车辆异构互连网络中的信息自适应传输方法与流程
本发明属于车辆信息网络技术领域，具体涉及一种车辆异构互连网络中的信息自适应传输方法。
背景技术：
目前，公知的车辆数据传输网络包括can、lin、flexray、mic、1553b、most、fc、1394、以太网和实时以太网(包括afdx、tte、avb、tsn)，以及用于车内无线信息传输的wifi、zigbee通信等。
在车辆信息网络架构设计中，常常采用can总线连接动力传动，机电系统，lin总线连接车身控制系统，用以太网传输与音视频多媒体、乘员娱乐等业务相关的信息，采用无线通信传输远端末梢传感器信息；现如今，随着无人驾驶、物联网、人工智能、多传感器数据处理与融合等技术的发展和在车辆上的应用，信息的容量、传输确定性与实时性要求不断提高，因此车辆信息系统又发展出了avb、tsn、tte等高速实时网络，这些实时网络负责用于车辆行驶控制与安全相关的视频、传感器、计算处理、显示与人机交互控制等系统的互连，同时兼顾控制软件失效备份等问题，这些新的总线或网络并不一定会取代传统的can、flexray等网络，而是在不同的功能场景下得到使用。这就带来了车辆信息系统的网络碎片化问题，即车辆信息系统中会同时存在can、flexray、以太网、fc、tte/tsn/afdx等多种信息传输方式。
当前，在这种碎片化的网络结构下，通常使用一个或多个网关设备完成跨网络信息的分发，因此，系统内所有信息传输的路径必须确定，在设计阶段就需要根据所有信息传输所需的周期、延时等参数确定采用的总线形式。这一方法的缺点是缺乏灵活性，当车辆传输的信息集合发生较大变化时，需要重新设计车辆的总线、信息流和协议。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对车辆信息系统的网络类型越来越多的问题，以及为了克服现有信息传输设计的复杂度较高，扩展性不强的缺点，如何提出一种新型的面向异构车辆网络的信息动态自适应传输方法。其中异构车辆网络是指在一个车辆上存在多种拓扑结构、协议、速率及带宽的总线或网络。
该方法面向不同用户的业务及其服务质量要求，需要为每类信息的传输提供可靠的物理路径，并且要求其可以在网络发生拓扑、构型和规模数量变化的情况下支持动态调整和重构。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种车辆异构互连网络中的信息自适应传输方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：构建车辆信息系统网络传输模型；
将车辆信息系统中的网络和节点抽象为车辆信息系统网络传输模型，所述车辆信息系统网络传输模型为一种车辆异构互连网络的模型，该模型包括：主干网、分系统网络、终端网络；
步骤2：虚拟接入；
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，将所有车辆信息系统中的物理设备统一编址，划入同一个逻辑网络中；
步骤3：维护直连物理链路信息传输状态；
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，针对具有直连物理链路的两个邻节点，即该两个邻节点之间无需通过其它设备中转即可实现信息的传输，所述直连物理链路即直连数据传输物理链路，定义并监控维护该直连物理链路对信息传输所关注的物理参数；
步骤4：管理信息传输接入需求；
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，针对车辆信息系统中每个设备发起的需要传输的信息，将各个信息在传输时所需要满足的约束全部提取出来并进行管理；
步骤5：估计网络信息传输延时；
在车辆信息系统的网络中，针对数据传输物理路径中的点对点连接或中间节点的转发服务过程，估计信息的传输延时；
步骤6：选择物理传输路径；
将信息传输的物理层通路选择抽象为一个在图中寻找路径的数学模型，即求解当给定传输物理链路的参数时，信息传输的需求被满足时的传输路径。
