CN112073229B - 与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统，整个uTTE网络系统的同步周期上划分同步广播时隙和业务通信时隙，同步广播时隙需要满足同步授时广播帧传输时间还需要预留一个系统同步精度误差；每个uTTE端设备在同步周期中安排一个业务通信时隙，每个业务通信时隙采用等长方式配置；相邻业务通信时隙为连续无间隙，相邻同步广播时隙和业务通信时隙为连续无间隙。本发明可为每个uTTE端设备产生的应用数据按串行调度方式接入到交换机提供同步周期。

Description

与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统

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，涉及一种与标准TTE网络系统直通的精简TTE网络系统。

背景技术

由于飞机电子系统中(航电、机电、飞控)各功能域内部的数据通信特性不同、各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，如RS422、232、A429、825、717、ARINC825、1553B、TTP、1394、AFDX等，通信种类多样导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高，电磁环境复杂。

同时，上述提起的几种主流的航空机载总线网络，由于采用基于事件触发通信机制，网络的端系统随时接入通信，有消息即可发送，不可避免的造成传输竞争，给端到端数据流传输带来不可控的延时和抖动，无法满足新型的航空电子系统对不同时间关键性和安全性相关的分布式通信应用的需求。

时间触发以太网(TTE)属于时间触发架构下的新一代航空机载总线，在引入了时钟同步机制的基础上建立了全局的网络同步时钟，通过确定性的时间触发通信机制保证无竞争的TT帧通信，极大提高了网络通信的时间确定性和实时性；同时支持事件触发通信帧的传输，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。

面向航电、机电、飞控的综合化，设计采用可与标准TTE网络系统直通的精简TTE(uTTE)网络系统，采用统一协议体制在充分满足当前航电、机电、飞控等各功能域内部的数据通信需求基础上，实现各系统进一步综合需求以及无缝互联，简化系统架构设计。与TTE组合的分层架构可以实现该通信系统可以级联到航电系统通信的标准TTE网络中，实现跨功能域的统一协议设计。

发明内容

针对飞机电子系统各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高的问题，本发明的发明目的在于提供一种与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统，TTE网络系统与uTTE网络系统之间采用系统级的网络架构，uTTE端设备产生的应用数据按照划分的时隙周期性的串行调度方式接入到uTTE交换机中，实现uTTE交换机具备在无配置(标准TTE转发需要大量配置，uTTE无需预先配置路由信息以及每个数据转发的时间窗口信息)或简单配置模式下(采用总线式的模式进行时隙划分和配置，与标准TTE比较需求的FPGA内部的配置寄存器和存储资源较少)的确定性交换转发，该机载总线可以胜任飞控和机电等实时性要求和安全性要求苛刻的控制分系统的应用场合，同时能过与采用通用TTE网络协议通信的航电网络进行无缝的互联对接。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统，包含uTTE端设备和uTTE交换机，uTTE交换机连接到标准TTE交换机的任意同速率的端口，uTTE端设备连接到uTTE交换机的端口上，在整个uTTE网络系统的同步周期上划分同步广播时隙和业务通信时隙，同步广播时隙需要满足同步授时广播帧传输时间还需要预留一个系统同步精度误差；每个uTTE端设备在同步周期中安排一个业务通信时隙，每个业务通信时隙采用等长方式配置；相邻业务通信时隙为连续无间隙，相邻同步广播时隙和业务通信时隙为连续无间隙；同步周期D_TDMA为_：

其中D_{D_slot}为业务通信时隙，D_{S_slot}为同步广播时隙，N为uTTE交换机上挂载的uTTE端设备个数。

进一步，uTTE网络系统采用主动同步模式或被动同步模式，主动同步模式和被动同步模式能相互转让权限进行模式切换；其中：

被动同步模式为：

步骤1、uTTE交换机监听来自标准TTE交换机的IN PCF帧；

步骤2、uTTE交换机在收到协议控制帧IN PCF后进入同步状态，将预先配置好的标准TTE交换机发送IN PCF帧的同步时刻偏移值加上IN PCF帧携带的透明时钟值后的时钟值来设定本身的同步周期的起始时间；

步骤3、uTTE交换机在每个同步周期的同步广播时隙向所有交换端口发送同步授时广播帧；

步骤4、连接到uTTE交换机端口上的uTTE端设备接收并识别同步授时广播帧后，用同步授时广播帧中的时延计时对本地时钟进行补偿后设定为uTTE端设备的当前同步周期的计时开始时刻点；如果uTTE端设备启动监听两个的同步周期时间超时，将启动主动同步模式；

