时间敏感网络(TSN)在供应链中的应用与规划

文章主要探讨了时间敏感网络(TSN)在供应链管理中的应用。介绍了TSN的基本概念和特点,阐述了基于TSN的供应链模型构建、优化算法设计和试验验证与分析。通过理论和实证研究,证明了基于TSN的供应链规划方法在提高效率、降低成本、增强透明度等方面的优势。此外,还对基于TSN的供应链模型和传统供应链模型进行了深入比较,分析了各自的优势和不足,并对未来研究方向进行了展望,提出将其他先进技术如人工智能、物联网等与TSN相结合,以进一步优化供应链管理。

面向车载时间敏感网络的流量调度策略及改进算法研究

本文面向汽车电子电气架构中的时间敏感网络(TSN)流量调度问题开展研究。针对实际应用需求,提出一种车载TSN网络拓扑建立方法。针对网络中多类型信息流调度问题,提出一种基于时间感知整形器(TAS)机制的流量调度策略并建立相应的数学模型,在降低网络总延时的同时,兼顾高优先级信息流的时间敏感性和低优先级信息流的数据完整性。为解决模型中信息流转发过程复杂导致求解效率不稳定和流量调度方案众多导致寻优困难的问题,提出一种改进的遗传算法(IGA),从设置自适应交叉概率公式、引入禁忌搜索变异、多种群联合3个方面进行了优化。实验结果表明,本文所提出的算法在端到端延时优化方面提升了43.47%,在生成方案稳定性方面提升了76.96%,该算法可得到低延时、高可靠的车载TSN流量调度方案。本文的研究成果为智能网联汽车领域的研究和车载网络通信算法的优化提供了思路。

基于遗传算法的时间敏感网络调度方法

随着网络技术的进步,车载网、工业物联网以及5G超高可靠低时延通信(uRLLC)等应用都需要时间敏感网络(TSN)来保证超低延时的确定性数据传输。TSN流量调度需要快速且精确的调度算法,现有的精确式求解方法复杂度高,在大规模联合调度时无法满足实时性。文中设计了一种性能更优的路由优化遗传算法(Routing-GA),结合路由和流量调度约束,能通过优化路由来提高调度算法求解效率,为链路负载均衡调度提供服务。该策略增加了调度的求解空间以及求解灵活性,具备元启发式算法的快速求近最优解特点,能够简单有效地处理大规模TSN路由约束联合调度问题。Routing-GA以时间敏感流最小端到端时延作为优化目标,联合考虑路由和TSN约束,并针对TSN传输问题特性提供一种低复杂度、高效率和高拓展性的遗传算法编码方式。此外,为了提高调度算法的性能,提出针对路由长度及链路负载均衡进行优化的交叉变异机制。实验结果表明所实现的Routing-GA能有效减少端到端时延,显著提高求解质量,进化率可以达到24.42%,平均只需要传统遗传算法(GA)迭代运行时间的12%,从而有效提高了算法的求解性能,满足TSN调度的约束要求。

时间敏感网络中基于EDWF-MTTF的启发式调度算法

随着工业控制和信息网络的快速融合发展,基于以太网的时间敏感网络受到了广泛关注。时间敏感网络采用时间触发通信调度来保证数据传输的确定性。然而,现有调度算法难以快速计算大规模周期性流量的调度表。因此,设计了基于带权重的最早截止时间-最大传输时间优先的启发式调度算法,通过灵活适配流量排序权重以及回溯增强等方法,可以在较短时间内解决工业自动化场景中大规模流量的调度问题。实验结果表明,相比经典整数线性规划方法,带权重的最早截止时间-最大传输时间优先的启发式调度算法能更快地计算出大规模周期性流量调度表的较优解。

基于时间敏感网络的PTP交换机技术研究

基于时间敏感网络设计的高精度时间同步系统是目前工业互联网、大数据科学等领域的硬件基础之一。由于传统交换机在标记报文时间戳时无法避免网络栈内部的延迟和不确定性,为了实现更高的时间同步精度和稳定性,基于EVB-KSZ9477S PTP交换机并借助OK335xS开发板辅助控制,设计实现了PTP时间同步系统。该系统采用硬件辅助标记报文时间戳,计算消除PTP帧在网络栈内的不确定性误差,通过内部修正,从而实现较高的时间同步精度。结果表明,相较于普通交换机,基于TSN的PTP交换机的时间同步系统可实现±20 ns以内的时间同步精度和更低的抖动,具有良好的时间同步性能。

