在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法与流程

本发明涉及一种在机动车辆的以太网车载网络内在部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法、一种控制设备以及一种以太网车载网络。

背景技术：

1、随着10mbit/s(ieee802.3ch)的出现，除了100mbit/s、1000mbit/s和正在进行的千兆位标准化之外，其他的以太网标准也将会用于汽车应用。

2、新标准的一个变体是基于csma/cd的多点(multidrop)模式。这与其他以太网变体(>10mbit/s)有很大不同，因为它追求的目标是能够更成本有效地设计以太网，从而也能解决更简单的控制设备。这种标准不需要任何交换机(交换机ic)，而是被设计成总线(类似于can)。这大约将所需的phy(收发器/端口物理层)数量减半。因此，由于能够大大降低系统成本，以太网正在成为can/can-fd和flexray的有力竞争对手。此外，典型的汽车接口(如spi而不是xmii)也能用于控制器与物理收发器/端口物理层(phy)之间的通信。

3、图1比较了交换式以太网与如ieee标准ieee p802.3cg中定义的“总线以太网”(多点)的基本特征。在此最重要的区别是，资源(即总线访问)在交换式以太网中仅独家地可用，这意味着在每个时间每个以太网节点(ecu)都需要进行传输，而在这个过程中不会发生冲突。在具有多点模式的新的以太网总线实施方式中使用了共享介质，也就是说，在这个资源可用之前必须等待总线访问。

4、ieee p802.3cg标准特别使用了一种新定义的机制(plca——物理层冲突避免)来避免在总线访问期间的冲突并实施公平访问。在这种情况下，在任何时候都确切地只有一个phy(物理收发器)能接收对总线的访问。这使得避免冲突成为可能。访问是基于所谓的轮询(round-robin)方法。总线上的每个ecu(节点)都有机会在定义的周期(或序列)内进行一次传输。

5、承担网络控制器的功能所谓的头节点在这种情况下确定周期并在总线上传输重复出现的“信标”。因此，各节点基于其先前定义的身份id(这确定了关于它们何时被允许进行传输的顺序)启动定时器，并且在所述定时器到期并且认识到轮到它们之后，这些节点被允许进行传输。

6、图2示出了以太网总线上的通信的基本序列。在传输信标之后，就轮到节点0，并且当这个节点完成其传输后，再允许下一个节点进行传输(通常情况下，在各时隙中分别只能传输单个以太网帧)。

7、图3展示了具有分支线的以太网总线的物理表示。

8、ep 2 585 940 a1描述了用于在被管理网络中调度网络通信的系统和方法可以包括识别多个网络节点的网络控制器；网络控制器将所识别的网络节点分类为两个或更多个节点类别，以便在节点层面对网络通信进行优先级排序；该网络控制器从多个网络节点中的至少一些网络节点接收预留请求，其中，这些预留请求为其相应的网络节点在即将到来的通信窗口中请求一个或多个时隙；并且该网络控制器响应于预留请求将即将到来的通信窗口中的时隙分配给一个或多个网络节点，其中，该分配基于这些网络节点的优先级，并且其中，该优先级是根据这些节点的类别而被分配给这些节点的。该专利申请描述的是网络控制器创建周期介质访问规划(map)，其中，在每个周期中定义了网络节点的访问操作。基础是所需的服务质量、来自相应节点的预留请求及其优先级/次优先级，网络控制器根据这些内容创建map。网络控制器也可以在没有预留请求的情况下自动发送map消息。

9、在us 2005 213 503a1中，根据某些描述的实施方式，协调设备基于来自先前未满足的带宽分配请求的信息执行带宽分配程序，并对当前的带宽分配请求做出响应。当前带宽分配请求为多个流指定当前请求的带宽量，并且可以从具有多个流的多个实体接收这些当前带宽分配请求。当针对当前请求的带宽量在多个流或多个实体之间分配可用带宽时，会考虑到来自先前未满足的带宽分配请求的信息。在规划网络节点的总线访问时，头节点也会考虑到前一个周期中的“未服务”访问预留。