主动同步模式为：

步骤1、由uTTE端设备的晶振特性作为依据采用最佳时钟选举方法从uTTE网络系统中选择一个uTTE端设备作为主时钟设备；

步骤2、主时钟设备一旦选举确定，开始基于该主时钟设备的时钟源进行同步周期计时，在每个同步周期的同步广播时隙向所有uTTE端设备和uTTE交换机发送同步授时广播帧；

步骤3、uTTE端设备和uTTE交换机接收并识别出同步授时广播帧后，用同步授时广播帧中的时延计时对本地时钟进行补偿后设定为uTTE端设备和uTTE交换机的当前同步周期的计时开始时刻点；其中，同步授时广播帧中携带的时延计时为uTTE网络系统预先评估的链路平均补偿时延以及同步广播时隙起始时刻点到该同步授时广播帧成帧第一个bit发送到链路上的延时的总和。

进一步，uTTE端设备对应用数据进行对应的协议打包处理后，进入到系统调度缓冲区等待调度，uTTE端设备在同步时基上维护一个全局定时器按照同步周期大小进行周期性计时，计时到达本uTTE端设备划分的业务时隙内的发送时隙则调度缓冲区的数据输出。

进一步，uTTE交换机按规定的顺序轮询遍历所有接收端口的数据帧，有数据帧则复制到转发端口进行广播转发；uTTE端系统将屏蔽时间有效性校验的功能，将接收到的数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用。

或者，uTTE交换机的同步时基计时到达接收端口对应接收时隙时，接收端口将开启接收时间窗口检验，按照配置的接收时隙进行帧传输时间有效性校验，通过校验的数据帧放入对应的转发端口缓冲区，非接收时隙的时间则关闭接收端口；同步时基计时到达对应发送时间时隙时，开启发送调度允许转发端口缓冲区上的数据帧；

接收端按照配置的接收时隙进行帧传输时间有效性校验，将帧传输时间有效性校验通过的数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用。

本发明的有益效果在于：

本发明采用系统级的网络架构设计约束，设计每个uTTE端设备产生的应用数据按照周期性的串行调度方式接入到交换机中，实现交换具备在无配置(标准TTE网络交换转发需要大量配置)、或者简单配置模式下的确定性交换转发，可在一定程度上提高数据通信的时间确定性、实时性、可靠性和安全性满足实时性要求等级高的应用场合。该设计方法极大的丰富了用户对于基于时间触发架构下的航空机载总线选型、推动航空总线一体化的手段环节的方法。同时该专利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为标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统的结构示意图。

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。

参见图1所示，一种与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统，包含uTTE端设备和uTTE交换机，uTTE交换机连接到标准TTE交换机的任意同速率的端口，uTTE端设备连接到uTTE交换机的端口上。该uTTE网络系统包含以下几项技术：

(一)uTTE网络系统的同步周期配置

整个uTTE网络系统的同步周期分为同步广播时隙和业务通信时隙两种类型。每个同步周期的起始时段分配给同步广播时隙(同步广播时隙一般安排在同步周期起始时刻可以简化系统控制逻辑，也可以在编排到同步周期任意其它时隙)，该时隙长度需要满足同步授时广播帧传输时间还需要预留一个系统同步精度误差(该值大小取决于各自硬件系统实现精度)，主时钟设备在同步广播时隙发送同步授时广播帧。业务时隙划分和组合机制充分考虑面向典型航空控制领域通信的时隙划分模式：

1、每个uTTE端设备在同步周期中安排一个业务通信时隙，在业务通信时隙内划分接收时隙和发送时隙；

2、每个业务通信时隙采用等长方式配置：基本时间长度为系统最大帧长/bit除以带宽/bps，典型控制系统帧长一般在256字节，举例典型的业务时隙长度：

3、相邻业务通信时隙为连续无间隙；

4、相邻同步广播时隙和业务通信时隙为连续无间隙；

5、uTTE端设备个数以uTTE交换机上挂载的uTTE端设备个数为准，uTTE交换机可挂载uTTE端设备取决于交换端口个数，uTTE交换机的交换端口个数按系列化24/36/48,uTTE交换机根据集成的交换端口个数依次编号，分配时隙的编号与连接到交换机的端口编号一一对应，系统总的同步周期为D_TDMA：

其中D_{D_slot}为业务通信时隙，D_{S_slot}为同步广播时隙，N为uTTE交换机上挂载的uTTE端设备个数。

通过上述方案规划的同步周期和设备的时隙参数将通过离线方式生成uTTE网络系统和uTTE端设备的配置文件，系统设备上电需要加载对应的配置再按照对应的同步和时隙约束进行系统级通信调度。