基于时间敏感网络的列车通信网络实时流量调度优化

随着轨道交通智能化的发展,列车控制与监测产生的高带宽实时数据对列车通信网络提出了更高的要求。时间敏感网络可作为兼具高传输速率、高确定性和高兼容性的下一代列车通信网络解决方案。然而,实现时间敏感网络确定性通信机制的流量门控调度设计难以拓展到实际场景规模。因此,针对车载网络流量特性,提出一种基于改进增量式调度策略和改进灰狼优化算法的列车通信网络流量门控调度生成方法。首先,基于列车通信网络流量和拓扑结构建立门控调度系统模型。然后,为提高调度生成效率,提出了基于增量式调度的单帧简易调度(Single Frame Simple Scheduling,SFSS)策略,弥补了门控调度模型在计算速度方面的不足。其次,为提高灰狼优化算法的寻优性能,引入了粒子群优化算法、Logistic混沌映射策略和反正切函数,提出了改进灰狼优化(Improved Grey Wolf Optimization,IGWO)算法,改善了实时周期性流量的实时性能和带宽占用。最后,利用SFSS策略和IGWO算法对列车通信网络门控调度系统模型进行测试和求解,通过实验验证所提出调度生成方法的可行性和有效性。实验结果表明,与其他方法相比,提出的门控调度生成方法在计算精度和计算速度方面具有更大的优势,流量调度的平均端到端时延降低为57μs。研究成果能够满足列车通信网络流量调度的需求,可有效地实现时间敏感网络确定性通信在列车中的应用和改善。

时间敏感网络在煤矿的应用

时间敏感网络(TSN)技术引入了多点接入、多路径传输和冗余配置等功能,极大地提高了煤矿通信网络的可靠性,能够满足智能矿山多元化应用的差异化网络需求。介绍了TSN技术原理,详细分析了时间同步技术和数据调度技术,提出了基于TSN+5G的PLC远程实时控制方案,并结合已有矿用工业环网技术,构建了矿用TSN系统架构。TSN在以太网的基础上引入了时钟同步、流量调度和网络配置等关键特性,可为时间确定性数据提供低时延、低抖动和低丢包率的传输服务,为无人矿卡、远程控制、高清视频传输、定位等场景提供可靠的数据传输网络。

时间敏感网络中时间触发流冗余路由与调度研究

针对所有传输流量采用最短路径时,网络可调度性降低的问题,提出了一种针对时间触发流的流属性感知评估函数和冗余路由调度方法。该方法通过启发式算法求解评估函数最大的路由方案,利用整数线性规划求解调度。仿真验证结果表明:在面向区域的电子电气架构网络拓扑中,相较于K最短路径(KSP)、冲突程度(DoC)路由方案,所提出的方案在保证网络可靠性的同时,调度成功率分别提升了38.9%和14%,进一步验证了该方法的有效性。

时间敏感网络中的可变长整形队列调整算法

针对异步整形器(ATS)采用固定长度整形队列实现流量整形存在缓存资源利用率低、可调度流平均时延高等问题,提出了一种基于改进磷虾群算法与流量预测的可变长整形队列调整算法。综合考虑流的队列分配规则、有界时延需求及有限缓存资源,定义时间敏感网络中可调度流传输约束。引入混沌映射、反向学习与精英策略并设计自适应位置更新策略以提升传统磷虾群算法的求解能力,利用改进磷虾群算法寻找整形队列可调整上限。基于卷积神经网络与长短期记忆模型(CNN-LSTM)预测流量,根据预测值计算队列长度调整步幅。仿真结果表明,与采用固定长度整形队列的方法相比,所提算法能有效提高可调度流数量,降低调度流(ST)平均时延,并提升网络缓存资源利用率。

时间敏感网络延时组成的精确分析与测量方法

在依据时间敏感网络(time-sensitive networking, TSN)标准估算相邻节点之间的最大传输延迟Δt时,将不可避免地引入额外的无效等待时间,这种等待时间被称为“泡沫延时”。分析了泡沫延时对增加端到端延时和降低规划成功率的负面影响,并通过细粒度地分析Δt的延时组成,首次提出Δt的精确测量方法。基于精确的Δt,消除了TSN规划时产生的泡沫延时。基于两款定制的TSN交换设备搭建了真实的测试环境,测试结果显示,泡沫延时至少占端到端延时的26.4%,并且消除泡沫延时后规划成功率提升了8.9%~39.1%。

