CN110661589A - 基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法，根据机载网络系统的通信需求，确定机载网络系统中的通信设备和网络调度周期；统计各通信设备需求的时间触发通信流条数，统计各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例；将网络调度周期按照所有通信设备需求的总的时间触发通信流条数进行等长划分，切割成分立的时隙；根据各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例将相邻的时隙排列结合为一个整体时隙分配到对应通信设备；各通信设备在各自的整体时隙内发送时间触发通信流，在网络调度周期的剩余带宽内，则按照交换式通信方式，采用流量控制型方式和尽力传输型方式接入传输。

Description

基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法

技术领域

本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，特别涉及时间触发通信架构下数据通信交换的设计方法。

背景技术

随着航空电子领域的集成的传感器的种类和数量越来越多，传统的数据通信系统和控制系统相互渗透交联关系密切，同时从系统设计角度而言，减少机载系统中网络类型分布，统一通信接口，实现航电、机电等传统控制系统的统一网络设计将会较大的降低设计复杂度，节省成本和减少多接口类型的现场集成故障。当然不同传感器数据、航电系统和机电控制系统对承载的应用数据传输需求特性不同，就要求该统一网络面向的航空电子通信能够支撑不同安全关键性和实时性的分布式通信。传统的航空机载通信网络如光纤以太网、AFDX以及FC采用基于事件触发通信机制的网络，由于其随机接入传输的方式导致传输竞争，不可避免的给系统带来不可控的延时和抖动，无法满足不同时间安全关键性需求的应用。基于时钟同步基础的时间触发通信机制为提高机载总线的确定性和实时性提供了契机，交换式的时间触发网络属于时间触发架构下的航空机载总线，通过分布式时间同步算法为网络建立全局同步时钟，在全局同步时钟基础上，通过TDMA划分通信带宽，实现数据帧基于全局时钟分配的接收时隙的流量管理和基于发送时隙的时间触发转发传调度，TDMA分配的时隙根据通信流的ID与数据帧绑定，保证无竞争的时间触发通信，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。

时间触发网络通信网络采用时间触发通信机制，能够实现在规定时间序列内完成数据的收发，具有很高的确定性和可靠性。当前时间触发网络通信的时隙分配调度算法通常采用SMT的算法进行时隙分配，但该方法对通信输入约束比较严格，在分配角度TT流量的要求下需要数据流的周期尽量按幂次来分布，该配置算法在安排交换端口输出时隙无冲突的条件下，系统内各设备的TT时隙布局分散，不利于系统集成中应用数据接入与网络时隙联合编排，对应编排带来了较大的复杂度，当系统不考虑应用数据接入与该数据对应网络时隙联合编排，对应的通信确定性和时效性很难保障。

本发明是在基于分析当前主流的技术背景条件下，设计一种可满足统一网络系统应用场景下的交换式时间触发网络的时隙分配调度方式，同时便于系统集成时，通信应用的收发时机与对应数据流在网络的收发时隙联合编排，实现数据接入后网络即使调度输出，在极大减少系统集成设备复杂度条件下较好的减少了应用和网络调度异步操作的等待时延，提高了数据端到端的实时性。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法，用以解决现有基于时间触发网络时隙分配算法下，分配的TT时隙在通信系统过于分散，归属于单设备的TT时隙组成的持续时间粒度细，不利于设备端通信应用的收发时机与对应设备的数据流在网络上的收发时隙联合编排，增加了应用和网络调度异步操作的等待时延的弊端，本方法集中式的分配集成到系统中的各个设备的发送和接收TT时隙，利于设备端通信应用的收发时机与对应设备的数据流在网络上的收发时隙联合编排，较少了应用和网络调度异步操作的等待时延，提高网络系统通信的确定性和减少时延。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法，包含以下步骤：

