張鳳登，陳興隆

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

2016016

FlexRay總線(xiàn)靜態(tài)段的負(fù)載率優(yōu)化研究*

張鳳登，陳興隆

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

為了避免傳輸消息長(zhǎng)度懸殊較大時(shí)造成帶寬的嚴(yán)重浪費(fèi)和降低FlexRay總線(xiàn)的負(fù)載，本文中對(duì)消息傳輸規(guī)則進(jìn)行了研究。提出了將較長(zhǎng)靜態(tài)消息分割后繼續(xù)在靜態(tài)段傳輸?shù)姆椒ǎ芯苛丝偩€(xiàn)負(fù)載率與消息長(zhǎng)度和幀ID數(shù)目之間的關(guān)系以及負(fù)載率的優(yōu)化方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法可有效地降低總線(xiàn)負(fù)載率。

FlexRay總線(xiàn);負(fù)載率;靜態(tài)段;幀ID

前言

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)上的電子控制單元不斷增加，人們對(duì)汽車(chē)的安全性、操作性和舒適性的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的CAN總線(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和安全性的進(jìn)一步需求，F(xiàn)lexRay總線(xiàn)具有非常好的實(shí)時(shí)性、安全性和確定性等特點(diǎn)，是未來(lái)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展方向。

目前已有很多文獻(xiàn)對(duì)FlexRay總線(xiàn)進(jìn)行了研究，但是有關(guān)降低FlexRay總線(xiàn)負(fù)載率的文獻(xiàn)卻不多。文獻(xiàn)[1]中對(duì)FlexRay靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種FlexRay總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參數(shù)優(yōu)化模型，但是該模型需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法才能夠得到最優(yōu)靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[2]在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了最優(yōu)靜態(tài)幀負(fù)載長(zhǎng)度的解析表達(dá)式。數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了解析表達(dá)式的準(zhǔn)確性，并證明所得解析公式能夠適用于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。文獻(xiàn)[3]中提出了一種允許將周期不同的信號(hào)封裝成一個(gè)消息幀來(lái)傳輸?shù)膸庋b算法，該算法減少靜態(tài)段帶寬消耗的效果比較明顯。文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[6]中研究了利用動(dòng)態(tài)段傳輸靜態(tài)段長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀的調(diào)度方法來(lái)減少FlexRay總線(xiàn)負(fù)載率，但是動(dòng)態(tài)段將使消息發(fā)送的時(shí)間帶有不確定性，進(jìn)而造成抖動(dòng)而影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]中主要研究了FlexRay的消息調(diào)度策略并對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行了分析，用以提高FlexRay響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[10]中分析了靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段時(shí)間特性，提出了一種總線(xiàn)優(yōu)化配置的方法。文獻(xiàn)[11]中通過(guò)基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化調(diào)度算法，使用多階段決策，使系統(tǒng)中所有動(dòng)態(tài)消息的整體最壞響應(yīng)時(shí)間之和達(dá)到最小值，從而提高FlexRay動(dòng)態(tài)段的帶寬利用率。本文中提出一種消息分割法，即將靜態(tài)段相對(duì)較長(zhǎng)的消息分割成適當(dāng)長(zhǎng)度的短消息后仍在靜態(tài)段傳輸，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了總線(xiàn)負(fù)載率與消息長(zhǎng)度和幀ID數(shù)目之間的關(guān)系，并給出了負(fù)載率優(yōu)化方法。

1 FlexRay協(xié)議基礎(chǔ)

1.1 FlexRay通信周期

FlexRay通信周期內(nèi)有兩種媒體接入訪問(wèn)機(jī)制：一種是靜態(tài)段內(nèi)使用的時(shí)分多址訪問(wèn)機(jī)制(TDMA)；另外一種就是動(dòng)態(tài)段使用的基于最小時(shí)隙的柔性時(shí)分多址接入方式(FTDMA)。FlexRay通信族群的時(shí)間等級(jí)劃分從低到高如圖1所示，其中最高層即通信周期層，由靜態(tài)段(SS)、動(dòng)態(tài)段(DS)、符號(hào)窗口(SW)和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間(NIT)4部分組成，構(gòu)成它們的最小時(shí)間單位是宏節(jié)拍(macrotick，MT)，每個(gè)時(shí)隙(slot)均由數(shù)個(gè)MT構(gòu)成，DS內(nèi)的最小時(shí)隙是微時(shí)隙(MS)。FlexRay通信周期中的slot均由若干個(gè)MT構(gòu)成，MT本身又由若干個(gè)微節(jié)拍(microtick)組成，而微節(jié)拍的大小則是由通信控制器的外部晶振或鎖相環(huán)決定的。靜態(tài)段由一些固定大小的靜態(tài)時(shí)隙組成。動(dòng)態(tài)段由一些時(shí)長(zhǎng)可變的微時(shí)隙組成。靜態(tài)時(shí)隙和微時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度都是宏節(jié)拍的整數(shù)倍，宏節(jié)拍是網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的最小時(shí)間單位，即所有節(jié)點(diǎn)中宏節(jié)拍的大小均相同。宏節(jié)拍的長(zhǎng)度又是微節(jié)拍的整數(shù)倍。微節(jié)拍是節(jié)點(diǎn)級(jí)別的最小時(shí)間單位，不同節(jié)點(diǎn)的微節(jié)拍長(zhǎng)度可能不同。

