FlexRay總線靜態段的負載率優化研究*

張鳳登，陳興隆

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 200093)

2016016

FlexRay總線靜態段的負載率優化研究*

張鳳登，陳興隆

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 200093)

為了避免傳輸消息長度懸殊較大時造成帶寬的嚴重浪費和降低FlexRay總線的負載，本文中對消息傳輸規則進行了研究。提出了將較長靜態消息分割后繼續在靜態段傳輸的方法，研究了總線負載率與消息長度和幀ID數目之間的關系以及負載率的優化方法。實驗結果表明，所提出的方法可有效地降低總線負載率。

FlexRay總線;負載率;靜態段;幀ID

前言

隨著汽車電子技術的不斷發展，汽車上的電子控制單元不斷增加，人們對汽車的安全性、操作性和舒適性的要求也越來越高。傳統的CAN總線已經不能滿足實時性和安全性的進一步需求，FlexRay總線具有非常好的實時性、安全性和確定性等特點，是未來汽車電子技術的發展方向。

目前已有很多文獻對FlexRay總線進行了研究，但是有關降低FlexRay總線負載率的文獻卻不多。文獻[1]中對FlexRay靜態時隙長度進行了優化，提出了一種FlexRay總線網絡時間參數優化模型，但是該模型需要通過數值計算方法才能夠得到最優靜態時隙長度。文獻[2]在文獻[1]的基礎上推導出了最優靜態幀負載長度的解析表達式。數值實驗驗證了解析表達式的準確性，并證明所得解析公式能夠適用于大多數應用場合。文獻[3]中提出了一種允許將周期不同的信號封裝成一個消息幀來傳輸的幀封裝算法，該算法減少靜態段帶寬消耗的效果比較明顯。文獻[4]～文獻[6]中研究了利用動態段傳輸靜態段長數據幀的調度方法來減少FlexRay總線負載率，但是動態段將使消息發送的時間帶有不確定性，進而造成抖動而影響整個通信系統的性能。文獻[7]～文獻[9]中主要研究了FlexRay的消息調度策略并對延遲時間進行了分析，用以提高FlexRay響應速度。文獻[10]中分析了靜態段和動態段時間特性，提出了一種總線優化配置的方法。文獻[11]中通過基于動態規劃的優化調度算法，使用多階段決策，使系統中所有動態消息的整體最壞響應時間之和達到最小值，從而提高FlexRay動態段的帶寬利用率。本文中提出一種消息分割法，即將靜態段相對較長的消息分割成適當長度的短消息后仍在靜態段傳輸，并在此基礎上進一步研究了總線負載率與消息長度和幀ID數目之間的關系，并給出了負載率優化方法。

1 FlexRay協議基礎

1.1 FlexRay通信周期

FlexRay通信周期內有兩種媒體接入訪問機制：一種是靜態段內使用的時分多址訪問機制(TDMA)；另外一種就是動態段使用的基于最小時隙的柔性時分多址接入方式(FTDMA)。FlexRay通信族群的時間等級劃分從低到高如圖1所示，其中最高層即通信周期層，由靜態段(SS)、動態段(DS)、符號窗口(SW)和網絡空閑時間(NIT)4部分組成，構成它們的最小時間單位是宏節拍(macrotick，MT)，每個時隙(slot)均由數個MT構成，DS內的最小時隙是微時隙(MS)。FlexRay通信周期中的slot均由若干個MT構成，MT本身又由若干個微節拍(microtick)組成，而微節拍的大小則是由通信控制器的外部晶振或鎖相環決定的。靜態段由一些固定大小的靜態時隙組成。動態段由一些時長可變的微時隙組成。靜態時隙和微時隙的時間長度都是宏節拍的整數倍，宏節拍是網絡級別的最小時間單位，即所有節點中宏節拍的大小均相同。宏節拍的長度又是微節拍的整數倍。微節拍是節點級別的最小時間單位，不同節點的微節拍長度可能不同。

圖1 FlexRay通信周期時間層次

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)、負載段(payload segment)和尾段(trailer segment)。

圖2 FlexRay幀格式

消息在總線上傳輸，要經過編碼，即給消息附加一些必要的位。靜態數據幀編碼如圖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，幀結束序列(frame end sequence,FES)2bit。在每個字節前面都需要添加字節起始序列(byte start sequence,BSS)2bit，所以每個字節實際占10bit。當消息幀在靜態段傳輸時，其傳輸時間還需要添加11bit的通信空閑間隔(communication idle delimiter，CID)時間和觸發點偏移量(action point offset,APO)時間TAPO。TAPO長度為1～63個宏節拍時間。

