important difference is that the resources, the bus access, are exclusively available with Switched Ethernet, what does that mean every Ethernet node (ECU) can send at any time without collisions occurring. With the new Ethernet bus conversion with multi-drop mode, a shared medium is used, ie the bus access has to wait until this resource is available.
  • the IEEE P802.3cg standard uses, among other things, a newly defined mechanism (PLCA - Physical Layer Collision Avoidance) to avoid collisions during bus access and to implement fair access. Only one PHY (Physical Transceiver) has access to the bus at any one time. This prevents collisions. Access is based on a so-called round robin procedure. Each ECU (node) on the bus has the opportunity to send once within a defined cycle or sequence.
  • PLCA Physical Layer Collision Avoidance
  • a so-called headnode which takes on the function of a network controller, determines the cycle and sends recurring "beacons" on the bus.
  • the nodes start a timer depending on their previously defined identity ID, which determines the sequence when they are allowed to send, and after this has expired and the recognition that it is your turn, you are allowed to send.
  • Figure 3 shows the physical representation of the Ethernet bus with stubs.
  • EP 2 585 940 A1 describes systems and methods for scheduling network communications in a managed network may include a network controller recognizing multiple network nodes; the network controller classifies the detected network nodes into two or more classifications of nodes for prioritizing network communication at the node level; the network controller receiving reservation requests from at least a portion of the plurality of network nodes, wherein the requesting reservation requests for one or more time slots for their respective network nodes in an upcoming communication window; and the network controller allocates time slots in the forthcoming communication window to one or more network nodes in response to reservation requests, the allocation being based on a priority of the network nodes and the priority being assigned to the nodes according to their classification.
  • This patent application describes how a network controller creates a cyclic media access plan (MAP) in which the accesses of the network nodes are defined in each cycle.
  • the basis is the required quality of service, the reservation requests from the respective nodes and their priority/lower priority, from which the network controller creates the MAP.
  • the network controller can also automatically send MAP messages without reservation requests.
  • a coordinating device performs bandwidth allocation procedures based on information from previously unsatisfied bandwidth allocation requests and responds to current bandwidth allocation requests.
  • the current bandwidth allocation requests specify the current requested bandwidth amounts for multiple streams, and the current bandwidth allocation requests can be received from multiple entities with multiple streams.
  • the information from previously unsatisfied bandwidth allocation requests is taken into account when allocating the available bandwidth between the multiple streams and multiple entities for the currently requested amounts of bandwidth.
  • the 'unserved' access reservation from the previous cycle is also taken into account by the headnode.
  • WO 2019 014 754 A1 discloses a configurable management system for a vehicle including a receiving unit adapted to receive a message associated with a vehicle resource from a communication network of the vehicle.
  • a control unit is designed to one of to determine received message associated vehicle resource.
  • An integration unit includes an external network connected to the control unit, and the integration unit includes at least one node, the at least one node being configured to send an external message to the control unit via the external network.
  • the control unit converts the external message into an appropriate message that is sent to the vehicle resource.
  • WO 2019 160 569 A1 describes systems and methods for operating electronic control units (ECUs) across multiple ECU domains in a motor vehicle configuration.
  • a first environmental sensor for an advanced driver assistance system (ADAS) may generate a first output.
  • a sensor connectivity switch may route the first output to a first ECU in one of the non-ADAS domains to generate a second output.
  • Each of the non-ADAS domains may include at least one ECU.
  • a second ECU in a domain for ADAS can use the second output to perform ADAS operation or autonomous driving in vehicular environments.
  • Partial network operation (aka sleep/wakeup) is becoming an increasingly important function for the automobile and, for example, also for the Ethernet bus.
  • control units are woken up or put to sleep as required (also via the bus), in order to save energy or to start them initially, for example.
  • the 10Mbit bus offers a significantly lower data rate, which is why special attention is paid to the efficiency of the data transmission and the latency of the transmission or the access time must also be taken into account. If security also becomes part of the 10Mbit/s system, then there is hardly any data rate left for user data, as is the case with current CAN FD implementations. With the partial network operation function, you also have to think about the access times and the efficiency of the bus, since this is a new scenario that was not considered in the standard.
  • the headnode will either be implemented in a head unit, a gateway, a fusion unit or generally in a zone controller, i.e. usually on the control unit from which updates or diagnostic queries also originate.
  • burst mode it is known to use a so-called burst mode in which nodes can send a maximum of 255 packets during their cycle, but this mode must be statically configured and maintained.
  • the object of the invention is to flexibly adapt the new Ethernet technologies to current requirements in a cost-optimized manner and with little implementation effort.
  • the invention advantageously adapts the new Ethernet technologies in terms of costs and implementation effort for use in automobiles.
  • the invention proposes a method that the 10 Mbit / s Ethernet network, respectively.
  • the control units are configured automatically.
  • the EM proposes a procedure in which the control units can be connected to the bus unconfigured and configure themselves automatically after the start. No ECU-specific special software is necessary here, but the Ethernet software can be the same on all control units (sensors).
  • the start including synchronization within the bus can take place within a few milliseconds despite automation (i.e. not preconfigured).
  • control units assign the smallest possible ID themselves and then try to access the bus.
  • the attempt is controlled via timers, these timers are started randomly, so that it access to the bus is inevitable in the shortest possible time. If bus activity is detected, all other control units behave passively.
  • the configuration and testing of microphones, ultrasound, radar and many other CAN-based control devices becomes easier.
  • the solution allows products to be designed more flexibly without interfering with large parts of the software. This saves a complex configuration and thus saves configuration effort.
  • the invention enables the development of sensor-based applications, e.g. B. Automated driving, data logger, diagnosis, are simplified.
  • the idea according to the invention can be implemented without additional financial outlay and hardware costs and while maintaining the standard.
  • the network system according to the invention is improved in terms of quality.
  • the method according to the invention offers a new method of automatic configuration for the 10 Mbit/s Ethernet bus.
  • a method is presented that allows software to be designed more flexibly and makes the best of the underlying system without having to program it in software beforehand.
  • the invention allows software developers and architects to offer software/applications that can be tailored more flexibly and precisely to the requirements of the application. Optimization can take place within the control unit by incorporating the methods mentioned in software. This means that software can be developed more platform-independently.
  • Another advantage of this invention is that the current hardware does not have to be changed, but the existing hardware can continue to be used.
  • the new method can be integrated into an existing network without damaging existing devices. The standard is not violated since the existing protocol can be used. Thanks to the automatic configuration of the physical layer, a wide variety of variants can be developed and produced without having to manually create special configurations. This means that products get to market faster.
  • the advantage of the application-specific determination of a more accurate and predictable delay results in an improvement in the planning and execution of communication in the vehicle.
  • existing bus systems can be used more efficiently and the jump to expensive technology with a higher bandwidth can be avoided.
  • This can also affect the required buffer storage, which can then be dispensed with or designed to be smaller. Fusions of different data, e.g. ultrasound, radar or microphones, can be improved and designed more precisely.
  • the logging of data can be made even more precise.
  • Today applications are tailored and adapted to a platform.
  • methods are presented that allow software to be designed more flexibly and make the best of the underlying system without having to program it in software beforehand.
  • the starting point is the so-called worst case, which costs resources and money and loses quality.
  • the invention allows software developers and architects to offer software/applications that can be tailored more flexibly and precisely to the requirements of the application. By installing the procedure described in our software, optimization can take place within the control unit. This means that software can be developed in a more platform-dependent manner.
  • Partial network operation as a system function has even greater effects on the overall system if, for example, the efficiency of the bus can be influenced and control units no longer waste time "waiting", which unfortunately has to be the case with 10Mbit/s technology.
  • the new technologies can no longer be stopped in the automobile. Protocols like IP, AVB, and TSN have thousands of pages of specifications and test suites. The controllability of these new protocols in the automobile is not directly given.
  • An advantage of this invention is that the current hardware does not have to be changed, but the existing hardware can continue to be used.
  • the new method can be integrated into an existing network without damaging existing devices. The standard is not violated since the existing protocol can be used.
  • These sensors in particular must be as cheap as possible in order to serve the mass market. If you can do without a more expensive interface, such as a cable/plug, this means great added value.
  • the quality of the data improves the faster the data reaches the bus and the less maintenance and/or storage is required.
  • beacon cycle time only depends on the bus and its configuration, but not on the individual nodes or their requirements.
  • the fundamental revolution of the new architectures is characterized by the centering of the software on fewer and fewer computing units.
  • These so-called servers or central computers no longer consist of just one PC or PP, but contain several PCs, PPs, SOCs and also Ethernet switches with a large number of ports. They represent their own local network, each with individual software, which also means that the respective software components do not (cannot) know that they are communicating, for example, with components that are located in the same housing.
  • Zone architecture with central servers is known. Here it applies that on the one hand the server contains many powerful processors and on the other hand a lot of software resp. Applications run on it.
  • the idea can be implemented without additional financial expenditure, such as hardware costs, and while maintaining the standard.
  • additional financial expenditure such as hardware costs
  • the network system according to the invention is improved in terms of reliability.
  • the invention can report back a more realistic time window and it is not necessary to assume the worst case. This allows downloads/updates that would otherwise never be started or would be started later.
  • the method according to the invention can be used in other industrial areas that use 10 Mbit/s Ethernet, such as, for example, in industrial automation.
  • the object is advantageously achieved by a method for optimizing the transmission data rate in a sensor network in partial network operation in an Ethernet network, the method comprising: a) determining the number of active nodes by a headnode, b) classifying the detected nodes into two or more classifications of node for prioritizing Ethernet network communication by the headnode; c) the headnode receiving reservation requests from at least a portion of the plurality of nodes, d) allocating time slots in response to reservation requests to one or more nodes in the forthcoming communication window, the allocations being based on a priority of the nodes and the priority being according to the nodes is assigned to their classification, wherein after the number of active nodes has been determined, a dynamic configuration of the nodes is carried out, and a selection and a start of a timer of the respective node takes place, with each active node assigning the smallest possible ID itself, whereby it the respective node accesses the bus and if there is bus activity, the other nodes in the Ethernet network behave
  • a further advantageous refinement of the method is characterized in that the timer is reduced if a bus access is unsuccessful.