10、与(如具有100/1000mbit/s等的)交换式网络不同，如所描述地，不能以10mbit/s立即访问总线，而是需要等待相应的时间。

11、部分联网(又称休眠/唤醒)将成为对于机动车辆来说越来越重要的功能，例如，对于以太网总线也是如此。在这种情况下，根据需要(也经由总线)唤醒控制设备或使其进入休眠，以便例如节省能源或启动这些控制设备。

12、与其他以太网类型相比，10mbit总线提供的数据速率明显较低，这就是在此必须特别考虑数据传输的效率和传输的等待时间或者说访问时间的原因。如果安全性也成为10mbit/s系统的一部分，那么几乎没有任何剩余的数据速率留给有效载荷数据，这类似于当前的can-fd实施方式的情况。

13、利用部分联网的功能，需要额外考虑总线的访问时间和效率，因为这是标准中没有考虑的新场景。

14、图4展示了一般问题。对于休眠或有缺陷的节点(控制设备)，带宽被浪费/带宽保持可用于所有节点。这限制了总线的带宽并且不必要地消耗了资源。

15、目前的问题在于，标准仅允许每一周期传输一帧，因此，随着总线上订户数量的增加，用于相应的节点(在此特别是主节点或头节点)的剩余数据速率会下降。

16、头节点要么在车载主机、网关、融合单元中实施，要么通常在区域控制器中实施，也就是说，通常在也要进行更新或诊断查询的同一控制设备上实施。

17、众所周知，要使用所谓的突发模式，在该突发模式下，节点在其周期期间能够发送至多255个数据包，但这种模式需要静态地预配置和维持。

18、在部分自动以及高度自动驾驶中，对车辆的要求越来越多，这需要传输网络和协议提供硬性实时支持，就像目前飞行器或工业自动化中已经出现的情况一样。

19、车载网络在未来也将比现在灵活得多。在操作期间，当不需要节点时就停用这些节点(这也称为部分联网)。这进而意味着，车载网络在运行时将在很大程度上动态改变。这些功能已经实施并在2020年进入批量生产。

技术实现思路

1、本发明的目的是，以低成本、低耗费的方式对新的以太网技术进行适配。

2、该目的通过权利要求1所述的方法、权利要求4所述的控制设备和权利要求6所述的以太网网络的特征实现。

3、有利地，通过本发明在成本和实施复杂性方面对新的以太网技术进行适配，以使之适用于机动车辆。

4、本发明提出了一种使总线周期适配于头节点的数据速率要求的方法。这意味着可以根据需要将更多的带宽动态地分配给头节点。本发明提出了一种方法，该方法根据要传输的数据的大小适配总线周期，从而不违背下载/更新对传输时间的要求。在这种情况下，该方法计算出在什么时间必须提供多少带宽。但是，该过程中的方法始终考虑到标准，并且不必对其他节点进行干预。

5、如图5所示，本发明的披露内容提出了根据当前和未来的网络行为来动态地对“总线周期”或信标传输时间进行适配的方法。换句话说，如图6所示，通过移除未使用的传输时隙并移动这些传输时隙来相应地对总线进行适配，使得其他节点因此能够更快地访问总线。到目前为止，还没有这方面的规定，但这可以在不使用新硬件的情况下仅使用软件和配置来实施，而不会产生更多耗费。

6、根据本发明的方法的解决方案和优点在于，个性他地缩短和适配时间表或总线周期。通过更早地传输信标帧(在图6中示为b')，随后的总线周期始终能够更早地执行。单独节点的传输时隙的大小可以介于64字节与1522字节之间，并且仅为了简单起见，这些传输时隙始终以相同的大小示出。

7、通过本发明可以有利地提高基于传感器的应用(例如自动驾驶、数据记录器、诊断)的执行质量。这一概念可以在没有更多耗费(硬件成本)的情况下实施，并同时符合标准。

8、在机动车辆中使用新引入的以太网协议需要的是，利用了简单的技术和给定的技术性质的机制，以便能够在无需昂贵的实施方式和另外的附加硬件的情况下实现。根据本发明的网络系统在可靠性方面得到了改进。借助基于软件的方法，大陆集团(continental)可以充分利用其ecu或网络，并为客户提供更多功能。

