基于面向TTE的新型数据综合系统的设计与实现

针对传统总线无法实时网络传输,新型总线时间触发以太网(TTE)兼容IP协议和IEEE802.3协议,但TT业务和BE业务需设备满足TTE协议,实际工程缺少适用性的问题,设计了一种基于FPGA的时间触发以太网数据综合系统。该数据综合系统以FPGA作为核心控制器,千兆网作为主要通信接口,在满足高速率、高宽带、高灵活的前提下,设计出数据综合模块,将多种传统总线与TTE总线良好兼容。试验结果表明:系统在同步精度高达40 ns、通信抖动仅为392 ns的前提下,数据转换收发无误码现象。同时将多种数据混合编帧,具备极高的稳定性与灵活性,为TTE网络数据服务于实际工程提供了可靠的解决方案。

面向载人月球探测的确定性以太网应用研究

确定性以太网(时间触发以太网和时间敏感网络)是在传统以太网上增加时间同步、时间感知整形等机制,能够提供高可靠低时延的确定性通信服务的技术。确定性以太网在航天器中的应用,可以解决现有总线难以满足未来空间系统架构开放性、数据处理实时性和数据传输可靠性等应用需求的问题。对确定性以太网技术产生的背景、技术原理和发展现状进行分析,提出一种“先融合后增强”的推进步骤,即由时间触发以太网和时间敏感网络融合的架构逐步过渡到完整的时间敏感网络架构,为我国未来航天器信息系统数据总线的设计和实现提供思路。

无人车载网络高可靠HUB的设计

为满足无人车技术的不断发展及日趋复杂的车载网络带来的高带宽和高可靠性的使用要求,设计一种车载网络集线器(HUB)。采用时间触发协议(TTP),设计时间触发以太网(TTE)加星型TTP总线的架构。TTE提高数据带宽,在物理层与驱动设备采用点对点的连接方式代替总线型通信方式,提高可靠性,解决总线型通信方式一点断开,整体通信失效的问题。针对HUB的设计做详细阐述,通过实验验证了设计的可行性和可靠性,对车载网络的优化提供了可行的解决途径。

面向时间触发流量调度的虚拟网络嵌入方法

网络虚拟化技术将物理网络中的节点、链路资源进行抽象,通过虚拟网络嵌入(VNE)方法,使多个虚拟网络(VN)共享底层网络(SN)资源。对于应用于航空航天电子领域的时间触发以太网(TTE),提出一种面向时间触发流量调度的虚拟网络嵌入(TT-VNE)方法,在满足传统虚拟网络嵌入问题的总资源量限制条件的同时,保证时间触发(TT)流量的严格周期性。在求解过程中,根据与虚拟节点相连的链路中TT流量带宽需求及其总带宽资源需求对虚拟节点进行排序,利用广度优先搜索算法嵌入虚拟节点,并在候选最短路径集合中对虚拟链路进行路径规划;如果当前虚拟链路中TT流量不可调度,则进行局部虚拟节点重新嵌入与路径规划的迭代设计。仿真结果表明:TT-VNE方法的请求接受率不低于VNE-DCC、VNE-NTANRC-D、ELECTRE-VNE这3种既有方法,且当星型拓扑中虚拟网络请求数超过30时,其请求接受率比仅考虑网络拓扑属性和资源属性的VNE-NTANRC-D方法提高约14.3%。

基于ZYNQ的时间触发以太网系统设计

时间触发以太网(TTE)是一种基于标准以太网的实时网络通信技术,采用“时钟同步”和“时间触发”来确保关键数据的通信实时性和确定性,解决了标准以太网基于“事件触发”的通信方式无法保证通信确定性这一问题,通过冗余传输和故障检测、隔离机制来提升网络的可靠性,具有大带宽、强实时性、高可靠性和兼容标准以太网的技术特点,能够满足安全关键系统的强实时通信需求,本系统应用ZYNQ芯片实现了TTE网络协议,完成了数据采集、数据传输、数据判读等功能。测试展现了TTE技术的高可靠性和时效性,并展现出本系统的兼容性和多任务工况的应用拓展性。

面向空间应用的高可靠以太网接口设计

针对时间触发以太网的信息网络能够满足高带宽、低延迟、高可靠的应用需求,文章提出了一种兼容传统以太网,实现关键流量降级传输的以太网接口设计方案,并完成接口逻辑实现。文章对数据帧的发送延迟、接收延迟等主要指标进行了仿真和实物测试,最后与1553B总线进行了对比,结果表明该接口能够满足当前飞行器数据传输要求,可以应用于面向空间应用的各类高带宽、低延迟、高可靠数据传输场景。

基于强化学习的TTE网络调度规划方法设计与实现

为了给时间触发以太网中的事件触发类消息合理地提供时隙、获得更均衡的消息调度时刻,该文提出了基于Q学习的调度规划算法,将消息调度在时间轴上的求解转化为在三维空间上的多宝箱探索问题,实现基于强化学习的网络调度规划算法求解调度时刻表。针对提出的算法进行了仿真实验,并对实验结果进行分析验证,与传统的基于可满足性模理论(SMT)的调度规划算法相比,基于Q学习的调度算法对TTE网络负载均衡性的优化显著超越SMT算法,能更合理地分配网络资源。

