[發明專利]一種用于智能網聯汽車TSN網絡偶發性消息的帶寬預留方法

有效

• 申請號: 202010216312.1
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111405521B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 王躍飛;黃飛;馬偉麗;王志;袁富林;吳源
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H04W4/40
• 分類號: H04W4/40;H04W24/02;H04W28/20;H04W28/26
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉

1.一種用于智能網聯汽車TSN網絡偶發性消息的帶寬預留方法，其特征在于，所述帶寬預留方法是按如下步驟進行：

步驟1、獲取車載TSN網絡消息；

采集智能網聯汽車TSN網絡中所有消息的集合M，其中任意第s條消息m_s∈M，并用六元組(F_s,C_s,T_s,D_s,P_s,Q_s)表示；其中，F_s為第s條消息m_s的字節長度，C_s為第s條消息m_s在交換機內傳輸時間，T_s為第s條消息m_s的發送周期，D_s為第s條消息m_s被交換機發送的截止期，P_s為第s條消息m_s的重要度并由式(1)獲得，Q_s為第s條消息m_s的發送頻度并由式(2)獲得，s∈[1,2,..,w]，w為消息集合M內消息的數量；

式(1)中，重要度P_s按照重要程度的降序分別對應1～h共h個等級，t_θ為第θ個時間閾值，且t_θ-1＜t_θ，θ∈[1,2,..,h]；

步驟2、以實時頻度耦合公式對消息集合M中每個消息進行分類，從而構建由時間關鍵控制消息集合M_C、偶發性實時消息集合M_O、非偶發性實時消息集合M_N構成的消息模型；

步驟2.1、從消息集合M中選取重要度為“1”的所有消息作為時間關鍵控制消息，并存入時間關鍵控制消息集合M_C；

步驟2.2、從消息集合M中選取重要度為“h”的所有消息作為普通音視頻消息，并存入非偶發性實時消息集合M_N；

步驟2.3、并利用式(3)計算消息集合M中重要度為“2,3,…,h-1”的各個消息的實時頻度耦合因子Z_s：

式(3)中，α、β分別為重要性以及頻度所占的權重，且α+β＝1；

步驟2.4、若0≤Z_s≤δ，則將第s條消息m_s存入偶發性實時消息集合M_O；若Z_s＞δ，則將第s條消息m_s存入非偶發性實時消息集合M_N，式中，δ為偶發性閾值；

步驟2.5、設置交換機中時間關鍵控制消息采用IEEE 802.1Qbu的TAS調度機制，偶發性實時消息和非偶發性實時消息采用IEEE 802.1QBv的CBS調度機制，從而得到所述消息模型；

步驟3、求取偶發性實時消息預留帶寬邊界域和非偶發性實時消息預留帶寬邊界域

步驟3.1、利用式(4)得到所述偶發性實時消息集合M_O中第l條消息m_l的帶寬下界bw_l，從而得到偶發性實時消息集合M_O的預留帶寬下界集合為

式(4)中，R為網絡總帶寬，T_CDT為智能網聯汽車TSN網絡中利用TAS調度機制傳輸消息的CDT時間窗的周期，為非偶發性實時消息集合M_N中消息最大傳輸時間；k_O表示消息集合M_O中消息的數量；

步驟3.2、利用式(5)得到偶發性實時消息集合M_O中所有消息可調度時的下界并存入預留帶寬下界集合B_O中；

步驟3.3、利用式(6)得到所述非偶發性實時消息集合M_N中第u條消息m_u的下界bw_u，從而得到非偶發性實時消息集合M_N的預留帶寬下界集合為

式(6)中，為偶發性實時消息集合M_O中消息在交換機內最大傳輸時間；k_N表示消息集合M_N中消息的數量；

步驟3.4、根據式(7)得到非偶發性實時消息集合M_N中所有消息可調度時的下界并存入帶寬下界集合B_N中；

步驟3.5、利用式(8)獲得偶發性實時消息集合M_O的預留帶寬下界和非偶發性實時消息預留帶寬下界

式(8)中，max()表示取最大值函數；

步驟3.6、利用式(9)得到偶發性實時消息集合M_O的預留帶寬上界和非偶發性實時消息集合M_N的預留帶寬上界

式(9)中，k_R表示總帶寬中預留帶寬比例；

步驟4、以偶發性實時消息預留帶寬邊界域非偶發性實時消息預留帶寬邊界域為搜索區，以交換機內各類消息總傳輸時間f最小為目標，遍歷尋找偶發性實時消息與非偶發性實時消息的最優預留帶寬ba_min(g)；