步骤一：根据机载网络系统的通信需求，确定机载网络系统中的通信设备和网络调度周期；

步骤二：统计各通信设备需求的时间触发通信流条数，统计各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例；其中，每个时间触发通信流占用的通信带宽相同；

步骤三：将网络调度周期按照所有通信设备需求的总的时间触发通信流条数进行等长划分，切割成分立的时隙；

步骤四：根据各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例将相邻的时隙排列结合为一个整体时隙分配到对应通信设备；

步骤五：各通信设备在各自的整体时隙内发送时间触发通信流，在网络调度周期的剩余带宽内，则按照交换式通信方式，采用流量控制型方式和尽力传输型方式接入传输。

其中，网络调度周期需满足各通信设备中需求时间敏感性等级最高的应用的数据流的通信周期，网络调度周期是指给机载网络系统中定义的时敏性数据流最小通信周期。

时隙大小以us的整数倍取值，取值采用2的幂次或者5的整数倍，最大不超过10us。

本发明的有益效果在于：

与现有技术相比较，解决现有基于时间触发网络时隙分配算法下，分配的TT时隙在通信系统过于分散，归属于单设备的TT时隙组成的持续时间粒度细，不利于设备端通信应用的收发时机与对应设备的数据流在网络上的收发时隙联合编排，增加了应用和网络调度异步操作的等待时延的弊端，本方法集中式的分配集成到系统中的各个设备的发送和接收TT时隙，利于设备端通信应用的收发时机与对应设备的数据流在网络上的收发时隙联合编排，较少了应用和网络调度异步操作的等待时延，提高网络系统通信的确定性和减少时延，为低等级时间关键性的应用提供需求带宽的数据传输，并保留余量用于后续扩展，避免每次新增数据系统配置重新更新，能够较好的适用于航空电子系统的不同安全关键性和安全性相关的分布式跨网络的通信应用。

本发明提出交换式时间触发架构下的适用于当前几种主流机载航电网络的时隙分配调度方案，该技术作为时间触发网络的核心技术之一，通过提供一种通用的实现时间触发交换网络下面向TT时间触发采用共享式通信机制下划分时隙的方案为各端口设备在同一时钟轴进行时隙划分机制调度方案的设计实现，有效地推进时间触发网络发展，在网络传输安全性上和数据服务的确定性提供了较好的保障，并且极大的丰富了在安全性要求高的机载任务系统、高铁控制系统以及工业现场控制等应用场合网络选型等环节的方法；同时本发明的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。

附图说明

图1是利用基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法实现的四个设备的时隙分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法是面向航空机载这种确定性的系统，对应的应用场景不是以开放性和极度扩展性需求为主。当前主流的通用机载环境下的统一网络系统的需求设备个数有限，行业内通常给定一个预估的范围，一旦机载系统定义完整对应的通信设备个数完全确定；一旦系统构型确定，整个生命周期中扩展和更改的可能性微忽极微。该时隙分配调度方式适用于当前主流的交换式时间触发网络如TTE、TSN或者TT-FC，其分配方式适用于带宽1Gbps或者更高带宽交换网络下的分配。

设计基于交换式时间触发网络的统一网络面向不同安全性等级的应用提供不同实时性等级的通信传输服务，对于控制分析系统集成的高安全性、强实时的关键任务通常对带宽需求量较少，如传统的飞控和机电系统的通信总量在每个设备端不会超过5Mbps带宽(TTP为系统共享5Mbps带宽已在国外几型飞机的飞控系统中应用)，同时面向航电应用采用高实时TT业务的数据量较少。基于上述行业分析调研，提出了本方法：

本方法提出基于交换式时间触发网络中面向TT时间触发采用共享式通信机制下划分时隙的方案为各端口设备在同一时钟轴进行时隙划分机制调度方案：该方法适用于交换式的时间触发网络，网络具备通过时间同步功能提供支撑时间触发通信的统一时间基准。具体操作流程如下：