  • a further advantageous refinement of the method is characterized in that after the bus position (node ID) of the sleeping node has been determined, a check is carried out to determine whether there is a node with a higher bus position (node ID) which does not represent a sleeping node , which is not active, the bus position (node ID) of the active node is optimized.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that after the necessary download data rate has been determined, a currently free data rate in the Ethernet network is determined in the last bus cycle (Dfree) of the Ethernet network, and a necessary data rate per bus cycle (Dzus) is determined , where if the free data rate in the Ethernet network in the last bus cycle (Dfree) of the Ethernet network is greater than or equal to the necessary data rate per bus cycle (Dzus), no change is made in the next bus cycle, and if the free data rate in the Ethernet network in the last bus cycle (Dfree) of the Ethernet network is less than the necessary data rate per bus cycle, a change is made in the next bus cycle.
  • a control unit for an Ethernet network which is designed as a first node as a control unit, is particularly advantageous for sending a signal to a second control unit of the Ethernet vehicle electrical system and receiving the signal from the second control unit; determine a propagation time of the signal on a connection path to the second control unit; determine a maximum speed of the connection path based on the propagation time; and a type of transmission medium of the connection path based on the To determine maximum speed, at least include a microprocessor, a volatile memory and non-volatile memory, at least two communication interfaces, a synchronizable timer, the non-volatile memory contains program instructions when they are executed by the microprocessor, with one embodiment of the method according to the invention being implementable and executable.
  • an Ethernet network for a motor vehicle is particularly advantageous, with a first control unit and a second control unit, the control units being connected to one another via at least one connection path, and the first control unit being designed to carry out the method according to the invention.
  • a particularly advantageous embodiment of the Ethernet vehicle electrical system is characterized in that the Ethernet network has a third control unit, which is only indirectly connected to the first control unit and is connected directly to the second control unit via a third connection path, with the third control unit being designed for this purpose to determine a transit time of a third signal on the third connection path, the first control unit being designed to trigger the determination of the transit time of the third signal by a service message to the third control unit.
  • the Ethernet network has a third control unit, which is only indirectly connected to the first control unit and is connected directly to the second control unit via a third connection path, with the third control unit being designed for this purpose to determine a transit time of a third signal on the third connection path, the first control unit being designed to trigger the determination of the transit time of the third signal by a service message to the third control unit.
  • platform-independent software with higher quality and durability can be used.
  • the use of the invention can be used in other communication systems with clock synchronization components and embedded systems.
  • Fig. 1 shows the simplified representation of the differences between a Ethernet bus (1 OMbit/s) and a switched network
  • Figure 3 shows the physical representation of the Ethernet bus with stubs
  • Fig. 8 shows the variability of the rank (timer) depending on different situations
  • FIG. 10 shows the special version of the initialization of the bus according to FIG. 9 (ID assignment) from the point of view of the master node in a plug and play network if control units do not start up “simultaneously” but are only delayed in time later;
  • the invention disclosure proposes a new method to optimize the efficiency of data transmission on the automotive 10Mbit/s bus and to reduce the bus access time for the nodes.
  • the basic consideration of the method according to the invention describes a dynamic adaptation of the bus cycle. In contrast to the FlexRay, this has no negative or thoughtless effects.
  • the nodes do not have a fixed, definite time window, but only follow a sequence.
  • the headnode does not know which data is sent by the nodes beforehand.
  • FIG. 3 shows the physical representation of the Ethernet bus with stubs
  • the procedure first determines all participants on the bus. This is typically statically pre-configured since the headnode needs to know this number of participants to schedule the flow.
  • FIG. 5 shows the extension of the standard to include an automatic configuration of the NodelDs, with the boxes showing the sequence of the standard.
  • the white boxes show how the method according to the invention can be integrated into the standard. This should make it clear where the method according to the invention takes effect and how the standard can be modified without changing the general sequence.
  • the knots change, which still cannot have assigned an ID, whereby a check is carried out to determine whether there is a preconfiguration, to the Initialize ID state and retain the default ID 255 or assign this ID to themselves.
  • the nodes remain in this state until they have had a successful bus access.
  • the master node enters the Initialize Network status if no slaves are preconfigured for it, i.e. if it does not know its network. Only when it has initialized all slave control devices does it leave the state.
  • the headnode determines all sleeping or defective or inactive nodes on the bus. A distinction can be made as to whether they are currently sleeping or whether a point in time is known in the future when the nodes are inactive - sleeping or inactive means in this context that they are not participating in the bus communication (neither active - sending user data - nor passive - receive user data).
  • the headnode receives this knowledge either via a higher software layer or application through a message from a participant on the bus, e.g. response to a sleep/wake-up signal due to an error status of a node, e.g. through a request from the network management, check of logs, reading registers at the node.
  • the initialization starts with setting the local NodelD (ID). This value is set from 255 to the lowest possible value that has not yet been used (important: there should be no gaps in the sequence).
  • the range (a range of numbers from x-y) varies over the phase of the initialization process.
  • the range of numbers should be specified in such a way that on the one hand a fast initialization and on the other hand few collisions occur. It is specified in "bit times" and starts at 20 bit times as the low end.
  • the upper end (MaxValue) can either always be the same for all nodes or can also be lower or higher than the others depending on the importance of the ECU. For example, if a large MaxValue is selected, then the probability of bus access is higher for other ECUs than for this one, etc.
  • Figure 8 shows variability of rank (timer) depending on different situations. For the fastest possible initialization, the EM proposes a FastMode variable. This indicates by how much the range is reduced when a node has successfully accessed the bus and thus been assigned an ID. In the automotive sector, the number of nodes is currently very limited (typically 8), which is why the process can quickly lead to a final configuration. If collisions occur, the rank may be too small, for example. The procedure therefore suggests increasing this value. This is then implemented on every node and not just on those that had an unsuccessful bus access. A larger range means that the probability increases that an ECU gets bus access.
  • the master node also has to learn which and how many nodes there are in its network, because it adapts its bus cycle accordingly. To do this, it sends out normal beacons, true to the standard. All bus participants can detect collisions, and so can he. He runs a counter to log how many troubleshooting there have been and to be able to intervene optionally.
  • the bus When its timer expires, it is set to be greater than the slaves' timer rank and it has received neither collision nor frame. Then the bus is initialized and it goes into normal mode. In doing so, it fixes the number of participants and calculates the bus cycle, which it specifies. The bus can now be operated in normal operation.
  • FIG. 10 shows a special version of the initialization of the bus according to FIG. 9 (ID assignment) from the point of view of the master node in a plug and play network, i.e. if control units do not start up "simultaneously", but are delayed later.
  • FIG. 10 shows a The following figures show an exemplary embodiment which is executed when the control units are started with a time delay. This procedure takes effect as long as the network is still in the initialization phase. To this end, the method proposes that during the initialization method data are sent from the control devices which have already been assigned an ID. The content of the data is irrelevant.
  • control units can determine the current status of the initialization phase, even if they woke up/started later.
  • the participants who have not yet been assigned an ID
  • the timer (range) is adjusted.
  • FIG. 11 shows the Plug and Play development level of the automated bus access when control devices are not time-delayed until later.
  • the beacon cycle (or when the next beacon is sent or how many nodes are active on the bus) can be calculated by determining the number of sleeping, defective or inactive participants. With the remaining number of active nodes, no matter what ID they have, it can first be calculated how much time can be saved on the bus or by how much the bus cycle can be shortened.
  • node ID the position of the active/sleeping nodes. All nodes on the bus have a unique ID. The method uses the total number of nodes and the ID to determine the position of the sleeping participants per bus cycle. The number of participants on the 10Mbit/s The Ethernet bus for automotive is limited by the bus topology, so it is easy to get an overview of whether there is an active node "behind" the sleeping or possibly faulty node (ID sleeping node ⁇ ID active node).
  • the beacon cycle is adjusted in such a way that the beacon is placed in front of the transmission slot, the so-called transmit opportunity, of the first sleeping node, which only has active nodes in front and sleeping nodes behind Has.
  • This method assumes that there is no longer an active node, or ECU, sensor, behind the sleeping node, i.e. higher ID, as indicated in FIG. This probability is quite high since the 10 Mbit/s Ethernet bus system in the automotive environment is typically designed for 8 ECUs today.
  • the invention proposes adapting or optimizing the IDs of the participants. There are several proposals according to the invention for this, the selection or a combination of the method can be adapted depending on the application:
  • IDs of all active participants on the bus with a higher ID are previously reduced by the number of sleeping nodes. For example, if ID 3 is sleeping, ID 4 is reduced by one. This keeps the transmission order of the bus participants.
  • Another possibility is to fill up the dormant IDs with participants with the highest ID. If ID 3 is sleeping, then this ID is reassigned to the highest one (e.g. ID 8). Although this changes the order of the bus participants, fewer bus participants have to be reconfigured. To ensure that the bus cycle is not uselessly optimized or adjusted, the method suggests determining the current bus load. The current utilization can be determined using the time difference between the last beacons and the number of participating nodes. If the bus load is low, it can be statistically assumed that this does not suddenly increase with the next cycle. You can still react to any changes, since it is suggested to monitor the bus load continuously.
  • the bus cycle is adjusted with regard to the required data rate. Two options are proposed for this later.
  • the method in which the necessary data rate is compared to the current bus capacity can be determined.
  • the necessary download data rate in relation to the 10Mbit bus is calculated first.
  • the number of active nodes is determined by the headnode.
  • the slots of the inactive participants are determined and are to be made available to the headnode by the method, which is referred to as Dfree.