基于MicroBlaze的时间触发以太网终端设计与实现

针对确定性机载网络通信系统实时性强、可靠性高的需求,设计了一种时间触发以太网终端的实现方案;以MicroBlaze软核处理器为核心,使用LWIP协议栈实现UDP通信;经过60 s的性能测试,平均带宽约为621 Mbits/s;在TTE交换机与终端设备之间,使用主从式同步方式实现时间同步;经过10次时间同步测试,链路传输延时在150~250μs之间;建立时间同步后加入时间触发任务,进行周期性的发送时间触发消息;为了保证系统可靠性,在传输层中采用MD5数据校验,并设计了一种四余度管理机制;测试结果满足TTE终端的功能需求。

基于时间触发以太网的遥测通信技术

传统遥测系统采用LVDS、RS422、1553B总线等组成混合架构网络,介绍了混合网络架构下主从设备数据调度关系,介绍了传统遥测系统设备互联特性、时间同步特点,介绍了基于混合架构网络的遥测系统应用存在的缺点。时间触发以太网(Time-triggered Ethernet,TTE)具有高精度时间同步、时间触发、高速传输、冗余传输等特点,基于时间触发以太网的遥测通信技术实现了总线技术与遥测通信技术的融合,统一了设备互联的接口形式和接口协议,遥测系统获得了千兆网络传输速率,具有双冗余热备份数据传输能力,使遥测系统实现了升级换代。结合时间触发以太网时间同步特点,基于时间触发以太网的遥测通信采用“两级数据综合技术”解决了遥测系统应用TTE总线技术的难题,与传统遥测系统相比,带宽利用率可达99%,与传统遥测系统相当。进行了TTE总线多节点设计和测试验证,实现了高精度时间同步、时间触发、多节点、双冗余通信和基于时间触发以太网的遥测通信的目标。

基于快速增量的时间触发以太网优化调度技术

面向航空航天应用的时间触发以太网(TTE)对通信实时性、消息安全性提出了严苛要求,高效的全局静态调度技术有利于充分保障不同消息的服务质量。针对实时性最高的时间触发(TT)消息决定了低优先级速率受限(RC)消息的发送时刻这一问题,提出一种基于快速增量的TTE优化调度技术,通过快速增量基本调度单元回溯修正多跳延迟,优化TT消息静态调度表,提升RC消息传输性能,最后将网络调度算法应用于时间触发航电系统网络拓扑模型进行验证。仿真实验表明:在保障TT消息满足传输约束的情况下,该TTE优化调度技术有效提升了网络实时性能,RC消息的平均端到端延迟最高优化14.08%,最坏端到端延迟最高优化22.86%。

面向空间应用的时间触发以太网

将时间触发协议增加到采用星型拓扑结构的以太网业务上,且保持完全兼容IEEE802.3标准,可解决空间有效载荷使用标准以太网通信遇到的实时性、确定性和可靠性问题。时间触发以太网基于全局基准时间,实时数据传输遵循严格的时序,支持时间和事件触发的两种通信过程。时间触发通道适合同步或周期性实时消息的传输,而事件触发通道适用于偶发或非周期性消息的传输。设计了空间应用以太网的拓扑结构和协议栈,介绍了系统通信的过程,进行了时间触发协议的研究,并对同步性能和网络性能进行了仿真验证。该以太网在保证可靠性、安全性的同时,增强了网络的灵活性,提高了网络利用率。

时间触发AFDX网络的设计和实时性分析

时间触发机制可以近一步提高航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)的确定性,保障时间关键消息具有完全的时间确定性.将时间触发机制引入了AFDX网络,设计了时间触发ADFX网络(TTAFDX,Time-Trig-gered AFDX)的体系结构,包括协议栈、虚拟链路类型、端系统调度、交换机调度、透明通信机制和降级通信机制,并且设计了端系统和交换机的时刻调度算法.对TTAFDX网络从理论和仿真实验两方面进行了分析,验证了TTAFDX网络对时间关键消息的完全时间确定性的保障.

时间触发以太网同步及调度机制的研究

说明并分析时间触发以太网(TTE,Time-Triggered-Ethernet)的时间同步机制,对于采用时间触发机制调度的周期性任务,提出生成周期调度时刻表的方法,利用方法可以根据离线生成的调度时刻表进行调度,也可以动态地将通信任务加入或撤出调度时刻表,调度时刻表的设计避免时间触发的数据包争用物理链路。构造相应的网络通信场景,通过生成调度时刻表的算例与仿真结果进行了验证。