(二)uTTE网络系统的同步

uTTE网络系统支持两种不同的同步模式：主动同步模式和被动同步模式，两种同步模式可相互转让权限进行模式切换，被动同步模式是uTTE通信交换模块和主干网TTE架构集成在一起，时钟源由与标准TTE交联的uTTE交换机来提供，uTTE交换机为主时钟设备，uTTE端设备为从时钟设备，具体为：

步骤1、uTTE交换机连接到标准TTE交换机的任意同速率的端口，作为同步客户端设备监听来自标准TTE交换机的IN PCF帧(协议控制帧)；

步骤2、在收到协议控制帧IN PCF后进入同步状态，将预先配置好的标准TTE交换机发送IN PCF帧的同步时刻偏移值加上IN PCF帧携带的透明时钟值后的时钟值来设定本身的同步周期的起始时间，uTTE交换机将按照固定的同步周期实施统一步骤进行同步；

步骤3、uTTE交换机在每个同步周期的同步广播时隙向所有交换端口发送同步授时广播帧，同步授时广播帧采用最短帧形式组帧保证最小的带宽消耗；

步骤4、连接到uTTE交换机端口上的uTTE端设备接收并识别同步授时广播帧后，用同步授时广播帧中的时延计时对本地时钟进行补偿后设定为uTTE端设备的当前同步周期的计时开始时刻点；如果uTTE端设备启动监听两个的同步周期时间超时，将启动主动同步模式。

主动同步模式为uTTE网络系统独立通信架构下，涉及同步时钟源的备选推举策略，即采用最佳时钟选举方法来获取主时钟源，在uTTE网络系统和主干网TTE架构集成系统模式下，也可以让权给uTTE系统独立选举获取主时钟源，取得主时钟源的uTTE端设备的主时钟设备，其余uTTE端设备和uTTE交换机为从时钟设备，具体为：

步骤1、由uTTE端设备的晶振特性作为依据采用最佳时钟选举方法从uTTE网络系统中选择一个uTTE端设备作为主时钟设备；

步骤2、主时钟设备一旦选举确定，开始基于该主时钟设备的时钟源进行同步周期计时，在每个同步周期的同步广播时隙向所有uTTE端设备和uTTE交换机发送同步授时广播帧，同步授时广播帧采用最短帧形式组帧保证最小的带宽消耗；在一个同步周期中主时钟设备在对应的同步广播时隙和业务通信时隙均有发送能力，时隙功能是唯一的只能对应同步授时广播帧或者通信业务帧发送，不能交叉占用；

步骤3、uTTE端设备和uTTE交换机接收并识别出同步授时广播帧后，用同步授时广播帧中的时延计时对本地时钟进行补偿后设定为uTTE端设备和uTTE交换机的当前同步周期的计时开始时刻点，实现分层架构的网络系统同步到统一时钟。

其中，同步授时广播帧的定义：

同步授时广播帧中携带的时延计时为uTTE网络系统预先评估的链路平均补偿时延以及同步广播时隙起始时刻点到该同步授时广播帧成帧第一个bit发送到链路上的延时的总和，携带的时延计时精度以PS为单位，以每个同步周期的计时开始时刻点为uTTE网络系统通信和同步的零时刻点，并在该计时开始时刻点产生使能脉冲驱动主时钟设备组装同步授时广播帧进行发送。

(三)系统调度机制：

uTTE端设备对应用数据进行对应的协议打包处理后，进入到系统调度缓冲区等待调度，uTTE端设备在同步时基上维护一个全局定时器按照同步周期大小进行周期性计时，计时到达本uTTE端设备划分的业务时隙内的发送时隙则调度缓冲区的数据输出。

(四)交换处理机制

交换处理机制可以有二种机制，一种是无时隙的交换处理机制，一种是基于业务时隙的交换处理机制。

在无时隙的交换处理机制下，uTTE交换机采用基于轮询调度的广播转发，即按规定的顺序轮询遍历所有接收端口的数据帧，有数据帧则复制到转发端口进行广播转发。uTTE端系统将屏蔽时间有效性校验的功能，将接收到的数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用。在uTTE端系统可以采用余度管理功能，具体为：两个互为冗余的端口在接收到按约定时间段内到达的互为冗余的数据帧后，按“先入者有效”方式选取有效的一个数据帧提交到上一协议层级进行处理，数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用。

