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。

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。

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。

基于时间敏感网络的变电站通信网络最大时延计算方法

基于IEC 61850智能变电站业务的通信需求和时间敏感网络(time-sensitive networking,TSN)的基本原理,应用TSN技术保障变电站通信业务的实时性。基于TSN流调度协议IEEE802.1Qbv的交换机转发原理建立了信息流服务曲线,基于变电站通信网络报文传输特性建立了信息源到达曲线,利用网络演算理论,提出了变电站报文传输的端到端最大时延计算方法。通过不同层次的变电站通信网络仿真分析,结果表明TSN技术满足了变电站业务的通信需求,尤其在保证关键控制命令等时间敏感业务传输的实时性方面具有明显优势。所提出的最大时延计算方法为智能变电站应用TSN的时延分析提供了理论计算依据。

基于时间敏感网络的列车通信网络时间同步与流量整形技术研究

目前城市轨道交通列车多网融合通信系统无法保证关键性数据传输的确定性。分析了该系统对TSN(时间敏感网络)技术的需求,构建了流量整形网络试验平台,开展了基于TSN技术的时间同步与流量整形的相关测试。试验结果表明:在没有其他外界条件干扰的情况下,可以实现预期的列车通信网络时间同步功能;流量整形技术在网络带宽达到上限的极端情况下,仍可以保证关键性数据传输的确定性。

基于时间敏感网络的风电场通信网时延特性分析

风电场通信系统由于数据采集范围广、数据类型较多等复杂因素,在依靠传统以太网通信时存在多信息流相互影响、数据传输实时性差等弊端,无法满足实时通信需求。提出了基于时间敏感网络(time-sensitive networking,TSN)的通信网络部署方案。首先,结合风电系统通信网络及数据分析了TSN技术的工作原理;然后根据TSN原理,推导出基于网络演算的端到端传输时延改进计算模型;其次,通过算例分析了门开时长和调度周期等参数对时延指标的影响;最后,对比分析了TSN与传统以太网时延差别。研究结果表明,通过合理配置参数,TSN具有可预测、低时延的特性,可为风电场高效通信网部署及网络资源优化分配提供了理论依据。

基于异步整形机制的智能变电站通信队列调度策略

时间敏感网络(TSN)因能为智能变电站关键通信业务提供确定性低延时传输服务而得到广泛关注。针对现有变电站工业以太网交换机通信队列调度策略难以从理论上保证关键通信业务的实时性和可靠性的问题,该文提出了基于TSN异步整形机制(ATS)的智能变电站通信队列调度策略。首先,基于智能变电站业务流服务质量需求及传输特点,提出了智能变电站业务流的优先级划分及整形队列分配方案;其次,建立了以业务流端到端时延最小化为目标的整形器参数最优化模型,并通过内点优化算法求解;最后,整形器采用基于令牌桶的流量整形方法对划分后的业务流进行整形,整形后的流量基于严格优先级算法调度传输。基于OMNet++进行了仿真实验,实验结果表明,该文所提方法能够保障关键通信业务的确定性低时延传输。

基于时间敏感网络的智慧列车通信网络架构研究

传统列车通信网络在集成度、灵活性和性能上无法满足智慧列车多业务数据融合、高可靠性、高确定性等信息传输需求,为此分析了下一代列车通信网络在带宽、确定性、互操作、功能安全和网络安全等方面的发展趋势。针对智慧列车需求,对5G及时间敏感网络(TSN)关键技术特性进行了分析,提出了基于5G和TSN的时间敏感型列车通信网络架构。介绍了TSN四个主要功能特性包括时间同步、确定性低延迟、高可靠性和资源管理,阐述了5G系统作为时间敏感网络桥接的系统架构。5G作为新一代移动通信技术,TSN作为传统以太网的升级技术,有望成为下一代列车通信网络关键技术,为智慧列车自动运行、虚拟编组、智能运维等业务提供通信平台支撑。

3项时间敏感网络国家标准正式发布

根据中华人民共和国国家标准公告(2023年第2号),数据通信领域3项时间敏感网络国家标准GB/T 42561—2023《信息技术系统间远程通信和信息交换实时以太网适配时间敏感网络技术要求》、GB/T 42563—2023《信息技术系统间远程通信和信息交换OPC统一架构与时间敏感网络融合映射》和GB/T 42586—2023《信息技术系统间远程通信和信息交换时间敏感网络配置》正式发布。

基于Reactor模型的列车车载安全计算机网络通信系统优化研究

为满足列车网络数据传输的高实时性要求,探讨从车载安全计算机网络通信系统软件层面对数据传输的实时性进行优化。基于Reactor模型,利用操作系统的I/O多路复用机制,将车载安全计算机网络通信系统中的I/O事件、定时事件、信号事件的调用接口进行融合统一,简化应用层调用的复杂度;使用带有优先级的事件队列存储已激活事件,根据已激活事件的优先级动态调整线程池中工作线程的优先级,利用强实时操作系统的任务优先级抢占调度策略保证高优先级事件被优先执行;设计一种线程池水位动态扩容机制,保证高优先级事件始终被优先处理,避免出现事件优先级反转;设计一种线程池水位动态减少机制,高效管理线程池容量,避免出现线程池容量偏大浪费系统资源,或线程池容量偏小导致增加重复创建线程开销。