  • Another possible optimization level is described, based on the calculated, necessary data rate at the headnode, to prevent a subset (or all) of the other participants on the bus (except of course the headnode) from sending and thus to reduce the cycle time for the purpose of the download (or security update). reduce that the headnode its necessary data rate can serve, even if, according to normal bus operation, there would not be enough bandwidth available. For this purpose, a constant comparison is made as to how much data the headnode would still have to send in the current cycle, with this value being taken as a limit value which must not fall below 0 in this cycle and which is why the cycle would be ended beforehand by sending the next beacon.
  • the method according to the invention can be carried out through alternative method steps, by means of which, after determining the number of active nodes, the unused transmission options can be determined and the absolute data rate for the headnode per time unit can thereby be calculated.
  • the procedure proposes determining the trustworthiness of a communication partner or its application. If this trustworthiness is determined, the exchange of sensitive data can be carried out.
  • the headnodes on the server are typically connected to the PCB (board) via MH (Media Independent Interface) or PCI-Express and therefore always manage without transceivers (PHYs).
  • PCB board
  • MH Media Independent Interface
  • PCI-Express PCI-Express
  • An Ethernet transceiver causes a delay in the 3-digit nanosecond range. That doesn't sound like much, but the delay on layer 2 (MAC) is in the 1-digit nanosecond range or tends towards 0 - depending on how high the resolution of the measurement is.
  • the procedure first determines the address of the application with which data is to be exchanged (received, sent, or both). The method then starts a runtime measurement for this component.
  • the PDelay_Request method of the gPTP protocol (or 802.1 AS) can be used.
  • two replies are sent back and the runtime of the message can be determined with the help of hardware time stamps (it is important to use a protocol with hardware time stamps - NTP, for example, is out of the question because the resolution is too imprecise).
  • the method calculates the physical distance to this participant.
  • the distance is not directly expressed by a unit of measurement such as meters or centimeters, but can be converted to the number of components (PHYs, switches) that are part of the connection, since this delay is significant in contrast to the delay on the actual cable is.
  • the method measures the transit time to a participant/address by starting transit time measurements (e.g. part of the PTP protocol) and using this to calculate the distance to this participant.
  • the measured running time must first be evaluated in order to provide information about the location.
  • the software cannot know whether a partner is located within the same ECU or not, and ideally it should not know if a generalized SW and not a special version is used; IP addresses can also be falsified or changed.
  • the runtime of a Mll-based connection does not require PHYs (transceivers). However, neither the time synchronization software nor the actual application that commissions this investigation knows this.
  • a PHY converts the data into electrical signals and encodes them, which takes much more time than when two Ethernet MACs communicate with each other via the MH-based lines.
  • the method presented also recognizes whether a subscriber is directly connected to the requesting subscriber. If this is not the case, the appropriate protocol can be selected depending on the latency. For latencies the For example, MAC-Sec, IP-Sec and other IP/TCP-based methods could be used within the vehicle if the latency is so great that the participant is outside the vehicle without a doubt.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zur dynamischen Konfiguration von Sensoren und Steuergeräten in einem Ethernetnetzwerk, wobei das Verfahren umfasst: a) Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten durch einen Headnode, b) Klassifizierung der erkannten Knoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Ethernetnetzwerkkommunikation durch den Headnode; c) Empfang von Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Knoten durch den Headnode, d) Zuweisung von Zeitschlitze als Antwort auf Reservierungsanforderungen an einen oder mehreren Knoten im bevorstehenden Kommunikationsfenster, wobei die Zuweisungen auf einer Priorität der Knoten basiert und die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird, wobei nach der Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine dynamische Konfiguration der Knoten vorgenommen wird, und eine Auswahl und ein Start eines Timers des jeweiligen Knoten erfolgt, wobei jeder aktive Knoten jeweils die kleinstmögliche ID selbst vergibt, wobei hierdurch es zu einem Buszugriff des jeweligen Knotens kommt und bei vorhanden sein von einer Busaktivität, die anderem Knoten im Ethernetnetzwerk sich passiv verhalten.

Description

Beschreibung
Verfahren zur dynamischen Konfiguration von Sensoren und Steuergeräten in einem Ethernetnetzwerk
FELD
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischenKonfiguration von Sensoren und Steuergeräten in einem Ethernetnetzwerk in einem Kraftfahrzeug, ein Steuergerät und ein Ethernet-Bordnetzwerk
STAND DER TECHNIK
Mit 10 Mbit/s (IEEE802.3ch) wird neben 100 Mbit/s; 1000 Mbit/s und den laufenden Multi-Gigabit-Standardisierungen ein weiterer Ethernet-Standard für Automotive Anwendungen zur Verfügung stehen.
Eine Variante des neuen Standards ist der auf CSMA/CD basierende MultiDrop-Modus. Dieser unterscheidet sich deutlich von den anderen Ethernet-Varianten (>10 Mbit/s), da mit diesem das Ziel verfolgt wird Ethernet kostengünstiger auslegen zu können und damit auch einfachere Steuergeräte zu adressieren. Dieser Standard benötigt keine Switches (Switch ICs) sondern wird als Bus (ähnlich zum CAN) ausgelegt. Dadurch halbiert sich ca. die Anzahl der notwendigen PHYs (Transceiver). Somit wird Ethernet eine ernsthafte Konkurrenz zu CAN/CAN-FD und FlexRay, da hiermit die Systemkosten deutlich gesenkt werden. Weiterhin sind auch typische Automotive-Schnittstellen wie SPI statt xMII zur Kommunikation zwischen Controllern und Physical Transceivern (PHYs) möglich.
Fig.1 stellt die wesentlichen Merkmale von Switched Ethernet und dem „Bus-Ethernet“ (MultiDrop) wie es im IEEE-Standard IEEE P802.3cg definiert wird gegenüber. Der wichtigste Unterschied ist dabei, dass die Ressourcen, der Buszugriff, bei Switched Ethernet exklusiv zur Verfügung stehen, was bedeutet das jeder Ethernet-Knoten (ECU) jederzeit senden darf, ohne dass dabei Kollisionen auftreten. Beim der neuen Ethernet Bus-Umsetzung mit Multi-Drop-Mode wird ein geteiltes Medium („shared media“) verwendet, d.h. es muss mit dem Buszugriff gewartet werden bis diese Ressource zur Verfügung steht.
Der Standard IEEE P802.3cg verwendet unter anderem einen neu definierten Mechanismus (PLCA - Physical Layer Collision Avoidance), um Kollisionen beim Buszugriff zu vermeiden und einen fairen Zugriff zu realisieren. Dabei erhält immer nur genau ein PHY (Physical Transceiver) zu genau einem Zeitpunkt Zugriff auf den Bus. Hierdurch kann es nicht zu Kollisionen kommen. Der Zugriff wird nach einem sog. Round Robin-Verfahren gestaltet. Jede ECU (Knoten) am Bus bekommt die Möglichkeit einmal innerhalb eines definierten Zyklus bzw. Reihenfolge zu senden.
Ein sogenannter Headnode, der die Funktion eines Netzwerkcontrollers übernimmt, bestimmt dabei den Zyklus und sendet wiederkehrend „Beacons“ auf dem Bus.
Damit starten die Knoten in Abhängigkeit ihrer vorher definierten Identität ID, die bestimmt die Reihenfolgen wann Sie senden dürfen, einen Timer und nach Ablauf dessen und der Erkennung, dass Sie an der Reihe sind, dürfen Sie senden.
Fig. 2 stellt den prinzipiellen Ablauf der Kommunikation am Ethernet-Bus. Nach Aussendung des Beacons ist erst Knoten 0 an der Reihe und wenn dieser seine Übertragung beendet hat darf der nächste Knoten senden (typischerweise darf im Slot jeweils nur ein einzelner Ethernet-Frame gesendet werden).
Fig. 3 stellt die physische Darstellung des Ethernet-Busses mit Stubs dar.
EP 2 585 940 A1 beschreibt ein Systeme und Verfahren zum Planen der Netzwerkkommunikation in einem verwalteten Netzwerk können einen Netzwerkcontroller umfassen, der mehrere Netzwerkknoten erkennt; der Netzwerkcontroller klassifiziert die erkannten Netzwerkknoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Netzwerkkommunikation auf Knotenebene; den Netzwerkcontroller, der Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Netzwerkknoten empfängt, wobei die Reservierungsanforderungen einen oder mehrere Zeitschlitze für ihre jeweiligen Netzwerkknoten in einem bevorstehenden Kommunikationsfenster anfordern; und die Netzwerksteuerung weist einem oder mehreren Netzwerkknoten als Antwort auf Reservierungsanforderungen Zeitschlitze in dem bevorstehenden Kommunikationsfenster zu, wobei die Zuweisung auf einer Priorität der Netzwerkknoten basiert und wobei die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird. Diese Patentanmeldung beschreibt, dass ein Netwerkcontroller für einen zyklischen Media Access Plan (MAP) erstellt, in dem die Zugriffe der Netzwerkknoten in jedem Zyklus festgelegt werden. Basis ist die erforderliche Dienstgüte, die Reservierungsanfragen der jeweiligen Knoten sowie deren Priorität/Unterpriorität, aus denen der Netwerkcontroller den MAP erstellt. Der Netwerkcontroller kann auch ohne Reservierungsanfragen selbsttätig MAP-Nachrichten versenden.
US 2005 213 503 A1 führt in Übereinstimmung mit bestimmten beschriebenen Implementierungen eine koordinierende Vorrichtung Bandbreitenzuweisungsprozeduren basierend auf Informationen aus zuvor nicht erfüllten Bandbreitenzuweisungsanforderungen durch und reagiert auf aktuelle Bandbreitenzuweisungsanforderungen. Die aktuellen Bandbreitenzuweisungsanforderungen legen die aktuell angeforderten Bandbreitenbeträge für mehrere Streams fest, und die aktuellen Bandbreitenzuweisungsanforderungen können von mehreren Entitäten mit mehreren Streams empfangen werden. Die Informationen aus zuvor nicht erfüllten Bandbreitenzuweisungsanforderungen werden berücksichtigt, wenn die verfügbare Bandbreite zwischen den mehreren Streams und mehreren Entitäten für die aktuell angeforderten Bandbreitenbeträge zugewiesen wird. Bei Planung des Buszugriffs der Netzknoten wird vom Headnode die 'nichtbediente' Zugriffsreservierung aus dem vorhergehenden Zyklus mitberücksichtigt.