其中，所述方法用于针对车辆信息系统中多种异构网络存在时的信息传输，实现信息在车辆异构互连网络中按需自适应互连；
所述车辆异构互连网络是指在一个车辆上存在多种拓扑结构、协议、速率及带宽的总线或网络。
其中，所述步骤1中，所述车辆信息系统网络传输模型构建中，将车辆信息系统网络抽象为主干网、分系统网络和终端网络，以图形的节点和边的形式表示。
其中，所述终端网络为：由点对点连接的串口、硬线或无线网络组成，是传感器或执行器与控制设备之间的信息传输通道。
其中，所述分系统网络是连接多个功能相关的设备，从而使这些设备有机的组成一个分系统或车辆的功能体。
其中，所述主干网是承载音、视频大容量数据传输，车际通信，车内的乘员显示控制，多媒体及分系统之间互连的网络，主干网采用高带宽的交换式网络。
其中，所述步骤2的虚拟接入中，将车辆信息系统网络中所有节点以逻辑地址，设备的中英文名称或16进制编码的方式统一在同一个虚拟网络中。
其中，所述步骤3直连物理链路信息传输状态的维护中，定义并监控管理每个具有直连物理链路的节点间的物理链路参数状态，包括：链路的完整性与可用性、传输带宽、支持的协议、安全等级、误码率。
其中，所述步骤4的信息传输接入需求的管理中，针对每个车辆信息系统网络中需要传输的信息，通过信息传输接入需求来管理各个信息传输所需要满足的约束，包括：信息传输的端到端延时，传输所需的带宽或传输的信息长度，抖动，传输所需的所需的网络协议，每个信息传输的物理路径。
其中，所述步骤5的网络信息传输延时估计中，使用所述步骤3的直连物理链路信息传输状态的维护过程，以及所述步骤4的信息传输接入需求的管理过程中的直连物理链路的带宽、中间节点的转发或服务能力，结合已存在的信息传输，计算得到信息传输的延时估计值。
其中，所述步骤6的物理传输路径选择中，通过所述步骤3得到直连物理链路的信息传输状态与能力，通过所述步骤4得到车辆信息系统中各个信息传输所需满足的要求，通过所述步骤5计算得到新增信息传输接入后导致的所有信息传输的延时变化，最终确定新增信息传输时的物理传输路径。
(三)有益效果
本发明技术方案包括车辆信息系统网络传输模型的构建、虚拟接入、直连物理链路的信息传输状态维护、信息传输接入需求管理、网络信息传输延时估计以及物理传输路径选择。该方案面向含有多种异构网络的车辆信息系统，在信息发送时，不指定固定的传输路径，依靠车辆信息系统自适应决策满足信息传输需求的发送和接收节点之间数据传输的物理路径。
本发明的有益效果是，可以在多种异构网络互连、或网络节点、连接关系、拓扑发生变化的情况下，自适应地满足各个信息的传输，而不需要预先或重新设计所有信息在每一个物理网络上的传输协议、周期等，克服了传统设计中必须预先设计或当传输需求发生改变时必须进行重新设计的问题。
附图说明
图1是本发明车辆信息系统异构网络连接的子系统示意图。
图2是本发明中所述的一种车辆异构互连网络模型示意图。
图中：1.可代表通信子系统；2.可代表视频采集子系统；3.可代表环境感知子系统；4.可代表动力传动子系统；5.可代表信息处理子系统；6.可代表机电子系统；7.可代表人机交互子系统；8.可代表主干网；9.分系统网络；10.终端网络；11.信息传输物理路径。
图3是本发明技术方案原理示意图。
图4是本发明技术方案流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种车辆异构互连网络中的信息自适应传输方法，如图4所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1：构建车辆信息系统网络传输模型；
如图1-图2所示，将车辆信息系统中的网络和节点抽象为车辆信息系统网络传输模型，所述车辆信息系统网络传输模型为一种车辆异构互连网络的模型，该模型包括：主干网、分系统网络、终端网络；
步骤2：虚拟接入；
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，将所有车辆信息系统中的物理设备统一编址，划入同一个逻辑网络中；
步骤3：维护直连物理链路信息传输状态；