圖1 FlexRay通信周期時(shí)間層次

1.2 FlexRay消息幀格式與編碼

FlexRay幀格式如圖2所示，包含3部分，分別是頭段(head segment)、負(fù)載段(payload segment)和尾段(trailer segment)。

圖2 FlexRay幀格式

消息在總線(xiàn)上傳輸，要經(jīng)過(guò)編碼，即給消息附加一些必要的位。靜態(tài)數(shù)據(jù)幀編碼如圖3所示，傳輸起始序列(transmission start sequence，TSS)5-15bit，幀起始序列(frame start sequence,FSS)1bit，幀結(jié)束序列(frame end sequence,FES)2bit。在每個(gè)字節(jié)前面都需要添加字節(jié)起始序列(byte start sequence,BSS)2bit，所以每個(gè)字節(jié)實(shí)際占10bit。當(dāng)消息幀在靜態(tài)段傳輸時(shí)，其傳輸時(shí)間還需要添加11bit的通信空閑間隔(communication idle delimiter，CID)時(shí)間和觸發(fā)點(diǎn)偏移量(action point offset,APO)時(shí)間TAPO。TAPO長(zhǎng)度為1～63個(gè)宏節(jié)拍時(shí)間。

圖3 靜態(tài)數(shù)據(jù)幀編碼

2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率

FlexRay總線(xiàn)負(fù)載是指消息傳輸要占用的總的靜態(tài)時(shí)隙(static slot)數(shù)與所用FlexRay通信周期數(shù)的比值。FlexRay靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度由最長(zhǎng)的靜態(tài)消息幀決定。靜態(tài)段消息的長(zhǎng)度懸殊越大，網(wǎng)絡(luò)帶寬浪費(fèi)就越嚴(yán)重。如圖4所示，只有d消息充分利用了帶寬，浪費(fèi)帶寬最嚴(yán)重的就是消息e。為了方便地引出負(fù)載率公式，這里假設(shè)圖4中的所有消息周期與總線(xiàn)周期相同。提出一種分割消息長(zhǎng)度的方法以降低總線(xiàn)的負(fù)載。FlexRay總線(xiàn)負(fù)載率U可表示為

(1)

式中:Ld表示消息d的長(zhǎng)度；LC表示一個(gè)總線(xiàn)周期的長(zhǎng)度。

圖4 靜態(tài)段總線(xiàn)負(fù)載率

3 消息分割法

本方法的思想是將長(zhǎng)度較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分割為多段，仍然通過(guò)靜態(tài)段傳輸，而不是放到動(dòng)態(tài)段來(lái)傳輸。消息放到動(dòng)態(tài)段傳輸雖然可以降低靜態(tài)段的負(fù)載率進(jìn)而提高靜態(tài)段的有效利用率，但是時(shí)間的確定性無(wú)法保證。研究本方法之前做如下假設(shè)：

(1) 所有消息在最壞響應(yīng)時(shí)間下均可調(diào)度；

(2) 通信中不存在消息發(fā)送失敗，發(fā)送錯(cuò)誤；

(3) 消息的長(zhǎng)度、周期和截止時(shí)間已知；

(4)FlexRay靜態(tài)段長(zhǎng)度不變。

3.1 靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度的計(jì)算

根據(jù)FlexRay協(xié)議,對(duì)于一個(gè)負(fù)載長(zhǎng)度為i個(gè)字長(zhǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)幀，其最小長(zhǎng)度的靜態(tài)時(shí)隙為

Ti=(C+29+20×i)×Tbit+2×TAPO

(2)

式中：TAPO表示觸發(fā)點(diǎn)偏移時(shí)間長(zhǎng)度;Tbit表示1個(gè)位長(zhǎng)度的傳輸時(shí)間;C表示幀頭、幀尾的位數(shù)之和；29為T(mén)SS(這里取15bit)，F(xiàn)SS，F(xiàn)ES和CID之和。FlexRay通信周期的時(shí)間單位是宏節(jié)拍。因此，以MT為單位的靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度為