WO 2019 014 754 A1 offenbart ein konfigurierbares Verwaltungssystem für ein Fahrzeug beinhaltet eine Empfangseinheit, die angepasst ist, um eine Nachricht, die einer Fahrzeugressource zugeordnet ist, von einem Kommunikationsnetzwerk des Fahrzeugs zu empfangen. Eine Steuereinheit ist dazu ausgelegt, eine der empfangenen Nachricht zugeordnete Fahrzeugressource zu bestimmen. Eine Integrationseinheit umfasst ein externes Netzwerk, das mit der Steuereinheit verbunden ist, und die Integrationseinheit umfasst mindestens einen Knoten, wobei der mindestens eine Knoten konfiguriert ist, um eine externe Nachricht über das externe Netzwerk an die Steuereinheit zu senden. Die Steuereinheit wandelt die externe Nachricht in eine geeignete Nachricht um, die an die Fahrzeugressource gesendet wird.
WO 2019 160 569 A1 beschreibt Systeme und Verfahren zum Betreiben von elektronischen Steuereinheiten (ECUs) über mehrere ECU-Domänen in einer Kraftfahrzeugkonfiguration. Ein erster Umgebungssensor für ein fortschrittliches Fahrerassistenzsystem (ADAS) kann eine erste Ausgabe erzeugen. Ein Sensorkonnektivitätsschalter kann die erste Ausgabe an eine erste ECU in einer der Nicht-ADAS-Domänen leiten, um eine zweite Ausgabe zu erzeugen. Jede der Nicht-ADAS-Domänen kann mindestens eine ECU umfassen. Eine zweite ECU in einer Domäne für ADAS kann den zweiten Ausgang verwenden, um einen ADAS-Betrieb oder autonomes Fahren in Fahrzeugumgebungen durchzuführen.
Im Gegensatz zu einem Switched Netzwerk (wie bei 100/1000... Mbit/s) kann mit 10Mbit/s, wie beschrieben, nicht sofort auf den Bus zugegriffen werden, sondern es muss der jeweilige Zeitpunkt abgewartet werden.
Teilnetzbetrieb (aka Sleep/Wakeup) wird eine immer wichtigere Funktion für das Automobil und bspw. auch für den Ethernet-Bus. Dabei werden Steuergeräte bei Bedarf (auch über den Bus) aufgeweckt oder schlafen gelegt, um bspw. Energie einzusparen oder sie initial zu starten.
Der 10Mbit-Bus bietet im Vergleich zu anderen Ethernet-Typen deutlich weniger Datenrate, weshalb hier speziell auf Effizienz der Datenübertragung und der Latenz der Übertragung resp. auch der Zugriffszeit geachtet werden muss. Wenn auch noch Security ein Teil des 10Mbit/s Systems wird, dann bleibt kaum noch Datenrate für Nutzdaten übrig, wie es ähnlich zu den aktuellen CAN-FD-Implementierungen der Fall ist. Mit der Funktion Teilnetzbetriebs muss man sich zusätzlich Gedanken über die Zugriffszeiten und die Effizienz des Busses machen, da dies ein neues Szenario ist, welches im Standard nicht betrachtet wurde.
Im Gegensatz zu einem Switched Netzwerk (wie bei 100/1000... Mbit/s) kann mit 10 Mbit/s, wie beschrieben, nicht sofort auf den Bus zugegriffen werden, sondern es muss der jeweils eigene Sende-Zeitpunkt abgewartet werden. Automotive 10 Mbit/s bzw. 802.3cg PLCA funktioniert nicht mittels Plug and Play wie „normales“ Ethernet. Jeder Knoten muss mit einer speziellen ID (Rangfolge) konfiguriert sein. Diese muss einmalig am Bus sein und auch abgestimmt sein. Die ID kann nicht wahllos vergeben werden und auch nicht ohne Änderung der anderen IDs verändert werden.
Zudem gibt es heute keine Möglichkeit einer automatischen Konfiguration. Es wird eine manuelle Konfiguration benötigt werden, welche fehleranfälliger ist, mehr Zeit beim Flashen in Anspruch nimmer, mehr Geld kostet, mehr Zeit beim Konfigurieren kostet für den Fahrzeughersteller, nicht änderbar ist, wenn es im System Änderungen gibt und unflexibel für das Variantenmanagement ist.
Der Headnode wird entweder in einer Head-Unit, einem Gateway, einer Fusionseinheit oder generell in einem Zonencontroller implementiert sein, also üblicherweise genau auf dem Steuergerät, von dem auch Updates oder Diagnoseabfragen ausgehen.
Bekannt ist einen sogenannten Burstmode einzusetzen, bei dem Knoten max. 255 Pakete während ihres Zyklus schicken können, jedoch ist dieser Modus statisch vor zu konfigurieren und beizubehalten.
Mit dem teilautomatisierten und hochautomatisierten Fahren kommen zunehmend Anforderungen ins Fahrzeug die vom Übertragungsnetzwerk und den Protokollen harte Echtzeitunterstützung verlangen, wie es heute schon im Flugzeug oder der Industrieautomatisierung zu erfüllen gilt. Weiterhin wird ein Bordnetz in Zukunft viel flexibler als heute sein. Knoten werden abgeschaltet, während des Betriebes, wenn sie nicht benötigt werden (dies wird auch Teilnetzbetrieb oder Partial Networking genannt). Das wiederum bedeutet, dass sich das Bordnetz dynamisch zur Laufzeit sehr stark ändern wird. Die Nachteile der manuellen Konfiguration und damit der spezifischen Software soll damit behoben werden. Plattformabhängige Software ist teuer und kann zudem schwerer verkauft werden. Weiterhin wird ein Bordnetz in Zukunft viel flexibler als heute sein. Sensoren und Steuergeräte werden in Zukunft ad hoc hinzugefügt werden. Das wiederum bedeutet, dass sich das Bordnetz dynamisch zur Laufzeit sehr stark ändern wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die neuen Ethernet-Technologien flexibel an die aktuelle Anforderung kostenoptimiert und mit geringem Implementierungsaufwand anzupassen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruchl , dem Steuergerät nach Anspruch 4 und dem Ethernetnetzwerk nach Anspruch nach 6.
Vorteilhaft wird durch die Erfindung die neuen Ethernet-Technologien hinsichtlich Kosten und Implementierungsaufwand für den automobilen Einsatz angepasst.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, dass das 10 Mbit/s Ethernet Netzwerk resp. die Steuergeräte automatisch konfiguriert. Die EM schlägt ein Verfahren vor, bei dem die Steuergeräte unkonfiguriert an den Bus angeschlossen werden können und sich nach dem Start selbstständig konfigurieren. Hierbei ist keine ECU-spezifische Spezialsoftware notwendig, sondern die Ethernet-Software kann auf allen Steuergeräten (Sensoren) gleich sein. Der Aufstart inkl. Synchronisation innerhalb des Busses kann trotz Automatisierung (also nicht vorkonfiguriert) innerhalb weniger Millisekunden erfolgen.
Das Verfahren schlägt vor, dass sich die Steuergeräte jeweils die kleinste mögliche ID selbst vergeben und dann den Buszugriff versuchen. Dabei wird der Versuch über Timer gesteuert, diese Timer werden zufällig gestartet, so dass es zwangsläufig in kürzester Zeit zu einem Buszugriff kommt. Wenn Busaktivität erkannt wird, verhalten sich alle anderen Steuergeräte passiv.
Die Konfiguration und der Test von Mikrofonen, Ultraschall, Radar und vielen weiteren heute CAN-basierten Steuergeräten wird einfacher. Durch die Lösung können Produkte flexibler ausgestaltet werden, ohne dabei in große Teile der Software einzugreifen. Man spart hierdurch eine komplexe Konfiguration und erspart sich dadurch Konfigurationsaufwand.
In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung die Entwicklung von Sensor-basierenden Anwendungen, z. B. Automatisiertes Fahren, Datenlogger, Diagnose, vereinfacht werden. Die erfindungsgemäße Überlegung lässt sich ohne finanziellen Mehraufwand und Hardwarekosten und unter Beibehaltung des Standards verwirklichen. Mit der Nutzung der neu eingeführten Ethernet-Protokolle im Automobil sind Mechanismen notwendig, die sich einfache Techniken und gegebene Eigenschaften von Technologien zu Nutze machen, um auf teure Implementierungen und weitere zusätzliche Hardware verzichten zu können. Das erfindungsgemäße Netzwerksystem ist im Hinblick auf Qualität verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ein neues Verfahren einer automatischen Konfiguration für den 10 Mbit/s Ethernet Bus.
Mit dieser Erfindung wird ein Verfahren vorgestellt, die Software flexibler gestalten lässt und das Beste aus dem darunter liegenden System macht, ohne es vorher fest in Software programmiert zu haben. Die Erfindung erlaubt es den Softwareentwicklern und -architekten eine Software/Anwendung anzubieten, welche flexibler und präziser auf die Anforderungen des Anwendungsfalles zugeschnitten werden kann. Durch den Einbau der genannten Verfahren in Software kann jeweils innerhalb des Steuergerätes eine Optimierung erfolgen. Dies bedeutet, dass Software plattformunabhängiger entwicklet werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass die gängige Hardware nicht verändert werden muss sondern die bestehende weiterverwendet werden kann. Das neue Verfahren kann in ein bestehendes Netzwerk integriert werden ohne dass vorhandene Geräte zu Schaden kommen. Der Standard wird nicht verletzt, da das vorhandene Protokoll verwendet werden kann. Durch die automatische Konfiguration des physicals Layers können verschiedenste Varianten entwickelt und produziert werden, ohne manuell spezielle Konfigurationen erstellen zu müssen. Die führt dazu, dass Produkte schneller auf den Markt kommen.