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，针对具有直连物理链路的两个邻节点，即该两个邻节点之间无需通过其它设备中转即可实现信息的传输，所述直连物理链路即直连数据传输物理链路，定义并监控维护该直连物理链路对信息传输所关注的物理参数；
步骤4：管理信息传输接入需求；
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，针对车辆信息系统中每个设备发起的需要传输的信息，将各个信息在传输时所需要满足的约束全部提取出来并进行管理；
步骤5：估计网络信息传输延时；
在车辆信息系统的网络中，针对数据传输物理路径中的点对点连接或中间节点的转发服务过程，估计信息的传输延时；
步骤6：选择物理传输路径；
将信息传输的物理层通路选择抽象为一个在图中寻找路径的数学模型，即求解当给定传输物理链路的参数时，信息传输的需求被满足时的传输路径。
其中，所述方法用于针对车辆信息系统中多种异构网络存在时的信息传输，实现信息在车辆异构互连网络中按需自适应互连；
所述车辆异构互连网络是指在一个车辆上存在多种拓扑结构、协议、速率及带宽的总线或网络。
其中，所述步骤1中，所述车辆信息系统网络传输模型构建中，将车辆信息系统网络抽象为主干网、分系统网络和终端网络，以图形的节点和边的形式表示。
其中，所述终端网络为：由点对点连接的串口、硬线或无线网络组成，是传感器或执行器与控制设备之间的信息传输通道。例如：温度传感器与发动机之间的连接。
其中，所述分系统网络是连接多个功能相关的设备，从而使这些设备有机的组成一个分系统或车辆的功能体。例如：使用can或flexray总线将发动机，传动控制器，制动控制器，换挡手柄，踏板，显示仪表和多功能方向盘等互连在一起，可组成动力传动子系统；将电池组，发电机，各个配电装置或电动机使用can或flexray总线连接，可组成机电子系统；
其中，所述主干网是承载音、视频等大容量数据传输，车际通信，车内的乘员显示控制，多媒体及分系统之间互连的网络，主干网多采用高带宽的交换式网络。如：fc网络，以太网等，并通过设计冗余链路等提供系统的可扩展和容错能力。
其中，所述步骤2的虚拟接入中，将车辆信息系统网络中所有节点以逻辑地址(如ip地址)，设备的中英文名称或16进制编码的方式统一在同一个虚拟网络中。
其中，所述步骤3直连物理链路信息传输状态的维护中，定义并监控管理每个具有直连物理链路的节点间的物理链路参数状态，包括：链路的完整性与可用性、传输带宽、支持的协议、安全等级、误码率等。
其中，所述步骤4的信息传输接入需求的管理中，针对每个车辆信息系统网络中需要传输的信息，通过信息传输接入需求来管理各个信息传输所需要满足的约束，包括：信息传输的端到端延时，传输所需的带宽或传输的信息长度，抖动，传输所需的所需的网络协议，每个信息传输的物理路径等；
其中，所述步骤5的网络信息传输延时估计中，使用所述步骤3的直连物理链路信息传输状态的维护过程，以及所述步骤4的信息传输接入需求的管理过程中的直连物理链路的带宽、中间节点的转发或服务能力，结合已存在的信息传输，计算得到信息传输的延时估计值。
其中，所述步骤6的物理传输路径选择中，通过所述步骤3得到直连物理链路的信息传输状态与能力，通过所述步骤4得到车辆信息系统中各个信息传输所需满足的要求，通过所述步骤5计算得到新增信息传输接入后导致的所有信息传输的延时变化，最终确定新增信息传输时的物理传输路径。
实施例1
为解决上述技术问题，本发明提供一种车辆异构互连网络中的信息自适应传输方法。所述方案包括如下内容：
(1)车辆信息系统网络传输模型的构建
首先，根据车辆网络混合业务需求及现有车辆网络的应用情况，可设计出一种车辆异构互连网络结构模型，该网络架构模型由主干网、分系统网络、终端网络组成，图1或图2给出了一种示例。其中，终端网络一般由点对点连接的串口、硬线或无线网络等组成，是传感器或执行器与控制设备之间的信息传输通道。例如：温度传感器与发动机之间的连接。分系统网络是连接多个功能相关的设备，从而使这些设备有机的组成一个分系统或车辆的功能体，例如：使用can或flexray总线将发动机，传动控制器，制动控制器，换挡手柄，踏板，显示仪表和多功能方向盘等互连在一起，可组成动力传动子系统；将电池组，发电机，各个配电装置或电动机使用can或flexray总线连接，可组成机电子系统。主干网则是承载音、视频等大容量数据传输，车际通信，车内的乘员显示控制，多媒体及分系统之间互连的网络，主干网多采用高带宽的交换式网络，如：fc网络，以太网等，并通过设计冗余链路等提供系统的可扩展和容错能力。