9、特定于应用来确定更准确并可预测的延迟的优点在于，改进了车辆中通信的规划和执行。这意味着，能够更高效地使用现有的总线系统，并且能够避免跳转到具有更高带宽的昂贵技术。这还会影响所需的缓冲存储，于是该缓冲存储就可以被省去或被设计得更小。可以由此改进不同数据的融合(例如超声、雷达或麦克风)，并且使之更加准确。此外，对数据的记录可以变得更加精确。

10、现在，应用都是根据平台定制或适配于平台的。本发明阐述的方法使得软件的设计在某种程度上更加灵活并使底层系统得到最好的利用，而不必事先将其永久地编程到软件中。出发点是所谓的最差情况，其需要花费资源和金钱并且有损质量。本发明允许软件开发人员和软件架构师提供可以更灵活且更精确地根据应用实例的要求定制的软件/应用。将所描述的方法并入软件中允许在各自的情况下在控制设备内进行优化。这意味着软件可以以更加依赖平台的方式开发。

11、例如，在可以由此影响总线效率并且控制设备不再浪费时间“等待”(不幸的是，10mbit/s技术必须如此)的情况下，部分联网作为系统功能对整个系统有甚至更大的影响。

12、新技术在机动车辆中可以不再受到阻碍。比如ip、avb和tsn等协议具有数千页的规范和测试套件。这些新协议在机动车辆中的可控性并不是立即就能得到的。

13、本发明的一个优点在于，不必改变平常的硬件，而是可以继续使用现有的硬件。新方法可以集成到现有网络中，而不会损坏现有设备。由于可以使用现有协议，因此不违反标准。特别地，这些传感器应当尽可能便宜，以服务大众市场。如果能够省去如电缆/插头等更昂贵的接口，这意味着能提供更大的附加价值。另外，数据到达总线的速度越快，数据质量就越好，并且需要的等待和/或存储就越少。

14、该方案解决了信标周期时间只与总线及其配置相关、但不与单独节点或其要求相关的问题。新架构的基本变革的突出之处在于，将软件集中在越来越少的计算单元上。这些所谓的服务器或中央计算机不再由仅一个μc或μp组成，而是包含几个μc、μp、soc以及具有大量端口的以太网交换机。这些服务器或中央计算机在各自的情况下用单独的软件表示其自身的本地网络，这也意味着相应的软件组件不(无法)知道它们正在与例如位于同一壳体的组件进行通信。具有中央服务器的域架构是已知的。在此，一方面，服务器包含许多强大的处理器，并且另一方面，大量的软件或应用在其上执行。控制设备内的通信工作量是巨大的，并且这表示其自身的本地网络。在未来，车辆的所有软件都将在此执行，并且每个控制器都具有由不同的供应商提供的其自身的软件栈。

15、将功能和应用(动态地)转移到其他控制设备/处理器(即，也为了优化它们)的概念是已知的。这被称为实时迁移、重新分配或迁移。将软件转移到其他ecu/处理器的系列应用是已知的。

16、因为硬件变得越来越普遍并且软件对平台的依赖性也越来越小，借助于新的架构，现在首次有可能也在不同的ecu上实施软件，而在此之前，所有的功能和ecu都不能做到这一点。因此，在设计系统时，什么软件将在什么控制设备(服务器)上运行并不总是确定的。然而，软件的转换在此并不限于ecu到ecu的操作，而是更适用于同一ecu内控制器到控制器的操作。

17、本发明的描述和优点

18、这一概念可以在没有额外的财政支出(比如硬件成本)的情况下实施，并同时符合标准。在机动车辆中使用新引入的以太网协议需要的是，利用简单的技术和给定的技术性质的机制，以便能够在无需昂贵的实施方式和另外的附加硬件的情况下实现。根据本发明的网络系统在可靠性方面得到了改进。