有线无线融合的卫星时间敏感网络流调度研究

随着空间通信任务日趋复杂化,尤其是对时间敏感的需求不断提升,一方面要求星内系统的高带宽、可靠性和实时性;另一方面星间无线链路也应具备低时延和高可靠性。但由于卫星内部有线链路与星间无线链路差异大,业务数据经过有线和无线链路联合传输时,容易引发节点拥塞,而无法保障时敏业务的时延有界需求。为了提升数据在空间网络传输的实时性,该文提出了一种有线无线融合的时间敏感网络(TSN)流调度方案,首先对有线和无线链路资源分配与终端时延关系进行分析建模,并通过TSN控制器收集终端时敏需求,构建以全网时敏业务端到端最小平均时延为优化目标,然后采用基于增强精英保留遗传算法进行方案的快速求解。通过Pycharm对比测试时隙分配算法的性能,同时设计实现基于EXata网络仿真平台的低轨卫星TSN系统,并搭建实验场景进行试验验证。测试结果表明,该文所提出的流联合调度方案能够为空间时敏任务提供有界、稳定的时延保障。

面向时间敏感网络的5G无线网增强技术研究

5G确定性网络是目前产业界正在积极推动的全新工业通信技术。为了逐步实现确定性传输,3GPP引入了时间敏感通信技术,与超可靠低时延通信技术相比,进一步在时延抖动和时间同步方面对5G网络进行了增强,从而实现端到端的时间敏感通信服务。介绍了时间敏感通信技术特点和标准进展,时间敏感通信技术以时间敏感网络与5G网络融合的网络架构为基础,通过精确时间同步机制提高时间同步精度,通过服务质量和调度增强机制降低业务时延、提高传输可靠性,通过以太网头压缩技术提高传输效率。

时间敏感型网络技术综述

时间敏感型网络(TSN)是目前国际产业界正在积极推动的工业通信技术。阐述了TSN技术产生的背景、工业物联网以及新制造转型中对于工业通信的需求,并从技术角度对TSN进行了全面的介绍。通过对当前国际上重要的TSN标准组织、企业、大学与研究机构的TSN实践进行分析,全面梳理了其发展简要历程、相关国际标准、实现架构与方法、开发、测试与验证、应用前景等。通过这些分析,以全局视角分析该技术对于产业的推动作用,以及未来发展趋势和在智能制造、工业互联网领域的前景,并希望国内的产业、标准化组织、大学等能够积极加强对其更为深入的研发、测试,以获得市场的先机。

无线超可靠低时延通信:关键设计分析与挑战

目前超可靠低时延通信(URLLC)研究较碎片化,且侧重于某一点,因此以全景式视角,从应用场景和需求开始,介绍了URLLC相关的系统架构、关键技术和总体解决方案;然后分别对物理层检测性能需求、链路自适应、无线资源管理、端到端分集解决方案以及如何与时间敏感网络集成进行了深入的分析,并对候选方案进行了探讨。希望从广度到深度,对URLLC的理论研究以及如何应用有一个透彻全面的介绍,对其挑战有一个清晰的认识,从而为相关研究和工程技术人员提供借鉴。

导弹防御中指挥控制通信系统效能评估方法

采用系统学中由上而下的分析方法,将目标弹看作时间敏感性目标,对弹道导弹的拦截概率进行建模。在分析弹道导弹时间特性的基础上,提出了基于拦截概率的指挥控制通信系统效能评估方法,建立了指挥控制通信系统的效能评估模型,并利用该模型对指挥控制通信系统的效能进行分析。仿真算例表明基于拦截概率的效能评估方法是有效可行的。

uRLLC中TSC技术及相关应用研究

uRLLC是5G的三大应用场景之一,具备高可靠、低时延、极高的可用性等特性。首先分析了uRLLC R16版本对工业互联网场景中TSN需求的标准化增强技术,然后给出了典型应用的部署方案,分析了uRLLC商用需要引入的增强功能和面临的挑战。

机载时间敏感组网分析综述

时间敏感网络“准时、准确”的调度与传输机制可以有效地提升工业自动化系统、车载综合电子系统中信息交互的确定性,潜在的也成为了机载系统高确定性组网的候选方案之一,但如何将其多种时间敏感整形和调度机制与机载组网环境和需求进行匹配,是当下首要解决的问题。在对现阶段的时间敏感网络的标准进行总结的基础上,详细分析了机载组网的需求,并从时间敏感网络调度与优化、保证时延边界分析两方面总结了当下时间敏感网络相关研究的最新进展,以及与机载组网环境相结合的考虑,进一步针对机载组网的典型需求,从协议剪裁、体系管理、模型工程、可靠安全、无线混传等方面详细讨论了时间敏感网络技术在机载环境应用所面临的挑战和关键技术。

TSN成为工业通信统一的可能

近来,任何从事工业通信的人都会面对时间敏感型网络(TSN)的话题。TSN必将到来,只是时间和方式的问题。然而,即使到今天,人们对它在工业通信领域的优势并不是很清楚。

确定性网络的5G%TSN技术演进探讨

介绍确定性网络技术中的5G%TSN(时间敏感网络)技术,从5G与TSN网络的融合架构开始,重点分析5G%TSN的演进方向,包括内生确定性UE(终端)-UE组网、TSN的灵活授时机制、时钟源的可靠性增强、高可靠传输能力开放、与DetNet互通的L3确定性能力支持、分布式TSN网络管理模型。通过技术演进的展现,明晰相关行业业务应用的具体形态,针对特定的需求,构建更高效的确定性网络。最后,结合当前的技术应用场景,总结5G%TSN的现实意义,为相关的技术选型提供一些参考。