(2)虚拟接入
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，增加虚拟接入层。虚拟接入为分布在各个不同(异构)网络中的设备提供一个统一的逻辑地址，对车辆中的应用而言，不必关注设备所处的具体的物理网络，如何路由达到目的地及相关的链路协议，只需要在虚拟接入的基础上指明信息收发的逻辑地址，即可完成信息传输；
(3)直连物理链路信息传输状态维护
在两个设备之间，若无需通过其它设备中转即可实现信息的传输，则说明这两个设备存在直连物理链路，而这两个设备也成为网络中的邻节点。例如，一条总线上的每两个设备间都具有直连物理链路，交换式以太网中，交换机和设备之间具有直连物理链路。
针对每一个直连物理链路，对该链路上的信息传输所关注的物理参数进行记录和维护，则完成了该直连物理链路的信息传输状态维护，这些物理参数包括链路的完整性与可用性、传输带宽与支持的协议、安全等级、误码率以及在当前链路上已有的信息传输状态等；
(4)信息传输接入需求管理
在车辆信息系统网络传输模型的基础上，针对车辆信息系统中每个设备发起的信息传输，将所需传输信息的约束全部提取出来，包括信息传输的端到端延时值、传输所需的带宽、传输所需的网络协议等，对这些信息传输所需要满足的约束进行记录并管理。
(5)网络信息传输延时估计
在车辆信息系统网络中，针对某设备发起的信息传输，由于该传输至少需要通过一次直连物理链路的传输，因此，可以利用直连物理链路信息传输状态维护，对该信息传输的所有可行的物理路径中的每一段直连物理链路进行传输参数的估计，估计的对象是所有可行的物理路径中的每一段直连物理链路上所有信息的传输的完整性与可用性、传输带宽与支持的协议、安全等级、误码率以及状态等。
(6)物理传输路径选择
针对某设备发起的信息传输及其接入需求，当车辆信息系统中的a节点发送一条新的消息至b节点时，根据当前直连物理链路的信息传输及网络信息传输延时估计，将信息传输的物理层通路选择抽象为一个在图中寻找路径的数学模型，即求解当给定传输物理链路的参数时，信息传输的需求被满足时的传输路径。
实施例2
本实施例为解决现有技术的问题，提供一种车辆异构互连网络中的信息自适应传输方法，该方法包括以下内容：
(1)车辆信息系统网络传输模型的构建
根据车辆网络混合业务需求及现有车辆网络的应用情况(分系统划分示意如图1所示，可以得出一种车辆异构互连网络结构模型，该网络架构模型由主干网、分系统网络、终端网络组成，图2给出了一种示例；
(2)虚拟接入
建立一个虚拟的地址表格，用以标记所有的物理设备，下表给出一个示例，设备名称是整车内的所有设备，逻辑地址代表该设备在网络中的标识，可以使用文字、字符串、十六进制编码等。
(3)直连物理链路的信息传输状态维护
针对具有直连数据传输物理链路的邻节点i,j，定义并监控管理如下物理参数(包括但不限于)：
aij：邻节点i与j之间的链路是否允许使用；
bij：邻节点i与j之间的传输带宽；
sij：邻节点i与j之间安全等级；
pij：邻节点i与j之间链路传输的最大误码率；
mij：邻节点i与j之间网络协议的模式，例如mij∈{0,1,2}，其中0表示使用时间触发的网络协议，1表示使用事件触发的网络协议，2表示可使用混合传输模式的网络协议；
以w(i,j)＝{aij,bij,pij,sij,mij,...}集合表示邻节点i与j之间的物理链路所具备的能力和当前运行时的状态参数；
(4)信息传输接入需求管理
针对所有车辆信息系统网络中需要传输的信息，通过信息接入需求管理各个信息传输所需要满足的约束。其模式是：每当有一个信息传输需求被应用层提出时，更新以下各个参数集合：