Als Vorteil aus der anwendungsspezifischen Bestimmung einer genaueren und vorhersagbaren Verzögerung ergibt sich eine Verbesserung der Planung und Ausführung der Kommunikation im Fahrzeug. Hierdurch können vorhandene Bussysteme effizienter ausgenutzt werden, und der Sprung zu einer teuren Technologie mit höherer Bandbreite kann vermieden werden. Dies kann auch Auswirkungen auf benötigte Pufferspeicher haben, auf die dann verzichtet oder kleiner ausgelegt werden kann. Fusionen von verschieden Daten, bspw. Ultraschall, Radar oder Mikrofonen, können hiermit verbessert und genauer ausgelegt werden. Weiterhin kann das Loggen von Daten noch präziser gestaltet werden.
Heute werden Anwendungen zugeschnitten und angepasst auf eine Plattform. Mit dieser Erfindung werden Verfahren vorgestellt, die Software etwas flexibler gestalten lässt und das Beste aus dem darunter liegenden System macht, ohne es vorher fest in Software programmiert zu haben. Auszugehen ist von dem sogenannten Worst-Case, was Ressourcen und Geld kostet und Qualität einbüßt. Die Erfindung erlaubt es den Softwareentwicklern und -architekten eine Software/Anwendung anzubieten, welche flexibler und präziser auf die Anforderungen des Anwendungsfalles zugeschnitten werden kann. Durch den Einbau des beschriebenen Verfahrens in unsere Software kann jeweils innerhalb des Steuergerätes eine Optimierung erfolgen. Dies bedeutet, dass Software plattformabhängiger entwickelt werden kann.
Teilnetzbetrieb als Systemfunktion hat noch größere Auswirkungen auf das Gesamtsystem, wenn damit bspw. die Effizienz des Busses beeinflusst werden kann und Steuergeräte keine Zeit mehr mit dem „Warten“ verschwenden, was bei der 10Mbit/s Technologie leider müssen. Die neuen Technologien sind im Automobil nicht mehr aufzuhalten. Protokolle wie IP, AVB und TSN haben mehrere Tausend Seiten an Spezifikationen und Testsuites. Die Beherrschbarkeit dieser neuen Protokolle im Automobil ist nicht direkt gegeben.
Ein Vorteil dieser Erfindung ist, dass die gängige Hardware nicht verändert werden muss, sondern die bestehende weiterverwendet werden kann. Das neue Verfahren kann in ein bestehendes Netzwerk integriert werden ohne dass vorhandene Geräte zu Schaden kommen. Der Standard wird nicht verletzt, da das vorhandene Protokoll verwendet werden kann. Gerade diese Sensoren müssen so günstig wie möglich sein, um den Massenmarkt zu bedienen. Wenn auf eine teurere Schnittstelle, wie Kabel/Stecker verzichtet werden kann bedeutet dies einen großen Mehrwert. Zudem wird die Güte der Daten besser, je schneller die Daten auf den Bus gelangen und umso weniger gewartet und / oder gespeichert werden muss.
Es wird mit dem Vorschlag ein Problem behoben, dass die Beacon-Zykluszeit nur vom Bus und dessen Konfiguration abhängt, aber nicht von dem einzelnen Knoten bzw. deren Anforderungen. Die grundlegende Revolution der neuen Architekturen ist durch die Zentrierung der Software auf immer weniger Recheneinheiten geprägt. Diese sog. Server oder Zentralrechner bestehen nicht mehr nur aus nur einem pC oder pP sondern beinhalten mehrere pC, pP, SOC und auch Ethernet-Switches mit mit einer großen Anazhl an Ports. Sie stellen ein eigenes lokales Netzwerk mit jeweils individueller Software dar, das bedeutet auch, dass die jeweiligen Softwarekomponenten nicht wissen (können) das Sie bspw. mit Komponenenten kommunizieren, welche im gleichen Gehäuse verortet sind. Bekannt ist Zonenarchitektur mit zentralen Servern. Hier gilt, dass zum einen der Server viele und leistungsstarke Prozessoren beinhaltet und zum anderen sehr viel Software resp. Anwendungen darauf ausgeführt werden. Der Kommunikationsaufwand innerhalb des Steuergeräts ist enorm und dies stellt ein eigenes lokales Netzwerk dar. Die gesamte Software des Fahrzeuges wird hier in Zukunft ausgeführt und jeder Controller hat seinen eigenen Software-Stack, welcher von verschiedenen Anbietern zur Verfügung gestellt wird. Bekannt sind Konzepte um Funktionen und Anwendungen auf andere Steuergeräte/Prozessoren dynamisch auszulagern also auch um diese zu optimieren. Dies wird als Live-Migration, Reallokation oder Migration bezeichnet. Der Serieneinsatz für die Auslagerung von Software auf andere ECUs/Prozessoren ist bekannt.
Durch die neuen Architekturen gibt es nun erstmal Möglichkeiten Software auch auf verschiedenen ECUs zu implementieren da die Hardware generalisierter wird und die Software plattformunabhängiger, wobei bisher dies nicht mit allen Funktionen und ECUs möglich ist. Es steht also zur Designzeit des Systems nicht immer fest, auf welchem Steuergerät (Server), welche Software laufen wird. Die Verschiebung der Software beschränkt sich dabei aber nicht auf ECU-zu-ECU Operationen, sondern bezieht sich noch mehr auf Controller-zu-Controller Operationen innerhalb derselben ECU.
BESCHREIBUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Idee lässt sich ohne finanziellen Mehraufwand, wie Hardwarekosten und unter Beibehaltung des Standards verwirklichen. Mit der Nutzung der neu eingeführten Ethernet-Protokolle im Automobil sind Mechanismen notwendig, die sich einfache Techniken und gegebene Eigenschaften von Technologien zu Nutze machen, um auf teure Implementierungen und weitere zusätzliche Hardware verzichten zu können. Das erfindungsgemäße Netzwerksystem ist im Hinblick auf Zuverlässigkeit verbessert.
Als Vorteil aus der anwendungsspezifischen Bestimmung einer genaueren und vorhersagbaren Verzögerung ergibt sich eine Verbesserung der Planung und Ausführung der Kommunikation im Fahrzeug. Hierdurch können vorhandenen Bussysteme effizienter ausgenutzt werden und der Sprung zu einer teuren Technologie (höhere Bandbreite) kann vermieden werden. Dies kann auch Auswirkungen auf benötigte Pufferspeicher haben, auf die dann verzichtet werden kann (oder kleiner ausgelegt). Fusionen verschiedener Daten (z.B. Ultraschall + Radar oder Mikrofone) können hiermit verbessert und genauer ausgelegt werden.
Weiterhin kann das Loggen von Daten noch präziser gestaltet werden.
Wenn es sich um ein Software Update handelt dann kann durch die Erfindung ein realistischeres Zeitfenster zurückgemeldet werden und es muss nicht vom Worst Case ausgegangen werden. So sind Downloads/Updates möglich die sonst nie oder später gestartet werden würden.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in weiteren Industrie-Bereichen eingesetzt werden, die 10 Mbit/s-Ethernet einsetzen, wie bspw. in der Industrie-Automatisierung.
TECHNISCHE VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wir vorteilhaft gelöst durch ein Verfahren zur Optimierung der Übertragungsdatenrate in einem Sensornetzwerke im Teilnetzbetrieb in einem Ethernetnetzwerk, wobei das Verfahren umfasst: a) Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten durch einen Headnode, b) Klassifizierung der erkannten Knoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Ethernetnetzwerkkommunikation durch den Headnode; c) Empfang von Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Knoten durch den Headnode, d) Zuweisung von Zeitschlitze als Antwort auf Reservierungsanforderungen an einen oder mehreren Knoten im bevorstehenden Kommunikationsfenster, wobei die Zuweisungen auf einer Priorität der Knoten basiert und die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird, wobei nach der Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine dynamische Konfiguration der Knoten vorgenommen wird, und eine Auswahl und ein Start eines Timers des jeweiligen Knoten erfolgt, wobei jeder aktive Knoten jeweils die kleinstmögliche ID selbst vergibt, wobei hierdurch es zu einem Buszugriff des jeweligen Knotens kommt und bei vorhanden sein von einer Busaktivität, die anderen Knoten im Ethernetnetzwerk sich passiv verhalten. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass, wenn ein Buszugriff erfolgt, der erfolgreich ist, die Erhöhung des Timers erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass, wenn ein Buszugriff erfolgt, der nicht erfolgreich ist, die Verkleinerung des Timers erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach einer Ermittlung der Busposition (Node-ID) der schlafenden Knoten, überprüft wird, ob es einen Knoten mit einer höheren Busposition (Node-ID), die keinen schlafenden Knoten repräsentiert, gibt, der nicht aktiv ist, eine Optimierung der Busposition (Node-ID) der aktiven Knoten erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach der Ermittlung der notwendigen Download-Datenrate, eine Ermittlung einer aktuell freien Datenrate im Ethernetnetzwerkes im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes erfolgt, eine Bestimmung einer notwendigen Datenrate pro Buszyklus (Dzus) erfolgt, wobei wenn die freien Datenrate im Ethernetnetzwerkes im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes größer oder gleich der notwendigen Datenrate pro Buszyklus (Dzus) ist, keine Änderung im nächsten Buszyklus vorgenommen wird, und wenn die freien Datenrate im Ethernetnetzwerkes im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes kleiner der notwendigen Datenrate pro Buszyklus ist, eine Änderung im nächsten Buszyklus vorgenommen wird.
Besonders vorteilhaft ist Umsetzung durch eine Steuereinheit für ein Ethernetnetzwerk, welche als erster Knoten als Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Signal an eine zweite Steuereinheit des Ethernet-Bordnetzes zu senden und das Signal von der zweiten Steuereinheit zu empfangen; eine Laufzeit des Signals auf einem Verbindungsweg zur zweiten Steuereinheit zu bestimmen; eine Maximalgeschwindigkeit des Verbindungswegs anhand der Laufzeit zu bestimmen; und eine Art eines Übertragungsmediums des Verbindungswegs anhand der Maximalgeschwindigkeit zu bestimmen, mindestens umfass einen Mikroprozessor, einen flüchtigen Speicher und nichtflüchtigen Speicher, mindestens zwei Kommunikationsschnittstellen, einen synchronisierbaren Zeitgeber, der nichtflüchtige Speicher Programminstruktionen enthält die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, wobei eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens implementierbar und ausführbar ist.