步驟4.1、定義預留帶寬配置模型；

定義第g代共q個網絡預留帶寬配置集合為BA(g)＝{ba₁(g),ba₂(g),..ba_i(g),...,ba_q(g)}；其中，ba_i(g)為第i個網絡預留帶寬配置，并有分別為網絡總帶寬中分配給偶發性實時消息的帶寬和非偶發性實時消息的帶寬；

定義第g代縮放后的網絡預留帶寬配置集合為BS(g)＝{bs₁(g),bs₂(g),..bs_j(g),...,bs_q(g)}；其中，bs_j(g)為第j個縮放后的預留帶寬配置，并有分別為網絡總帶寬中分配給偶發性實時消息的帶寬和非偶發性實時消息的帶寬；

定義最大遍歷次數為G；并初始化g＝1；

步驟4.2、初始化i＝1；

步驟4.3、利用式(10)得到第g-1代原始網絡預留帶寬配置集合BA(g-1)中第i個帶寬配置ba_i(g-1)，從而得到第g-1代原始網絡預留帶寬配置集合BA(g-1)；

式(10)中，k₁為隨機數，0＜k₁＜1；R為網絡總帶寬；

步驟4.4、初始化j＝1；

步驟4.5、利用式(11)得到第g代縮放后的網絡預留帶寬配置集合BS(g)中第j個帶寬配置bs_j(g)；

式(11)中，Fa為縮放因子，且Fa＝F₀·2^λ，F₀表示縮放基數，且0＜F₀＜1，λ表示縮放系數，k₂,k₃,k₄為隨機數，且1≤k₂,k₃,k₄≤q；j∈{1,2,3....,q}；

步驟4.6、判斷第j個帶寬配置bs_j(g)中是否滿足且若滿足，則執行步驟4.5；否則，將j+1賦值給j后返回步驟4.5，直到j＝q為止，從而得到第g代縮放后的網絡預留帶寬配置集合BS(g)；

步驟4.7、初始化i＝1,j＝1；定義所有消息在任意帶寬配置下的總傳輸時間f；

步驟4.8、利用式(12)計算所有消息在ba_i(g-1)配置下總傳輸時間所有消息在bs_j(g)配置下總傳輸時間

式(12)中，T_CDT為采用TAS調度機制調度的CDT時間窗的周期，P_CDT為時間窗時間長度；γ和η均為所設定的權重，T_tsn為智能網聯汽車TSN網絡總運行時間；

步驟4.9、利用式(13)從ba_i(g-1)和bs_j(g)中選擇一個作為第g代第i個帶寬配置ba_i(g)；

步驟4.10、將i+1賦值給i，將j+1賦值給j后，判斷iq且jq是否成立，若成立，則表示得到第g代原始網絡預留帶寬配置集合BA(g)；否則，返回步驟4.8；

步驟4.11、將g+1賦值給g后判斷gG是否成立，若成立，則按式(12)獲得所有消息在BA(g)配置下總傳輸時間集合T_A＝{f(ba₁(g)),f(ba(g)),...f(ba_i(g)),...f(ba_p(g))}，并執行步驟4.12；否則，返回步驟4.2；

步驟4.12、從傳輸時間集合T_A中選取最小值f(ba_min(g))所對應的最小預留帶寬配置ba_min(g)作為最終預留的帶寬，獲得偶發性消息帶寬分配和非偶發消息分配帶寬從而完成偶發性實時消息的帶寬分配。