步骤一：根据机载网络系统的通信需求，确定机载网络系统中的通信设备和网络调度周期。接入到机载网络系统中的通信设备包含传感器数据、航电系统和机电控制系统等，网络调度周期应满足各通信设备中需求时间敏感性等级最高的应用的数据流的通信周期。网络调度周期是指给机载网络系统中定义的时敏性数据流最小通信周期，如某个时敏性功能的应用需求的通信周期为10ms，其它应用的通信周期都不小于10ms，那么网络系统调度周期为10ms。

步骤二：统计各通信设备需求的时间触发通信流条数，统计各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例。其中，每个时间触发通信流分配占用的通信带宽相同，通过统计单个通信设备中需求的时间触发通信流条数可以确定通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽，进而可以统计出各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例。

步骤三：将网络调度周期按照所有通信设备需求的总的时间触发通信流条数进行等长划分，切割成分立的时隙，设计时隙大小以us的整数倍取值，取值采用2的幂次或者5的整数倍，最大不超过10us。

步骤四：根据各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例将相邻的时隙排列结合为一个整体时隙分配到对应通信设备。在本案中设计两种方式将网络通信时隙分配给各设备：

一、将网络系统通信调度周期的总时间整个切分后，按照各通信设备需求带宽等比例分配，并归属于同一通信设备的时隙排列结合为一个整体时隙分配到对应设备，同时根据系统需求选择编排各设备的时隙在网络系统调度周期的顺序或者按照各设备占用比例由小到大/由大到小依次分配，该方式预分配的带宽大于当前系统设备的需求用于后续扩展应用；

二、同样按照各设备实际需求带宽等比例分配，整个网络系统通信调度周期的总时间未分配完时间段用于预留其他类型数据传输，后续机制按方式一执行；最终同一个设备的面向时间触发数据流的时隙是相邻连续的，但每条数据流在设备端存在对应的唯一的时隙；

步骤五：各通信设备在各自的整体时隙内发送时间触发通信流，在网络调度周期的剩余带宽内，则按照交换式通信方式，采用流量控制型方式和尽力传输型方式接入传输。

通过各设备按照等时划分好的时隙组成的网络调度周期相对于网络系统通信调度周期小，如图1所示的情况，设计网络系统通信调度周期下包含多个网络调度周期，实现单个网络调度周期下时间敏感性数据多次调度能力；

网络调度周期中约定分配各设备用于时间触发的时隙除外的带宽，则按照交换式通信方式，采用流量控制型方式和尽力传输型方式接入传输，不作其他约束。

在机载嵌入式环境下，采用在VX653操作系统环境运行系统应用，通过网络和应用分区同步，为应用通信调度和网络时隙分配的时隙进行联合编排，实现时间触发系统下高实时确定性通信。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：根据机载网络系统的通信需求，确定机载网络系统中的通信设备和网络调度周期；

步骤二：统计各通信设备需求的时间触发通信流条数，统计各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例；其中，每个时间触发通信流占用的通信带宽相同；

步骤三：将网络调度周期按照所有通信设备需求的总的时间触发通信流条数进行等长划分，切割成分立的时隙；

步骤四：根据各通信设备需求的基于时间触发发送的通信带宽占通信带宽的比例将相邻的时隙排列结合为一个整体时隙分配到对应通信设备；

步骤五：各通信设备在各自的整体时隙内发送时间触发通信流，在网络调度周期的剩余带宽内，则按照交换式通信方式，采用流量控制型方式和尽力传输型方式接入传输。

2.根据权利要求1所述一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法，其特征在于网络调度周期需满足各通信设备中需求时间敏感性等级最高的应用的数据流的通信周期，网络调度周期是指给机载网络系统中定义的时敏性数据流最小通信周期。

3.根据权利要求1所述一种基于交换式时间触发网络的时隙分配调度方法，其特征在于时隙大小以us的整数倍取值，取值采用2的幂次或者5的整数倍，最大不超过10us。