Besonders vorteilhaft ist die Umsetzung durch ein Ethernetnetzwerk für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Steuereinheit und einer zweiten Steuereinheit, wobei die Steuereinheiten über zumindest einen Verbindungsweg miteinander verbunden sind, und die erste Steuereinheit ausgebildet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Ethernet-Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass das Ethernetnetzwerk eine dritte Steuereinheit aufweist, welche nur indirekt mit der ersten Steuereinheit verbunden ist und über einen dritten Verbindungsweg direkt mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist, wobei die dritte Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit eines dritten Signals auf dem dritten Verbindungsweg zu bestimmen, wobei die erste Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Bestimmung der Laufzeit des dritten Signals durch eine Dienstnachricht an die dritte Steuereinheit auszulösen.
Durch die Implementierung der durch die Erfindung angegeben Verfahren kann plattformunabhängige Software mit höherer Qualität und Lebensdauer zum Einsatz kommen. Der Einsatz der Erfindung kann in andere Kommunikationssysteme mit Uhrensynchronisationskomponenten und embedded Systemen eingesetzt werden.
ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die vereinfachte Darstellung der Unterschiede zwischen einem Ethernet-Bus (1 OMbit/s) und einem Switched Network;
Fig. 2 den Prinzipieller Ablauf der Kommunikation am Ethernet-Bus;
Fig. 3 die physische Darstellung des Ethernet-Busses mit Stubs;
Fig. 4 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ID Zuweisung nach erfolgreichem Buszugriff;
Fig. 5 Erweiterung des Standards um eine automatische Konfiguration der NodelDs (die Boxen stellen den Ablauf des Standards dar, die weißen Boxen zeigen an, wie das Verfahren in einen Standard integriert werden kann);
Fig. 6 den automatisierten Buszugriff durch lokale ID-Vergabe;
Fig. 7 das Setzen der Timer-Range in Abhängigkeit der Art des Buszugriffs;
Fig. 8 die Variabilität des Ranges (Timers) in Abhängigkeit von verschiedenen Situationen;
Fig. 9 die Initialisierung des Busses (ID-Vergabe) aus Sicht des Masterknotens;
Fig. 10 die Spezialversion der Initialisierung des Busses nach Fig. 9 (ID Vergabe) aus Sicht des Masterknotens bei einem Plug und Play Netzwerk, wenn Steuergeräte nicht „gleichzeitig“ hochfahren, sondern erst später zeitverzögert werden;
Fig. 11 die Ausprägungsstufe Plug and Play des automatisierten Buszugriffs, wenn Steuergeräte erst später zeitverzögert werden.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN Die Fig. 1 zeigt die vereinfachte Darstellung der Unterschiede zwischen einem Ethernet-Bus (1 OMbit/s) und einem Switched Network
Die Erfindungsmeldung schlägt ein neues Verfahren vor, um die Effizienz der Datenübertragung auf dem Automotive 10Mbit/s Bus zu optimieren und die Buszugriffszeit für die Knoten zu reduzieren.
Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Ablauf der Kommunikation am Ethernet-Bus. Nach Aussendung des Beacons ist erst Knoten 0 an der Reihe, und wenn dieser seine Übertragung beendet hat, darf der nächste Knoten senden (typischerweise darf im Slot jeweils nur ein einzelner Ethernet-Frame gesendet werden).
Die Grundüberlegung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt eine dynamische Anpassung des Bus-Zyklus. Im Gegensatz zum FlexRay hat dies keine negativen oder unbedachten Auswirkungen. Die Knoten habe kein fix definiteres Zeitfenster, sondern folgen nur einer Reihenfolge. Welche Daten von den Knoten vorher geschickt werden, weiß auch der Headnode nicht.
Die Fig. 3 zeigt die physische Darstellung des Ethernet-Busses mit Stubs
Das Verfahren ermittelt als Erstes alle Teilnehmer am Bus. Dies ist typischerweise statisch vorkonfiguriert, da der Headnode diese Anzahl der Teilnehmer wissen muss, um den Ablauf zu planen.
Die Fig. 4 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ID Zuweisung nach erfolgreichem Buszugriff.
Die Fig. 5 zeigt die Erweiterung des Standards um eine automatische Konfiguration der NodelDs, wobei die Boxen den Ablauf des Standards darstellen. Die weißen Boxen zeigen wie das erfindungsgemäße Verfahren in den Standard integriert werden kann. Hiermit soll verdeutlicht werden, wo das erfindungsgemäße Verfahren greift und wie der Standard dahingehend abgeändert werden kann, ohne den generellen Ablauf zu verändern. Dabei wechseln die Knoten, welche noch keine ID zugewiesen haben können, wobei eine Prüfung ob Vorkonfiguration vorliegt erfolgt, in den Zustand Initialize ID und behalten die Default-ID 255 oder weißen sich diese ID zu. In diesem Zustand verharren die Knoten bis Sie einen erfolgreichen Buszugriff hatten. Im Status Initialize Network tritt der Masterknoten ein, wenn eben noch keine Slaves bei ihm vorkonfiguriert sind, also wenn er sein Netzwerk nicht kennt. Erst wenn er alle Slave-Steuergeräte initialisiert hat verlässt er den Zustand.
Der Headnode ermittelt dann alle schlafenden oder defekten oder inaktiven Knoten am Bus. Dabei kann unterschieden werden, ob diese zurzeit schlafen oder ob ein Zeitpunkt in der Zukunft bekannt ist, wenn die Knoten inaktiv sind - schlafen bzw. inaktiv heißt in diesem Zusammenhang das sie nicht an der Buskommunikation teilnehmen (weder aktiv - Nutzdaten senden - noch passiv - Nutzdaten empfangen). Diese Kenntnis bekommt der Headnode entweder über eine höhere Softwareschicht, bzw. Applikation mitgeteilt durch eine Mittteilung eines oder des Teilnehmers am Bus z.B. Antwort auf ein Sleep/Wake-up-Signal aufgrund eines Fehlerzustandes eines Knotens, bspw. durch eine Anfrage des Netzwerkmanagements, Überprüfung von Protokollen, Auslesen von Registern am Knoten.
Die Fig. 6 zeigt den automatisierten Buszugriff durch lokale ID-Vergabe. Die un-initialisierten Teilnehmer am Bus warten auf den Beacon vom Headnode (Masterknoten). Sobald sie diesen Beacon erkennen starten die den NodelDSelectionTimer. Die Timers werden zu unterschiedlichen Zeiten bei jedem Knoten abgelaufen sein da hier mit einer Zufallsfunktion aus einem Wertebereich ausgewählt wird - die Steuergeräte müssen deshalb auch nicht synchron arbeiten. Die Initialisierung startet mit dem Setzen der lokalen NodelD (ID). Dieser Wert wird von 255 auf den geringst möglichen und noch nicht verwendeten Wert gesetzt (wichtig: es sollten keine Lücken in der Reihenfolge entstehen).
LastSuccessfullNodelD wird mit 0 initialisiert. Das Verfahren startet also mit der ID =
1 für allen Knoten. Dies ist jeweils eine lokale Zuweisung. Da alle Knoten, bzw Steuergeräte, Aktivität auf dem Bus lesen können haben Sie stets die gleiche ID und es wird sichergestellt, dass keine ausgelassen wird.
Mit Ablauf des Timers versuchen Sie Zugriff auf den Bus zu bekommen. Wenn der Bus bereits noch vor Ablauf des eigenen Timers belegt ist und keine Kollision erkannt wird, dann bedeutet dies, dass die aktuelle ID hiermit vergeben wird und die nächste NodelD um eins erhöht wird. Es wird weiter versucht Zugriff auf den Bus zu erlangen.
Ist der Bus noch nicht belegt und beim Zugriff tritt eine Kollision auf, dann wird eine Variable hochgezählt, welche die Anzahl der Kollisionen zählt. Dies soll verhindern, dass es zu einem Deadlock kommt. Bei einem definierten Wert (oder Zeitwert) wird dann abgebrochen.
Kommt es zu keiner Kollision, dann behält diese ECU die ID und der Zustand „Initialize ID“ wird verlassen.
Die Fig. 7 zeigt das Setzen der Timer-Range in Abhängigkeit der Art des Buszugriffs. Die Wahl des Timers bzw. dessen Bereichs, aus welchem mit einer Zufallsfunktion gewählt wird, ist entscheidend für die Zeit bis der Bus vollständig initialisiert ist.
Die Range (ein Zahlenbereich von x-y) variiert über die Phase des Initialisierungsvorgangs. Der Zahlenbereich soll so vorgegeben werden, dass zum einen eine schnelle Initialisierung und zum anderen wenig Kollisionen auftreten. Er wird in „Bit-Times“ angegeben und startet bei 20 Bit-Times als unteres Ende.
Das obere Ende (MaxValue) kann entweder immer bei allen Knoten immer gleich sein oder auch prioritätsbasiert also in Abhängigkeit von der Wichtigkeit der ECU geringer oder höher als die anderen ausfallen. Wird bspw. ein großer MaxValue gewählt, dann ist die Wahrscheinlichkeit für einen Buszugriff bei anderen ECUs höher als bei dieser usw. Range [20B it - MaxValue] Die Fig. 8 zeigt Variabilität des Ranges (Timers) in Abhängigkeit von verschiedenen Situationen. Für eine möglichst schnelle Initialisierung schlägt die EM eine FastMode-Variable vor. Dies gibt an um wieviel die Range verkleinert wird, wenn ein Knoten einen erfolgreichen Buszugriff, und damit eine ID zugewiesen bekommen hat, geschafft hat. Im Automotive-Bereich sind zurzeit die Anzahl der Knoten stark beschränkt (typ. 8) weshalb das Verfahren schnell zu einer abschließenden Konfiguration führen kann. Treten Kollisionen auf, kann bspw. der Rang zu klein sein. Deshalb schlägt das Verfahren vor, diesen Wert dann zu erhöhen. Dies wird dann auch auf jedem Knoten umgesetzt und nicht nur auf denen, die ein erfolglosen Buszugriff hatten. Ein größerer Bereich bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit steigt, dass eine ECU Buszugriff bekommt.