基于TTE的改进加权轮询调度算法

在时间触发以太网(TTE)中,TT消息优先级最高,RC消息只能在TT消息调度的离散时间片内传输,因此,TT消息离线调度表的设计会对RC消息调度产生一定影响。针对这一问题,提出了基于最优时间片的改进加权轮询(MWRR)调度算法。首先,通过TT消息约束条件限制获得TT消息离线调度表,进而得到保证RC消息较大资源利用率的时间片信息;其次,在离散时间片对不同类型RC消息进行调度,并运用网络演算方法对其最坏端到端延迟进行分析;最后,通过实验仿真证实了本文算法不仅具有较低的复杂度和较好的公平性,保证了实际应用中算法的可行性,而且在时延性方面均优于先到先得(FIFO)、优先级(PQ)和加权轮询(WRR)调度算法。

猎户座飞船电子系统设计特点分析与启示

2014年12月5日猎户座飞船成功完成"探测飞行试验"任务,标志着美国NASA为实现载人火星探测迈出了关键一步。文章从分析猎户座飞船电子系统入手,总结了其高度灵活、可扩展、高可靠的设计目标,介绍了系统采用的分布式系统架构的设计特点及最终的实现方案;梳理了容错计算机系统、时间触发以太网和分时分区操作系统等关键技术的工作原理,并通过与传统实现方式的对比,分析了上述技术在系统中的应用优势。最后提出了发展建议,可为我国后续开展火星探测任务提供参考。

时间触发以太网时钟同步的容错方法分析

为揭示高完整性和标准完整性配置下时钟同步容错方法的有效性,对时间触发以太网(time-triggered Ethernet,TTE)网络标准中时钟同步服务描述进行协议分析,还原时钟同步算法的理论模型。通过分析容错机制对应的失效模式,对TTE网络时钟同步算法在单同步域下对抗失效的有效性进行仿真验证,仿真结果表明了高完整性配置下的TTE网络时钟具备对抗单点随意失效的能力。

基于贪婪随机自适应搜索法的TTE通信调度算法

时间触发以太网(TTE)采用全局时间触发机制,使通信任务传输具有严格的时间确定性和无冲突性,适用于航空电子等混合关键应用领域。TTE网络提供3种不同的流量类型:具有低抖动和有界端到端延迟的时间触发(TT)流量,有限制端到端延迟的速率约束(RC)流量和无实时性保证"尽力传"(BE)流量。针对可满足性模理论(SMT)等调度算法在生成TT流量离线时刻调度表的过程中,未综合考虑TT流量路由和时刻调度表对RC流量延迟产生影响的问题,为了优化TTE网络实时性能,提出了一种基于贪婪随机自适应搜索算法的TTE通信任务调度算法。在TT流量离线调度表的生成过程中考虑了RC流量的最坏端到端延迟(WCD),在保证TT流量满足可调度性的前提下,通过路由规划和调度时刻表规划降低了RC流量的WCD。对比实验结果表明:所提算法可以有效的提升整网的实时性能,通过A380拓扑组网案例的对比分析,RC流量的平均延迟减少了14.34%。网络中流量规模越大,所提算法的收益越大。

基于混合遗传算法的TTE静态调度表生成设计

时间触发以太网(TTE)以其独特的TT消息流调度保证了全局通信的结构。在TTE中,为了进一步提高已经调度的TT消息流的通信效果并创造更多的时域空间以便将来使用,引入遗传算法提高全局搜索能力,并提出一种融合装箱算法和遗传算法的混合遗传算法(Hybrid-GA)。采用典型装箱模型对消息调度问题进行转化,利用混合遗传算法对其进行求解。通过仿真实验证明,混合遗传算法可以有效地满足实时性要求,并实现较少的时间片消耗。对比单纯遗传算法,混合遗传算法因其较好的发挥装箱算法的局部搜索能力,可以更加快速地收敛于全局最优解,表现出很好的调度表生成能力。

基于稳健回归的TTE时钟补偿算法

时间触发以太网(time-triggered ethernet,TTE)通过精确的时间调度,保证了通信数据的实时性传输,满足了航空电子、运输及工业自动化等众多领域中关键安全系统的传输要求。然而,现有的TTE标准虽然规定了时间触发以太网的时钟同步流程,但未对时钟补偿问题给予具体解决方法。针对TTE的时钟同步特点,提出了一种基于稳健回归的时钟同步补偿方法。通过稳健回归算法对时钟误差进行估计,再根据估计误差对各节点的本地时钟进行补偿,所提出的算法成功解决了传统时钟补偿方法导致的时钟跳变和野值影响的问题。仿真结果也证实了,在野值比例不大于50%的情况下,所提算法在时钟同步精度方面明显优于传统的直接补偿算法和无稳健性的最小二乘补偿算法。

时间触发AFDX调度设计及实时性分析

针对时间触发航空电子全双工交换式以太网(TTAFDX)的特点,设计基于帧长度优先原则的系统调度策略,解决时间触发虚拟链路的调度问题。搭建典型网络,采用网络演算方法对TTAFDX和使用静态优先级调度策略的AFDX进行实时性比较,结果表明,TTAFDX中时间触发虚拟链路的延迟主要由固定延迟部分组成,而速率限制虚拟链路的实时性较AFDX中的低优先级虚拟链路也有所提高,证明TTAFDX调度策略在兼容AFDX的同时能够改善网络的时间确定性,适用于具有硬实时传输要求的航空电子系统。