一种基于二级队列调度的时间敏感网络帧抢占机制

作为工业以太网、无人驾驶、航空电子等网络应用场景的核心技术之一,基于以太网的时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)能够提供低时延、低抖动的确定性传输服务,一直以来广为业界关注。TSN流量调度是解决帧传输的确定性和有界时延问题的关键技术,其中帧抢占技术通过对不同实时性要求的数据进行划分且允许高优先级实时数据打断低优先级非实时数据的传输,来保证TSN网络中高优先级实时数据的超低时延。然而,帧抢占机制设置“保护带”以隔离高低优先级两类数据的传输,导致在保护带内网络链路空闲。本文针对保护带引起的链路带宽损耗问题,对帧抢占机制进行改进,提出一种基于二级队列调度(Two-Level Queue Scheduling,TLQS)的帧抢占机制。该机制通过设置两组队列,将经过基于门控的时间感知整形机制(Time-Aware Shaper,TAS)调度的非实时数据进行分流、存储与仲裁调度,并利用保护带闲置带宽进行传输选择。仿真结果表明,相较于使用标准帧抢占机制,基于TLQS的帧抢占机制在降低抢占产生的额外开销的基础上,能够有效提升网络带宽利用率。

时间敏感网络中基于边不相交路径对选择的帧复制与消除机制

工业互联网应用如工业自动化控制系统,对网络提出了更严格的性能要求,包括有界低时延、低抖动与高可靠。传统以太网尽力而为的转发技术难以满足工业互联网确定性的传输需求。IEEE 802.1工作组在标准化的时间敏感网络增强了以太网的时间同步、确定流调度以及可靠性等功能。帧复制与消除机制FRER通过在2条源节点与目的节点相同且不相交路径上并行传输相同的帧,并在目的节点消除重复帧,提高了时间敏感网络的可靠性。该机制存在以下2个问题:(1)路径选择未考虑路径自身可靠性;(2)完全不相交的路径对可能不存在。通过构建路径可靠性模型,提出基于边不相交路径对计算方法,解决了上述问题。仿真结果表明:提出的机制有效提高了路径可靠性的同时降低了帧的时延抖动;当网络负载为0.9时,提出的机制与传统FRER及FRER-MPC相比,时延抖动分别降低了15.6%和11.19%。

基于时间敏感网络的变电站通信网络低时延控制方法

以降低变电站通信网络时延为目标,基于时间敏感网络设计了一种低时延控制方法。首先,在变电站通信网络的站控层和过程层中,利用时间敏感网络交换机组建时间敏感子网络,再将不同交换机终端辨识为多个线性参数模型。然后,利用模糊控制方法控制交换机同步时钟的误差,根据模糊C均值聚类方法确定低时延控制的模糊规则前件,利用时间敏感网络的参数辨识获取模糊规则后件。最后,依据模糊控制前件与后件,结合模糊控制与广义预测控制,实现时间敏感网络时延的反馈校正。实验结果表明,采用该方法控制变电站通信网络时延量后,网络通信最大时延被控制在100μs以内,最大时延抖动被控制在20μs以内,说明该方法有效实现了设计预期。

时间敏感网络业务流动态调度场景中的批量重配置算法

工业自动化领域广泛使用时间敏感网络技术.该领域业务流的调度方式主要包含静态调度和动态调度.静态调度一次计算所有业务流,可以最大程度节省链路和时间资源,但是计算时间长,无法灵活处理新增业务流.动态调度以增量的形式计算新增业务流,计算时间短,但是资源分配不够合理,会产生时隙碎片.全局流重配置机制可以定期对网络中所有业务流进行重新规划,来优化链路和时间资源的分配,但该机制只适用于拥有较少业务流的小型网络,业务流数量的增多会引起计算时间的急剧增长,影响后续到来的业务流.本文在现有动态调度算法的基础上,设计了批量重配置算法.该算法给出了新的评价指标——网络吞吐率,并在满足动态调度秒级响应时间的情况下,定期重配置网络中的部分业务流,优化网络资源配置.此外,算法给出了重配置业务流的选取标准,并优化了流的路径选择标准和传输开始时间计算方式.本文针对原算法和增加了批量重配置机制的改进算法进行了仿真实验,实验结果表明,改进算法可以在拥有数千条业务流的大型网络运行,并在网络吞吐率和调度成功的流数量方面有16.5%和5.5%的提升,同时保证了算法的秒级计算时间.