Die Fig. 9 zeigt die Initialisierung des Busses (ID-Vergabe) aus Sicht des Masterknotens. Der Masterknoten muss auch lernen, welche und wie viele Knoten es in seinem Netzwerk gibt, weil er daran seinen Buszyklus anpasst. Dazu sendet er getreu dem Standard ganz normale Beacons aus. Kollisionen können alle Busteilnehmer erkennen und so auch er. Er lässt einen Zähler hochlaufen, um zu protokollieren wie viele Fehlersuche es schon gab und um optional eingreifen zu können.
Bei erfolgreichem Empfang einer Nachricht (keine Kollision) sendet er einen Beacon aus und unterbricht damit diesen Zyklus und bestätigt damit die die Vergabe dieser ID, die gerade empfangen wurde. Weiterhin speichert er das ID-Mac-Adresse-Paar ab und schaut optional, ob nicht Fehler aufgetreten sind.
Wenn sein Timer abläuft, wird dieser so gesetzt, dass er größer ist wie die Timer-Rang der Slaves, und er weder Kollision noch Frame empfangen hat. Dann ist der Bus initialisiert, und er geht in den Normalmodus über. Damit schreibt er die Anzahl der Teilnehmer fest und berechnet den Buszyklus, den er ja vorgibt. Der Bus kann nun im Normalbetrieb betrieben werden.
Die Fig. 10 eine Spezialversion der Initialisierung des Busses nach Fig. 9 (ID Vergabe) aus Sicht des Masterknotens bei einem Plug und Play Netzwerk, also, wenn Steuergeräte nicht „gleichzeitig“ hochfahren, sondern erst später zeitverzögert werden. Die Fig. 10 zeigt ein Folgende Abbildungen zeigen eine Ausführungsbeispiel, welches zur Ausführung kommt, wenn die Steuergeräte zeitverzögert gestartet werden. Dieses Verfahren greift solange sich das Netzwerk noch in der Initialisierungsphase befindet. Hierzu schlägt das Verfahren vor, dass noch im Initialisierungsverfahren Daten von den Steuergeräten versendet werden, welche bereits eine ID zugewiesen haben. Inhalt der Daten ist dabei egal.
Durch das Mitlesen der Buskommunikation können die Steuergeräte den aktuellen Stand der Initialisierungsphase bestimmen, auch wenn sie erst später aufgewacht/gestartet wurden. Die Teilnehmer (welche noch keine ID zugewiesen bekommen haben) erkennen dadurch die bereits höchste vergebene ID und passen dann ihre eigene ID an. Weiterhin dazu wird der Timer (Range) angepasst.
Die Fig. 11 zeigt die Ausprägungsstufe Plug and Play des automatisierten Buszugriffs, wenn Steuergeräte erst später zeitverzögert werden.
Der Beacon-Zyklus (resp. wann der nächste Beacon ausgesendet wird bzw. wie viele Knoten am Bus aktiv sind) lässt sich berechnen indem die Anzahl der schlafenden oder defekten oder inaktiven Teilnehmer ermittelt wird. Per se kann mit der verbleibenden Anzahl der aktiven Knoten, egal welche ID sie haben, erstmal berechnet werden wieviel Zeit am Bus eingespart bzw. um wieviel der Buszyklus verkürzt werden kann.
Bei einer Zykluslänge im Normalmodus von
Z = Teilnehmer * (Sendefenster + Framegröße) reduziert sich so generell auf Z‘ = (Teilnehmer-NichtaktiveTeilnehmer)*( Sendefenster + Framegröße)
Es ist vorgesehen, die Ermittlung des Zeitpunkts der Versendung des Beacon in Abhängigkeit der Position (hier: Node ID) der aktiven/schlafenden Knoten vorzunehmen. Alle Knoten am Bus haben eine eindeutige ID. Das Verfahren bestimmt über die Gesamtanzahl der Knoten und der ID die Position der schlafenden Teilnehmer je Bus-Zyklus. Die Anzahl der Teilnehmer am 10Mbit/s Ethernet-Bus für Automotive ist durch die Bustopologie limitiert und so kann leicht ein Überblick ermittelt werden ob sich „hinter“ dem schlafenden oder ggf. fehlerhaften Knoten (IDschlafenderKnoten < IDaktiverKnoten) ein aktiver Knoten befindet.
Wenn sich bis zur höchsten ID kein aktiver Knoten mehr befindet, dann wird der Beacon-Zyklus so angepasst, dass der Beacon vor den Sendeslot, der sogenannten Transmit Opportunity, des ersten schlafenden Knotens gesetzt wird, welcher nur aktive Knoten vor und schlafende Knoten hinter sich hat. Dieses Verfahren setzt voraus, dass sich hinter dem schlafenden Knoten, also höhere ID, kein aktiver Knoten, oder ECU, Sensor, mehr befindet, wie es in Fig 10 angegeben ist. Diese Wahrscheinlichkeit ist ziemlich hoch da das 10 Mbit/s-Ethernet-Bussystem im Automotive-Umfeld heute für typ. 8 ECUs ausgelegt ist.
Es ist vorgesehen, die Verkürzung und Optimierung der Zykluszeit durch vorgezogenes Senden des nächsten Beacon-Frames bei ausschließlich inaktiven Teilnehmern am „Ende“ des Busses, somit der höchsten Node-IDs, vorzunehmen. Wenn allerdings ein Knoten mit einer kleinen ID nicht mehr am Bus teilnimmt, dann schlägt die Erfindung vor die IDs der Teilnehmer anzupassen bzw. zu optimieren. Hierfür gibt es mehrere erfindungsgemäße Vorschläge die Auswahl oder eine Kombination des Verfahrens kann je nach Anwendungsfall angepasst werden:
Die IDs aller aktiven Teilnehmer am Bus mit einer höheren ID werden um die Anzahl der schlafenden Knoten vorher reduziert. Wenn bspw. ID 3 schläft so wird ID 4 um eins reduziert. Dadurch wird die Sende-Reihenfolge der Bus-Teilnehmer beibehalten.
Eine weitere Möglichkeit ist es, die schlafenden IDs durch Teilnehmer mit der höchsten ID aufzufüllen. Wenn ID 3 schläft, dann wird diese ID der höchsten (bspw. ID 8) neu zugewiesen. Dadurch wird die Reihenfolge der Busteilnehmer zwar verändert, es müssen aber weniger Busteilnehmer umkonfiguriert werden. Damit der Buszyklus nicht nutzlos optimiert bzw. angepasst wird, schlägt das Verfahren vor die aktuelle Busauslastung zu ermitteln. Die aktuelle Auslastung kann mittels der zeitlichen Differenz der letzten Beacons und der Anzahl der teilnehmenden Knoten erfolgen. Ergibt sich eine geringe Busauslastung, so ist statistisch anzunehmen, dass diese nicht sprunghaft zum nächsten Zyklus hin ansteigt. Auf etwaige Änderungen kann dennoch reagiert werden, da vorgeschlagen wird die Busauslastung durchgehend zu überwachen.
Im letzten Schritt wird der Buszyklus im Hinblick auf die erforderliche Datenrate angepasst. Hierfür werden später zwei Möglichkeiten vorgeschlagen.
In einem vorteilhaften Teilschritt kann das Verfahrens, bei dem die notwendige Datenrate der aktuellen Buskapazität gegenübergestellt wird, ermittelt werden. Dabei wird erst die notwendige Download-Datenrate in Bezug auf den 10Mbit Bus berechnet. Anschließend wird die Anzahl der aktiven Knoten vom der Headnode bestimmt. Die Slots der inaktiven Teilnehmer, entweder nur passiv mithörend, im Fehlerzustand, oder im Schlafmodus, werden ermittelt und sollen durch das Verfahren für die Headnode zur Verfügung gestellt werden, welches als Dfrei bezeichnet wird.
Dadurch ergibt sich schon einmal eine Optimierung des Busses, ohne dass hierbei aktiv in die laufende Kommunikation eingegriffen wird bzw. ohne das hierbei Knoten stumm geschaltet werden. Der Anwendung kann dann auch die reale Datenrate zurück gemeldet werden ohne dass hierbei immer vom Worst Case ausgegangen werden muss. Das spart Speicher und gibt der Anwendung, evtl, auch dem Fahrer, eine reales Zeitfenster zurück. Diese Methode ist der erste Schritt zur Optimierung des Zyklus.
Es wird eine weitere mögliche Optimierungsstufe beschrieben, anhand der berechneten, notwendigen Datenrate am Headnode eine Teilmenge (oder auch alle) der anderen Teilnehmer am Bus (außer natürlich dem Headnode) vom Senden abzuhalten und somit die Zykluszeit zum Zweck des Downloads (oder Sicherheitsupdates) zu verringern, dass der Headnode seine notwendige Datenrate bedienen kann, selbst wenn laut normaler Busoperation nicht genug Bandbreite zur Verfügung stehen würde. Hierzu wird stets verglichen, welche Datenmenge der Headnode im aktuellen Zyklus noch zu senden hätte, wobei dieser Wert als Grenzwert genommen wird, welcher in diesem Zyklus nicht unter 0 fallen darf und weswegen vorher der Zyklus durch das Senden des nächsten Beacon beendet würde. Dieses Verfahren ergibt höchstmögliche Fairness gegenüber den anderen Busteilnehmern, da nur innerhalb gewisser Toleranzen so viel Bandbreite wie benötigt für den Headnode in Anspruch genommen wird und der Rest weiterhin zur Verwendung durch die nachfolgenden Nodes zur Verfügung steht. Wie viele Nodes durch diese überbleibende Bandbreite in einem Zyklus noch senden können ist nicht genau vorherzusagen, da jeder Busteilnehmer zwischen 0 (sendet gar keine Daten), 64 (sendet einen minimalen Ethernet-Frame) und 1522 Bytes (sendet einen maximalen Ethernet-Frame) liegen kann.