在基于业务时隙的交换处理机制下，uTTE交换机按照预先在同步周期上划分的各uTTE端设备的接收时隙、发送时隙进行接收、调度转发，为uTTE交换机上的每个交换端口分配挂接的uTTE端设备的接收时隙、发送时隙，同步时基计时到达对应接收时隙时，接收端口将开启接收时间窗口检验，按照配置的接收时隙进行帧传输时间有效性校验，通过校验的数据帧放入对应的转发端口缓冲区，非接收时隙的时间则关闭接收端口；同步时基计时到达对应发送时间时隙时，开启发送调度允许转发端口缓冲区上的数据帧。接收端将开启接收时隙检验，按照配置的接收时隙进行帧传输时间有效性校验，将帧传输时间有效性校验通过的数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用。在基于业务时隙的交换处理机制下，uTTE端系统也采用余度管理功能，接收时隙接收到两个互为冗余的端口的互为冗余的两个数据帧，按照“先入者有效”方式选取有效的一个提交到上一协议层级进行处理。

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 (2)

1.一种与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统，其中，uTTE为精简时间触发以太网，包含uTTE端设备和uTTE交换机，uTTE交换机连接到标准TTE交换机的任意同速率的端口，uTTE端设备连接到uTTE交换机的端口上，其特征在于在整个uTTE网络系统的同步周期上划分同步广播时隙和业务通信时隙，同步广播时隙需要满足同步授时广播帧传输时间还需要预留一个系统同步精度误差；每个uTTE端设备在同步周期中安排一个业务通信时隙，每个业务通信时隙采用等长方式配置；相邻业务通信时隙为连续无间隙，相邻同步广播时隙和业务通信时隙为连续无间隙；同步周期D_TDMA为_：

其中D_{D_slot}为业务通信时隙，D_{S_slot}为同步广播时隙，N为uTTE交换机上挂载的uTTE端设备个数；

uTTE端设备对应用数据进行对应的协议打包处理后，进入到系统调度缓冲区等待调度，uTTE端设备在同步时基上维护一个全局定时器按照同步周期大小进行周期性计时，计时到达本uTTE端设备划分的业务时隙内的发送时隙则调度缓冲区的数据输出；

交换处理机制采用无时隙的交换处理机制或基于业务时隙的交换处理机制；

对于无时隙的交换处理机制，uTTE交换机按规定的顺序轮询遍历所有接收端口的数据帧，有数据帧则复制到转发端口进行广播转发；uTTE端系统将屏蔽时间有效性校验的功能，将接收到的数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用；

对于基于业务时隙的交换处理机制，uTTE交换机的同步时基计时到达接收端口对应接收时隙时，接收端口将开启接收时间窗口检验，按照配置的接收时隙进行帧传输时间有效性校验，通过校验的数据帧放入对应的转发端口缓冲区，非接收时隙的时间则关闭接收端口；同步时基计时到达对应发送时间时隙时，开启发送调度允许转发端口缓冲区上的数据帧；

接收端按照配置的接收时隙进行帧传输时间有效性校验，将帧传输时间有效性校验通过的数据帧将按标准以太网帧格式进行协议解包处理，将纯负载给到用户使用。

2.根据权利要求1所述的一种与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统，其特征在于uTTE网络系统采用主动同步模式或被动同步模式，主动同步模式和被动同步模式能相互转让权限进行模式切换；其中：

被动同步模式为：

步骤1、uTTE交换机监听来自标准TTE交换机的IN PCF帧；

步骤2、uTTE交换机在收到协议控制帧IN PCF后进入同步状态，将预先配置好的标准TTE交换机发送IN PCF帧的同步时刻偏移值加上IN PCF帧携带的透明时钟值后的时钟值来设定本身的同步周期的起始时间；

步骤3、uTTE交换机在每个同步周期的同步广播时隙向所有交换端口发送同步授时广播帧；

步骤4、连接到uTTE交换机端口上的uTTE端设备接收并识别同步授时广播帧后，用同步授时广播帧中的时延计时对本地时钟进行补偿后设定为uTTE端设备的当前同步周期的计时开始时刻点；如果uTTE端设备启动监听两个的同步周期时间超时，将启动主动同步模式；

主动同步模式为：

步骤1、由uTTE端设备的晶振特性作为依据采用最佳时钟选举方法从uTTE 网络系统中选择一个uTTE端设备作为主时钟设备；

步骤2、主时钟设备一旦选举确定，开始基于该主时钟设备的时钟源进行同步周期计时，在每个同步周期的同步广播时隙向所有uTTE端设备和uTTE交换机发送同步授时广播帧；

步骤3、uTTE端设备和uTTE交换机接收并识别出同步授时广播帧后，用同步授时广播帧中的时延计时对本地时钟进行补偿后设定为uTTE端设备和uTTE交换机的当前同步周期的计时开始时刻点；其中，同步授时广播帧中携带的时延计时为uTTE网络系统预先评估的链路平均补偿时延以及同步广播时隙起始时刻点到该同步授时广播帧成帧第一个bit发送到链路上的延时的总和。

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