一种时间敏感网络故障后流量重构与调度优化方法

现有时间敏感网络中的时间触发(Time-Triggered,TT)流量重构研究常忽视流量的冗余情况,导致在实际部署中难以同时兼顾TT流量的延迟性能与故障后重构方案的求解效率。针对上述问题,提出一种故障后流量重构和调度的优化方法。该方法以牺牲无冗余流量的延迟性能为代价,通过提出的快速重构算法及对应的增强设计,能够在保障求解成功率的基础上实现重构方案求解效率的提升。新方法还通过灵活调整未受影响的TT流的调度方案的策略,设计基于禁忌搜索的优化算法以及对应的最优化目标函数,以提升重构后全网TT流量的延迟性能。实验结果表明,新方法的求解效率较当前主流的增量重构方法提升了75.03%以上,且能够在多轮重构后改善TT流量的延迟性能,具有较高的应用潜力。

基于时间敏感网络的列车通信时间同步研究

[目的]列车通信网络中NTP(网络时间协议)的毫秒级精度,已日渐无法满足大流量和确定性传输的要求,同时现有研究局限于将PTP(精确时钟同步协议)应用于列车通信场景,而缺乏列车通信网络中的时间敏感网络时间同步研究,因此有必要进行相关分析。[方法]首先,结合列车通信网络中时间同步的研究现状,根据时间敏感网络同步协议分析了列车通信网络中的偏差和时延;其次,提出了时钟服务源故障和跳变情况下的冗余机制;最后,通过模拟时间同步过程,验证了冗余机制的效果。[结果及结论]时间敏感网络能较好地适用于列车通信网络中时钟服务源的时间同步,且其冗余机制能较好地避免时钟服务源的故障和跳变带来的同步误差。

基于时间敏感网络的列车通信网络研究及应用

[目的]TCN(列车通信网络)拓扑结构复杂而且对传输实时性要求较高,目前列车数据传输主要采用TRDP(列车实时数据协议)进行承载,但会存在网络时延不确定的问题,故研究采用TSN(时间敏感网络)保证数据传输的有界时延,来解决TCN面临的以上问题。[方法]提出了TTAM(一种TRDP与TSN自适应的方法),以实现TRDP与TSN的协议转换,保证列车数据在网络中传输的时间确定性。[结果及结论]通过搭建TSN测试台,对TSN网络功能及性能(IEEE 802.1 AS与IEEE 802.1 Qbv协议)进行测试,验证了TTAM在TSN技术应用中的有效性。

时间敏感网络中确定性服务保障技术研究综述

信息技术的发展日新月异,物联网和工业互联网中的远程外科手术、高精度机器人控制等新型业务对端到端的时延提出了新的要求,传统以太网技术由于其传输的不确定性,已难以满足各类应用的需求,因此确定性网络应运而生。时间敏感网络是确定性服务保障技术。它兼容传统以太网,通过高精度时间同步确保网络之间的时钟一致性,通过低时延流量整形和数据调度策略,有效控制数据传输的时延和抖动,并结合主动故障预防和网络配置机制,实现了时间敏感业务的确定性传输。重点对时间敏感网络中的确定性服务保障技术展开了研究。介绍时间敏感网络的产生背景、发展目标和优势,以及现有标准的分类等方面的内容。从时间同步、资源管理、流量控制和可靠性4个方面对现阶段时间敏感网络的相关标准进行介绍,总结目前的国内外研究现状,并分析比较不同标准的优劣势和适用场景。阐述时间敏感网络在汽车、工业、航空航天等领域的应用价值,分析各领域的研究趋势。总结时间敏感网络发展面临的挑战,并讨论其未来的研究方向。

基于时间敏感网络的医疗监护网络系统设计及时间同步性能验证

医护人力资源难以承载对较多重症病人的实时监护,基于传统以太网技术的物联网技术不能满足医疗监护网络信息传输的实时性和确定性需求,需要实时性能更好的时间敏感网络满足实时监护需求。该文设计了基于时间敏感网络的医疗监护网络系统,并在试验平台进行了医疗监护网络场景的时间同步性能试验。结果表明,基于时间敏感网络的物联网技术能够保障医疗监护网络各节点的时间同步误差稳定在200 ns以内,可以满足医疗监护网络信息传输的时间同步精度需求。

时间敏感网络在城市轨道车辆领域的应用研究

基于时间敏感网络在城市轨道车辆中采用整形调度、可靠冗余等方法,有效地解决了以太网数据传输的不确定性和可靠性问题。针对新一代铁路车载通信网的建设,提出了一种基于高速铁路的动车组网络建模方法。本项目拟通过对时敏网络技术的深入研究,对国内外时敏网络的发展现状进行梳理和分析,归纳总结我国城铁汽车的发展现状,并从可实用化的角度对时敏网的发展提出相应的对策,为促进时敏网在我国轨道交通领域的实用化提供一定的参考和借鉴。