Um die Fairness noch weiter zu steigern, wird vorgeschlagen, dass im Falle das ein Node nicht mehr senden kann und der Zyklus durch den nächsten Beacon beendet wird (da die restliche benötigte Datenrate in diesem Slot unter einen potentiell maximalen Ethernet-Frame fällt), die „Restbandbreite“ in den nächsten Zyklus zu übertragen und für die Verwendung durch die anderen Busteilnehmer im nächsten Zyklus freizugeben. So kann eine Art „Guthaben“ aufgebaut werden trotz eingehaltener Bandbreitenanforderung am Headnode.
Um jedoch ein zu starkes Ansteigen des Guthabens und damit potentiell große Datenbursts bei denen viele der weiteren Busteilnehmer ungehindert große Datenmengen senden können, zu verhindern, wird ebenfalls vorgeschlagen den Anstieg des Guthabens zu begrenzen, entweder zeitlich durch Saturierung oder Rücksetzen des Guthabens nach einer konfigurierbaren Zeitspanne in Sekunden, oder durch einen Zykluszähler bei Saturierung oder Rücksetzen des Guthabens nach einer konfigurierbaren Anzahl an Bus-Zyklen.
Diese Art der Zyklusoptimierung ist nicht die einzig Denkbare. Eine Zwischenlösung zwischen „keine Fairness“, und „größtmögliche Fairness“, könnte beispielsweise ein simpleres Verfahren sein, bei dem über mehrere Zyklen einzig der Headnode senden darf und sich entsprechend schnell ein großes Guthaben aufbaut. Dieses kann ab einem gewissen Schwellwert dann in einem Schwung abgebaut werden, indem dann ein Zyklus eingeschoben wird, in welchem alle Knoten eine Sendemöglichkeit erhalten bevor sie dann wieder eine bestimmte Anzahl Zyklen „aussetzen“ müssen. Diese Variante lässt sich auf Wunsch zur Vereinfachung des Verfahrens auch ganz ohne eine Betrachtung von Guthaben realisieren, sondern schlicht nach Anzahl Zyklen umsetzen - bspw. „99 Zyklen sendet nur Headnode, dann 1 Zyklus alle Knoten“. In diesem Fall kann allerdings ein gewisser Jitter (Varianz) in der Datenrate des Headnodes nicht ausgeschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch alternative Verfahrensschritte, mittels dieser nach Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine Ermittlung der nicht verwendeten Übertragungsmöglichkeiten erfolgt und hierdurch eine Berechnung der absoluten Datenrate für den Headnode pro Zeiteinheit durchgeführt wird.
Das Verfahren schlägt im Folgenden vor, die Vertrauenswürdigkeit eines Kommunikationspartners bzw. dessen Anwendung zu bestimmen. Sofern diese Vertrauenswürdigkeit bestimmt ist, kann somit der Austausch von sensiblen Daten vollzogen werden.
Die Headnode auf dem Server sind beispielsweise auf der PCB (Platine) typischerweise per MH (Media Independent Interface) oder PCI-Express verbunden und kommen damit immer ohne Transceiver (PHYs) aus.
Ein Ethernet-Transceiver (PHY) verursacht eine Verzögerung im 3-stelligen Nanosekunden Bereich. Das klingt wenig, aber die Verzögerung auf Schicht 2 (MAC) befindet sich etwa im 1 -stelligen Nanosekunden Bereich bzw. tendiert gegen 0 - je nachdem wie hoch die Auflösung der Messung liegt.
Das Verfahren bestimmt zu allererst die Adresse der Anwendung, mit der Daten ausgetauscht werden sollen (empfangen, versendet oder beides). Dann startet das Verfahren eine Laufzeitmessung zu dieser Komponente. Hierbei kann bspw. das PDelay_Request-Verfahren des gPTP Protokolls (oder 802.1 AS) zum Einsatz kommen. Als Antwort darauf werden zwei Antworten zurückgeschickt und mithilfe von Hardwarezeitstempel lässt sich die Laufzeit der Nachricht bestimmen, (wichtig ist die Verwendung eines Protokolls mit Hardwarezeitstempeln- NTP fällt bspw. damit raus da die Auflösung zu ungenau ist).
Mithilfe dieses berechneten Wertes berechnet das Verfahren den physikalischen Abstand zu diesem Teilenehmer. Der Abstand ist hierbei nicht direkt ausgedrückt durch eine Maßeinheit wie bspw. Meter oder Zentimeter, sondern lässt sich umrechnen auf die Anzahl der Komponenten (PHYs, Switches), die Teil der Verbindung sind, da diese Verzögerung maßgeblich im Gegensatz zur Verzögerung auf dem eigentlichen Kabel ist.
Das Verfahren misst alternativ die Laufzeit zu einem Teilnehmer/Adresse indem es Laufzeitmessungen startet (bspw. Teil des PTP Protokolls) und daraus den Abstand zu diesem Teilnehmer berechnet.
Die gemessene Laufzeit muss erst bewertet werden, um einen Aufschluss über den Ort zu geben. Ob sich ein Partner innerhalb dergleichen ECU befindet oder nicht kann die Software nicht wissen bzw. idealerweise darf sie es nicht wissen, wenn eine generalisierte SW und keine Spezialversion genutzt wird; zudem können IP-Adressen gefälscht oder verändert werden. Die Laufzeit einer Mll-basierten Verbindung kommt ohne PHYs (Transceiver) aus. Das weiß jedoch weder die Zeitsynchronisationssoftware noch die eigentliche Anwendung, die diese Untersuchung in Auftrag gibt. Ein PHY wandelt die Daten in elektrische Signale um und codiert diese noch was viel mehr Zeit in Anspruch nimmt als wenn zwei Ethernet-MACs über die MH basierten Leitungen miteinander kommunizieren.
Das vorgestellte Verfahren erkennt auch, ob ein Teilnehmer direkt mit dem anfragenden Teilnehmer verbunden ist. Ist dies nicht der Fall dann kann je nach Latenz das jeweilig passende Protokoll ausgewählt werden. Für Latenzen die innerhalb des Fahrzeuges gelten könnte bspw. MAC-Sec, IP-Sec zum Einsatz kommen und weitere IP/TCP-basierte Verfahren, wenn die Latenz so groß ist zweifelsfrei der Teilnehmer sich außerhalb des Fahrzeuges befindet.

Claims

26 Patentansprüche
1 . Verfahren zur dynamischen Konfiguration von Sensoren und Steuergeräten in einem Ethernetnetzwerk, wobei das Verfahren umfasst: a) Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten durch einen Headnode, b) Klassifizierung der erkannten Knoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Ethernetnetzwerkkommunikation durch den Headnode; c) Empfang von Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Knoten durch den Headnode, d) Zuweisung von Zeitschlitze als Antwort auf Reservierungsanforderungen an einen oder mehreren Knoten im bevorstehenden Kommunikationsfenster, wobei die Zuweisungen auf einer Priorität der Knoten basiert und die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine dynamische Konfiguration der Knoten vorgenommen wird, und eine Auswahl und ein Start eines Timers des jeweiligen Knoten erfolgt, wobei jeder aktive Knoten jeweils eine kleinstmögliche ID sich selbst vergibt, wobei hierdurch es zu einem Versuch des Buszugriff des jeweligen Knotens kommt und bei Vorhandensein von einer Busaktivität, die anderen Knoten im Ethernetnetzwerk sich passiv verhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenn ein Versuch eines Buszugriff erfolgt, der erfolgreich ist, die Erhöhung des Timers erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenn ein Versuch eines Buszugriff erfolgt, der nicht erfolgreich ist, die Verkleinerung des Timers erfolgt.
4. Steuereinheit für ein Ethernetnetzwerk, welche als erster Knoten als Steuereinheit dazu ausgebildet ist: ein Signal an eine zweite Steuereinheit des Ethernet-Bordnetzes zu senden und das Signal von der zweiten Steuereinheit zu empfangen; eine Laufzeit des Signals auf einem Verbindungsweg zur zweiten Steuereinheit zu bestimmen; eine Maximalgeschwindigkeit des Verbindungswegs anhand der Laufzeit zu bestimmen; und eine Art eines Übertragungsmediums des Verbindungswegs anhand der Maximalgeschwindigkeit zu bestimmen, mindestens umfasst einen Mikroprozessor, einen flüchtigen Speicher und nichtflüchtigen Speicher, mindestens zwei Kommunikationsschnittstellen, einen synchronisierbaren Zeitgeber, der nichtflüchtige Speicher- Programminstruktionen enthält, die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 implementierbar und ausführbar ist.
5. Ethernetnetzwerk für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Steuereinheit und einer zweiten Steuereinheit, wobei die Steuereinheiten über zumindest einen Verbindungsweg miteinander verbunden sind, und die erste Steuereinheit gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist.
6. Ethernet-Bordnetz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethernetnetzwerk eine dritte Steuereinheit (5) aufweist, welche nur indirekt mit der ersten Steuereinheit (3) verbunden ist und über einen dritten Verbindungsweg direkt mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist, wobei die dritte Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit eines dritten Signals auf dem dritten Verbindungsweg zu bestimmen, wobei die erste Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Bestimmung der Laufzeit des dritten Signals durch eine Dienstnachricht an die dritte Steuereinheit auszulösen.
7. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (200) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3 auszuführen.
8. Computerlesbareres Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 7 gespeichert ist.
9. Fahrzeug mit mehreren Steuereinheiten nach Anspruch 4 umfassendes
Ethernet-Bordnetzwerk.
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