19、特定于应用来确定更准确并可预测的延迟的优点在于，改进了车辆中的通信的规划和执行。这意味着能够更高效地使用现有的总线系统，并且能够避免跳转到昂贵的技术(更高的带宽)。这还会对需要的缓冲存储产生影响，于是该缓冲存储可以被省去(或缩小)。可以由此改进不同数据的融合(例如超声+雷达或麦克风)，并且使之更加准确。此外，对数据的记录可以变得更加精确。

20、在软件更新的情况下，可以通过本发明报告返回更真实的时间窗口，而不必假设最差情况。因此，可以进行下载/更新，否则其将永远不会开始或可能以后才会开始。

21、根据本发明的方法的用途可以用于使用10mbit/s以太网的其他工业领域中，比如工业自动化。

22、
技术实现要素：

23、有利地，该目的是通过一种在以太网中部分联网时对传感器网络的数据传输率进行优化的方法实现的，其中，该方法包括：

24、a)由头节点确定活动节点的数量；

25、b)由头节点将所标识的节点分类为两个或更多个节点类别，以对以太网通信进行优先级排序；

26、c)由头节点从多个节点中的至少一部分节点接收预留请求；

27、d)响应于预留请求，在即将到来的通信窗口中为一个或多个节点指派时隙，所述指派基于节点优先级，该优先级是根据节点的类别而被指派给节点的，在确定活动节点的数量后，计算总线周期长度并且确定休眠或不活动或有缺陷的节点的数量，其中，信标总线周期是根据该总线周期长度能够缩短的程度来确定的。

28、在该方法的一个有利的实施例中，总线利用率被连续监测，通过较早地传输信标(b')来较早地执行随后的总线周期。

29、该方法的另一有利实施例的突出之处在于，在确定休眠节点的总线位置(节点id)之后，执行检查以确定是否存在总线位置(节点id)更高的、不表示不活动的休眠节点的节点，优化活动节点的总线位置(节点id)。

30、该方法的另一有利实施例的突出之处在于，在确定必要的下载数据速率之后，确定该以太网网络的最后一个总线周期中该以太网网络中的当前空闲数据速率(dfrei)，并确定每个总线周期的必要数据速率(dzus)，其中，如果该以太网网络的最后一个总线周期中该以太网网络中的空闲数据速率(dfrei)大于或等于该每个总线周期的必要数据速率(dzus)，则在下一个总线周期中不做任何改变，并且如果该以太网网络的最后一个总线周期中该以太网网络中的空闲数据速率(dfrei)小于该每个总线周期的必要数据速率，则在下一个总线周期中做出改变。

31、特别有利的是，通过一种用于以太网的控制单元来实施，该控制单元作为第一节点——该第一节点作为控制单元——被设计为：向该以太网车载网络的第二控制单元发送信号并从该第二控制单元接收信号；确定在到第二控制单元的连接路径上的信号传播时间；基于该传播时间来确定连接路径的最大速度；基于该最大速度来确定该连接路径的传输介质的类型，该控制单元至少包括微处理器、易失性存储器和非易失性存储器、至少两个通信接口、可同步定时器/时钟，该非易失性存储器包含程序指令，这些程序指令在由该微处理器执行时，能够实施并且执行根据本发明的方法的至少一个实施例。

32、特别有利的是通过一种用于机动车辆的以太网网络来实施，该以太网网络具有第一控制单元和第二控制单元，其中，这些控制单元经由至少一个连接路径彼此连接，并且该第一控制单元被设计为执行根据本发明的方法。

33、该以太网车载网络的特别有利的实施例的突出之处在于，该以太网网络具有第三控制单元，该第三控制单元仅间接连接至该第一控制单元并通过第三连接路径直接连接至该第二控制单元，其中，该第三控制单元被设计为确定该第三连接路径上的第三信号的传播时间，其中，该第一控制单元被设计为，通过给第三控制单元的服务消息来触发对第三信号传播时间的确定。

34、通过实施本发明披露的方法，可以使用具有更高的质量和耐久性的独立于平台的软件。本发明可以用于具有时钟同步组件和嵌入式系统的其他通信系统。