(3)

式中：Tmt為1個(gè)宏節(jié)拍的時(shí)間，取值為1～6μs。

3.2 消息分割后的總線(xiàn)負(fù)載率

將長(zhǎng)度為L(zhǎng)個(gè)字的消息，分割成長(zhǎng)度為i個(gè)字的消息進(jìn)行傳輸，分割后的長(zhǎng)度可以通過(guò)式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

假設(shè)一個(gè)消息集包含n個(gè)消息，這些消息的長(zhǎng)度分別為l1，l2，l3，…，ln。其發(fā)送周期分別為T(mén)1，T2，T3，…，Tn。若將這些消息分割成長(zhǎng)度為i的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，則總線(xiàn)的負(fù)載率為

(5)

從式中可以看出，當(dāng)i增大時(shí)，分割出的幀ID會(huì)減少，但靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度會(huì)變大，當(dāng)i減小時(shí)，分割出的幀ID會(huì)增加，但靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度會(huì)減小。如果單純的考慮降低負(fù)載率，可以得到最低負(fù)載率的值。

分割后的消息所占用的幀ID個(gè)數(shù)用FID來(lái)表示：

(6)

如果要求FID最小，則靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度由最長(zhǎng)的消息決定，這樣會(huì)導(dǎo)致負(fù)載率U較高，如果僅僅追求網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的降低，就會(huì)使得FID數(shù)目增加，因?yàn)殪o態(tài)段FID最大為1 023，F(xiàn)ID太大對(duì)未來(lái)總線(xiàn)的擴(kuò)展有阻力。所以這兩個(gè)參數(shù)要綜合考慮。

如果上一次分割為j個(gè)字節(jié)的消息進(jìn)行傳輸，則平均每個(gè)周期所有消息浪費(fèi)的MT總數(shù)為

(7)

下一次分割為i(j>i)個(gè)字之后所有消息浪費(fèi)的MT總數(shù)為

(8)

分割之后多出的每一段消息因?yàn)榫幋a需要增加的MT數(shù)為

(9)

分割長(zhǎng)度由j變?yōu)閕之后，因?yàn)榫幋a增加的MT總數(shù)為

(10)

隨著消息的分割，靜態(tài)時(shí)隙不斷減小，則短消息造成的帶寬浪費(fèi)必然就會(huì)隨之減少，但消息分割的段數(shù)會(huì)增多，則編碼附加的比特位數(shù)就會(huì)增加。當(dāng)編碼增加的MT數(shù)N3小于帶寬浪費(fèi)降低的MT數(shù)(N1-N2)，則網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率就會(huì)降低；當(dāng)N3等于(N1-N2)時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率不變；當(dāng)多附加的MT數(shù)N3大于因?yàn)橄⒎指疃沟脦捓速M(fèi)的減小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率反而就會(huì)增加。

(11)

通過(guò)以上推導(dǎo)出的計(jì)算公式，可知網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率與消息傳輸周期、幀長(zhǎng)度和幀數(shù)目之間的關(guān)系，消息的時(shí)隙長(zhǎng)度分配對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的影響最大，從而也是影響整體FlexRay網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素之一。

3.3 負(fù)載率優(yōu)化方法描述

為了最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率U，可通過(guò)下面描述的方法進(jìn)行消息的優(yōu)化分割：

(1) 給定通信參數(shù)和消息參數(shù)；

(2) 循環(huán)求解：for(i=lmax;i≥lmin;i--)；

(3) 根據(jù)分割后的負(fù)載長(zhǎng)度i計(jì)算對(duì)應(yīng)的U和FID；

(4) 若幀ID<1 023，則保存i對(duì)應(yīng)的U和FID；否則不保存，并跳出循環(huán)；

(5) 比較并記錄最小值U′；

(6)循環(huán)結(jié)束：end；

(7)此時(shí)幀ID大于1 023或者i≤lmin；

(8) 得到所有可行i對(duì)應(yīng)的U，F(xiàn)ID。

這里，lmax表示所有消息的最長(zhǎng)值，lmin表示所有消息的最短值，通過(guò)以上步驟就可以得出消息不同的分割長(zhǎng)度i所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率U和FID并確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文中提出的方法在降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率、改善網(wǎng)絡(luò)性能方面的效果，采用汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)提供的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如表1所示，通信參數(shù)如表2所示。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中參數(shù)取值為：TAPO=1MT；Tmt=1μs。