{δk}：表示所有数据传输所需求的延时约束(其中k＝1,2,3...,n+1，代表每一个数据传输，下同)，其中k＝n+1代表当前最新的传输；
{bk}：表示所有数据传输所需求的传输带宽或传输的信息长度；
{jk}：表示所有数据传输所需求的抖动约束；
{pk},k＝1,2,...,n：表示所有已存在的数据传输的物理路径；
{mn+1}：表示新的传输所需的网络协议约束；
以l＝{{δk},{bk},{jk},{pk},mn+1,...}表示所有网络中的数据传输所需要满足的约束参数；
(5)网络信息传输延时估计
在物理链路的选择中，针对数据传输路径中的一个直连物理链路连接，延时的估计可使用以下方法；
1)多路信息汇聚的延时计算
多路汇聚是指多个物理链路同时接入到一个中间节时(例如多个链路接入一个交换机)，节点内部的交换分发逻辑由于到达的数据包增多而导致增加信息的服务及转发延时；
对于使用非时钟同步传输的信息，用delay＝bk/bij+(n+1)μ估计延时，其中n+1代表中间节点接收的信息数量，μ代表单次信息服务(转发)所需要的时间，bij的含义见前文，j代表汇聚节点(交换机)，i代表直接连接汇聚节点(交换机)的节点；
对于使用时钟同步传输的信息，用delay＝bk/bij+μ估计延时，其中μ代表单次信息服务的延时；
2)单路多信息汇聚的延时计算
单路多信息汇聚的情况相当于多条信息共享了一条物理链路，不仅在传输链路上存在先后发送顺序上的竞争，在中间节点的服务过程中也会增加服务的负荷，这两类问题均会对延迟产生影响。
对于使用非时钟同步传输的信息，以ck为bk,(k＝1,2,...,n+1)的一次重排列，且满足ck≤ck+1,k＝1,2,...,n，用
对于使用时钟同步传输的信息，用delay＝bk/bij+μ估计延时，其中μ代表单次信息服务的延时；
(6)物理传输路径选择
当车辆信息系统中的a节点发送一条新的消息至b节点时，将信息传输的物理层通路选择抽象为一个在图中寻找路径的数学模型，即求解当给定所有w(i,j)(含义见前文)的前提下，l(a,b)被满足时的数据传输路径。
用户的约束参数l＝{{δk},{bk},{jk},{pk},mn+1,...}，定义约束不等式l(a,b)≤w(i,j)为：
1)
2)
3)
4)mn+1＝mij，指所有邻节点i,j传输路径上支持的协议都与用户协议匹配；
因此，满足语义需求的最优传输路径规划抽象数学模型可以描述为，当w(i,j)与l(a,b)的各参数和约束确定时，求信息发送节点a与接收节点b之间的“可行”路径p，即
目标：p(a,b)，
其中，p(a,b)表示满足新增的第n+1条数据传输的可行传输路径，e(i,j)表示p(a,b)中的一条“边”(点对点物理链路)。求解这个模型的过程中，有时候满足条件的p(a,b)不止一条，则可以增加额外约束，例如最小化所有的传输延时min{dk}，最小化当前信息的延时min{dn+1}，选择拥有最大传输带宽的路径等。
图3给出了一种以最小化传输延时的路径选择方法，图中a为信息发送节点，b为信息接收节点，考虑a到b的信息传输建立后的每个物理链路上的延时值d在网络中以数值形式给出，数值越小表示延时越小。
综上，本发明技术方案首先提出了一种信息端到端传输的自适应传输模型，通过构建统一的虚拟接入实现车辆异构互连网络各节点的互连。它使得网络的设计者不需要关注信息传输的实际物理路径，而是通过网络动态、自适应的方式进行自主决策执行，也可在网络发生拓扑、构型和规模数量变化的情况下进行自恢复。
该方案分为车辆信息系统网络传输模型的构建，虚拟接入，直连物理链路信息传输状态管理，信息传输接入需求管理，网络信息传输延时估计，和物理传输路径选择。本发明的有益效果是可以面向车辆任务终端动态接入、即插即用，为构建支持海量混合业务可靠确定传输的车辆互连网络，实现“开放、敏捷、可重构”等功能提供支持
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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