圖3 靜態數據幀編碼

2 網絡負載率

FlexRay總線負載是指消息傳輸要占用的總的靜態時隙(static slot)數與所用FlexRay通信周期數的比值。FlexRay靜態時隙長度由最長的靜態消息幀決定。靜態段消息的長度懸殊越大，網絡帶寬浪費就越嚴重。如圖4所示，只有d消息充分利用了帶寬，浪費帶寬最嚴重的就是消息e。為了方便地引出負載率公式，這里假設圖4中的所有消息周期與總線周期相同。提出一種分割消息長度的方法以降低總線的負載。FlexRay總線負載率U可表示為

(1)

式中:Ld表示消息d的長度；LC表示一個總線周期的長度。

圖4 靜態段總線負載率

3 消息分割法

本方法的思想是將長度較長的數據分割為多段，仍然通過靜態段傳輸，而不是放到動態段來傳輸。消息放到動態段傳輸雖然可以降低靜態段的負載率進而提高靜態段的有效利用率，但是時間的確定性無法保證。研究本方法之前做如下假設：

(1) 所有消息在最壞響應時間下均可調度；

(2) 通信中不存在消息發送失敗，發送錯誤；

(3) 消息的長度、周期和截止時間已知；

(4)FlexRay靜態段長度不變。

3.1 靜態時隙長度的計算

根據FlexRay協議,對于一個負載長度為i個字長的靜態數據幀，其最小長度的靜態時隙為

Ti=(C+29+20×i)×Tbit+2×TAPO

(2)

式中：TAPO表示觸發點偏移時間長度;Tbit表示1個位長度的傳輸時間;C表示幀頭、幀尾的位數之和；29為TSS(這里取15bit)，FSS，FES和CID之和。FlexRay通信周期的時間單位是宏節拍。因此，以MT為單位的靜態時隙長度為

(3)

式中：Tmt為1個宏節拍的時間，取值為1～6μs。

3.2 消息分割后的總線負載率

將長度為L個字的消息，分割成長度為i個字的消息進行傳輸，分割后的長度可以通過式(4)進行計算。

(4)

假設一個消息集包含n個消息，這些消息的長度分別為l1，l2，l3，…，ln。其發送周期分別為T1，T2，T3，…，Tn。若將這些消息分割成長度為i的數據進行傳輸，則總線的負載率為

(5)

從式中可以看出，當i增大時，分割出的幀ID會減少，但靜態時隙長度會變大，當i減小時，分割出的幀ID會增加，但靜態時隙長度會減小。如果單純的考慮降低負載率，可以得到最低負載率的值。

分割后的消息所占用的幀ID個數用FID來表示：

(6)

如果要求FID最小，則靜態時隙的長度由最長的消息決定，這樣會導致負載率U較高，如果僅僅追求網絡負載率的降低，就會使得FID數目增加，因為靜態段FID最大為1 023，FID太大對未來總線的擴展有阻力。所以這兩個參數要綜合考慮。

如果上一次分割為j個字節的消息進行傳輸，則平均每個周期所有消息浪費的MT總數為

(7)

下一次分割為i(j>i)個字之后所有消息浪費的MT總數為

(8)

分割之后多出的每一段消息因為編碼需要增加的MT數為

(9)

分割長度由j變為i之后，因為編碼增加的MT總數為

(10)

隨著消息的分割，靜態時隙不斷減小，則短消息造成的帶寬浪費必然就會隨之減少，但消息分割的段數會增多，則編碼附加的比特位數就會增加。當編碼增加的MT數N3小于帶寬浪費降低的MT數(N1-N2)，則網絡負載率就會降低；當N3等于(N1-N2)時，則網絡負載率不變；當多附加的MT數N3大于因為消息分割而使得帶寬浪費的減小時，網絡負載率反而就會增加。

(11)

通過以上推導出的計算公式，可知網絡負載率與消息傳輸周期、幀長度和幀數目之間的關系，消息的時隙長度分配對網絡負載率的影響最大，從而也是影響整體FlexRay網絡性能的主要因素之一。

3.3 負載率優化方法描述

為了最大程度地降低網絡負載率U，可通過下面描述的方法進行消息的優化分割：

(1) 給定通信參數和消息參數；

(2) 循環求解：for(i=lmax;i≥lmin;i--)；

(3) 根據分割后的負載長度i計算對應的U和FID；

(4) 若幀ID<1 023，則保存i對應的U和FID；否則不保存，并跳出循環；

(5) 比較并記錄最小值U′；

(6)循環結束：end；

(7)此時幀ID大于1 023或者i≤lmin；

(8) 得到所有可行i對應的U，FID。

這里，lmax表示所有消息的最長值，lmin表示所有消息的最短值，通過以上步驟就可以得出消息不同的分割長度i所對應的網絡負載率U和FID并確定最優網絡負載率。

4 實驗驗證

為了驗證本文中提出的方法在降低網絡負載率、改善網絡性能方面的效果，采用汽車工程師協會(SAE)提供的基準數據進行驗證，如表1所示，通信參數如表2所示。在數值計算過程中參數取值為：TAPO=1MT；Tmt=1μs。