表1和表2分別提供了消息幀參數(shù)和通信參數(shù)，根據(jù)本文給出的消息分割法的描述，以及分析得出的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率U和FID公式，觀察消息集合，算法初始由最長(zhǎng)的消息lmax=6Byte決定靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度，不同傳輸速率下占用的MT數(shù)如表1所示。lmin=1Byte，可以根據(jù)式(5)和式(6)得出以不同長(zhǎng)度i對(duì)消息進(jìn)行分割之后對(duì)應(yīng)的U和FID數(shù)目，如表3所示。不同傳輸速率下網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的最大降低幅度如表4所示。

表2中通信同期為5ms,則表1中周期為1 000 ms的消息需要2 00個(gè)通信循環(huán)，但是協(xié)議中規(guī)定通信循環(huán)計(jì)數(shù)器最大值為63，所以本實(shí)驗(yàn)暫不考慮消息16，17和18。

通過(guò)表3和表4可以看出，負(fù)載率剛開(kāi)始都是隨著分割后消息長(zhǎng)度的減小而降低，而幀ID的個(gè)數(shù)不斷增加，但并不是靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度越小越好，小到一定程度反而負(fù)載率會(huì)增加，比如在10Mbit/s情況下，當(dāng)消息由6分割為4并繼續(xù)分割為2Byte時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和時(shí)隙數(shù)目均在不斷增加。所以負(fù)載率與分割后消息長(zhǎng)度開(kāi)始成呈正比例關(guān)系，當(dāng)分割后的消息長(zhǎng)度小到一定程度就會(huì)呈反比例關(guān)系；幀ID數(shù)目與消息長(zhǎng)度一直是反比例關(guān)系。表3說(shuō)明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)消息的分割，適當(dāng)減小靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度，可以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的目的，但并不是靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度越小越好。追求網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率降低的同時(shí)，必然會(huì)使得幀ID數(shù)目的增加。如果幀ID數(shù)目遠(yuǎn)小于1 023，那么就可以單一地追求網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的最低，這樣并不妨礙網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。由表4可知，傳輸速率越低，本文中的消息分割法效果越明顯，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率降低的幅度越大，而且傳輸速率較低時(shí)，各消息之間的長(zhǎng)度懸殊較大，分割后的消息數(shù)目也就相對(duì)較多，即幀ID數(shù)目較多。

表1 FlexRay消息幀

表2 通信參數(shù)

表3 分割前后網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率變化

表4 最低負(fù)載率降低幅度

5 結(jié)論

本文中分析了FlexRay幀格式和物理層傳輸規(guī)則，得到消息傳輸所需要的時(shí)間。通過(guò)將長(zhǎng)消息分割為短消息進(jìn)行傳輸，并得出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率計(jì)算公式。分析了分割后網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率與消息長(zhǎng)度和幀ID數(shù)目之間的關(guān)系。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：消息分割法在不同傳輸速率的情況下，均可以降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率，且傳輸速率越低，效果越明顯。

(1) FlexRay通信協(xié)議規(guī)定靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度固定并一致，由最長(zhǎng)的靜態(tài)消息決定。消息長(zhǎng)度懸殊較大，短消息會(huì)造成帶寬的浪費(fèi)，通過(guò)消息分割法可以減少帶寬負(fù)載率。

(2) 消息并不是分割得越小越好，達(dá)到一定程度，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率反而會(huì)增加。

(3) 實(shí)驗(yàn)證實(shí)，傳輸速率越低，消息分割法就越有效，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率降低的幅度就越大，同時(shí)分割后消息的數(shù)目就越大，即幀ID數(shù)目越大。

今后的工作將是研究動(dòng)態(tài)段消息傳輸?shù)臅r(shí)間性能和調(diào)度規(guī)則。

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Research on Load Rate of Static Segment of FlexRay

Zhang Fengdeng & Chen Xinglong

SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093

For avoiding the serious waste of band width caused by the significant difference in the lengths of messages and reducing the load of FlexRay bus, the rules of message transmission are studied in this paper. A method is proposed that splits the long static message into shorter one and transmitted in static segment. The relationship between the loading rate of FlexRay bus and the number of frame ID and the length of message as well as the optimization method of loading rate of FlexRay bus are studied. The results of experiments show that the method proposed can effectively reduce the loading rate of FlexRay bus．

FlexRay bus; loading rate; static segment; frame ID

*國(guó)家自然科學(xué)基金(61170277)、上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(12zz137)、上海市一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(S1201YLXK)和上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(15ZR1429300)資助。

原稿收到日期為2014年5月19日，修改稿收到日期為2014年7月2日。