表1和表2分別提供了消息幀參數和通信參數，根據本文給出的消息分割法的描述，以及分析得出的網絡負載率U和FID公式，觀察消息集合，算法初始由最長的消息lmax=6Byte決定靜態時隙的長度，不同傳輸速率下占用的MT數如表1所示。lmin=1Byte，可以根據式(5)和式(6)得出以不同長度i對消息進行分割之后對應的U和FID數目，如表3所示。不同傳輸速率下網絡負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個通信循環，但是協議中規定通信循環計數器最大值為63，所以本實驗暫不考慮消息16，17和18。

通過表3和表4可以看出，負載率剛開始都是隨著分割后消息長度的減小而降低，而幀ID的個數不斷增加，但并不是靜態時隙長度越小越好，小到一定程度反而負載率會增加，比如在10Mbit/s情況下，當消息由6分割為4并繼續分割為2Byte時，網絡負載率和時隙數目均在不斷增加。所以負載率與分割后消息長度開始成呈正比例關系，當分割后的消息長度小到一定程度就會呈反比例關系；幀ID數目與消息長度一直是反比例關系。表3說明，經過長消息的分割，適當減小靜態時隙長度，可以達到降低網絡負載率的目的，但并不是靜態時隙長度越小越好。追求網絡負載率降低的同時，必然會使得幀ID數目的增加。如果幀ID數目遠小于1 023，那么就可以單一地追求網絡負載率的最低，這樣并不妨礙網絡的擴展。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，即網絡負載率降低的幅度越大，而且傳輸速率較低時，各消息之間的長度懸殊較大，分割后的消息數目也就相對較多，即幀ID數目較多。

表1 FlexRay消息幀

表2 通信參數

表3 分割前后網絡負載率變化

表4 最低負載率降低幅度

5 結論

本文中分析了FlexRay幀格式和物理層傳輸規則，得到消息傳輸所需要的時間。通過將長消息分割為短消息進行傳輸，并得出網絡負載率計算公式。分析了分割后網絡負載率與消息長度和幀ID數目之間的關系。最后通過實驗證明：消息分割法在不同傳輸速率的情況下，均可以降低網絡負載率，且傳輸速率越低，效果越明顯。

(1) FlexRay通信協議規定靜態時隙的長度固定并一致，由最長的靜態消息決定。消息長度懸殊較大，短消息會造成帶寬的浪費，通過消息分割法可以減少帶寬負載率。

(2) 消息并不是分割得越小越好，達到一定程度，網絡負載率反而會增加。

(3) 實驗證實，傳輸速率越低，消息分割法就越有效，網絡負載率降低的幅度就越大，同時分割后消息的數目就越大，即幀ID數目越大。

今后的工作將是研究動態段消息傳輸的時間性能和調度規則。

[1] PARK I，SUNWOO M．FlexRay Network Parameter Optimization Method for Automotive Applications [J]． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(4)：1449-1459．

[2] 王剛，榮健，丁天寶．FlexRay網絡靜態段時間參數優化[J].西南交通大學學報，2012，47(2)：318-324.

[3] KANG M，PARK K，JEONG M．Frame Packing for Minimizing the Bandwidth Consumption of the FlexRay Static Segment[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(9)：4001-4008.

[4] KANG M，PARK K，KIM B．A Static Message Scheduling Algorithm for Reducing FlexRay Network Utilization[C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，ISIE 2009，2009：1287-1291.

[5] SCHMIDT K，SCHMIDT E G．Message Scheduling for the FlexRay Protocol：The Static Segment[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58(5)：2170-2179.

[6] 張利，張本宏，王躍飛．基于總線占用率的FlexRay消息時隙分配方法研究[J].中國機械工程，2011，23(6)：699-702.

[7] SHAW R，JACKMAN B．An Introduction to FlexRay as an Industrial Network[C].Proc of IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2008：1849-1854.

[8] KLAUS S，ECE G S．Message Scheduling for the FlexRay Protocol：Dynamic Segment[J].IEEE Trams on Vehicular Technology，2009，58(5)：2160-2169.

[9] 李佳，田光宇，鈕翔，等．FlexRay網絡通信延遲時間分析[J].清華大學學報：自然科學版，2007，47(8)：1343-1346.

[10] 趙睿，秦貴和，范鐵虎．FlexRay通信協議的總線周期優化[J].計算機應用研究，2010，27(10)：3847-3850.

[11] 顧嫣，張鳳登．FlexRay動態段優化調度算法研究[J].自動化儀表，2009，30(12)：25-29.

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

*國家自然科學基金(61170277)、上海市教委科研創新重點項目(12zz137)、上海市一流學科建設項目(S1201YLXK)和上海市自然科學基金項目(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。