机载网络时间触发通信调度设计优化与评价方法

机载网络是航空电子系统实现信息传输与功能综合的关键组成,引入时间触发（TT）机制并安排合理通信调度可以有效保证机载网络实时可靠通信,但需要首先面对多种调度设计方法的选择问题。在总结了时间触发通信过程与特征的基础上,以时间触发以太网为分析对象,给出了基于可满足性模理论（SMT）、混合整数规划（MIP）和启发式算法等不同约束引导下的调度模型,并形成了基于强化学习（RL）的调度方法;从调度设计的求解能力与性能保障角度出发,建立了包括求解时间、可求解规模、传输延迟和调度模式的评价指标。以工业规模网络为研究案例对不同调度方法进行了验证分析,在评价指标的引导下对比分析了各种方法的适用场景,其中SMT方法可支持小规模案例,MIP方法具有明显的TT消息传输和调度求解运算优势,以遗传算法为典型的启发式方法和RL方法可实现大规模案例调度,虽然其TT延迟略高于MIP方法,但速率约束消息延迟优化程度分别达到7.97%和12.35%。在此基础上,进一步探讨了未来航电系统机载网络时间触发通信调度设计优化技术的发展趋势。     

基于重要性抽样的时间触发调度表生成方法

时间触发以太网(TTE)是分布式综合模块化航空电子(DIMA)系统互连中的骨干网络，需要生成无冲突的时间触发(TT)流量调度表。形式化SMT求解可以抽象地表述多种调度约束；但TT流量间，以及TT流量与分区调度之间存在作业链依赖关系，较复杂的约束会降低求解器的效率。将重要性抽样(IS)方法应用于TT调度表的启发式求解，通过统计“尽可能快”(ASAP)求解的尝试偏移量的经验分布，扭转该变量的抽样分布进行迭代寻优；并针对调度的可行性及作业链的及时性，将IS求解分为2个阶段进行。案例研究表明：第1阶段的IS会演化得出易于保证严格周期调度或抖动较小的尝试偏移量分布，第2阶段IS则会进一步根据作业链的最坏总延迟最小准则进行迭代优化，并且对于分区调度与TT流量调度存在或不存在同步关系的场景都具有适用性。     

片间综合化互连时间触发通信调度方法

未来先进的分布式综合化航空电子系统需要实现跨越计算体系结构的信息综合,对微小型智能器件间的综合化互连提出要求。通过构建一种具有开放式接口的芯片间综合化互连结构,提出一种相应的时间触发（TT）通信调度方法。首先建立片间综合化互连模型和时间触发流量传输模型,给出负载均衡的选径方法;随后依据传输路径中各级节点各流量的发送时间偏移量计算流量传输的等待时间可行值,利用遗传算法优化调整各芯片发送端口的调度表相位,更新各流量在发送端口的时间偏移量,缩短最坏情况下的最大等待时间,得到具有全局优化意义的时间触发调度表。与使用Yices等SMT形式化求解器的TT调度表生成方法相比,本方法不会出现长时间不停机而无法判定的问题,且不论对于对称或非对称结构,案例研究表明本方法的可调度规模至少增加30%。此外,以流量传输等待时间占周期的比例作为归一化的传输延迟度量,与既有的基于特征任务的调度方法相比,案例研究表明本方法得到的传输延迟最多仅为后者的2%。     

TTE网络流量转换策略及其延时性能保障调度算法研究

时间触发以太网（TTE）通过精确的全局时钟同步,使时间触发（TT）消息具有了严格的时间确定性。当系统同步精度降低时,TT消息的实时性也将严重受到影响。利用TTE交换机的流量类型转换功能,提出了一种基于消息时间窗检测的转换策略（TT-TWD）。该策略应用于TT流量向速率限制（RC）流量的转换过程,能够避免在系统同步精度降低时,TT消息出现丢包或不可接受延迟的情况。为保障该策略下网络流量的实时性,设计了一种基于流量转换策略的优先级调度算法（PTCTS）。运用网络演算理论对PTCTS算法的实时性进行了分析,并与先入先出（FIFO）算法结果对比,证明了PTCTS算法有效地减小了由TT流量转换而来的RC流量的延迟上界,同时保证了原始RC流量端到端延迟的确定性。     

基于随机网络演算的TTE网络时延分析

时间触发以太网(TTE)是一种新颖的混合型时间触发和事件触发的通信网络,通过引入时间触发(TT)流量,增强了航空电子全双工(AFDX)交换式以太网的确定性。虽然TT流量具有完全的时间确定性,但是与AFDX中虚拟链路(VL)兼容的速率约束(RC)流量仍具有一定非确定性。传统用于AFDX网络实时性能分析的方法在考虑TT流量固定分区调度时隙的影响下已不再适用,为了保障RC流量的实时性能,分别提出了基于确定性网络演算和随机网络演算两种延迟分析模型。在确定性网络演算下,通过构造TT流量的聚合到达曲线和RC流量的服务曲线以得到RC的确定性延迟上界;在随机网络演算下,通过切诺夫(Chernoff)边界定理构造RC流量的两状态伯努利分布模型,得到概率保证下的延迟上界。对比实验结果表明:随机网络演算模型可以有效减小确定性网络演算模型对RC流量性能分析的悲观性,同时从一定程度上验证了两种理论分析模型的正确性。     

光纤通道时间触发调度方案设计

从稀疏时间模型出发,提出一种光纤通道时间触发调度方案设计。对于采用时间触发机制调度的光纤网络中的周期性任务,根据该设计方案生成的周期调度时刻表,能够有效地避免光纤链路上的数据包竞争,并对该调度方案进行仿真验证。并在此基础上又提出了时间触发和事件触发混合调度机制方案设计,为时间触发在现有光纤通道网络系统中的应用提供一种实现方法和部署依据。     

基于时钟偏斜的DIMA系统通信调度方法

针对分布式集成的DIMA网络系统提出一种基于时钟偏斜的时间触发通信调度方法。该方法在考虑时钟同步误差和时钟漂移造成的时钟偏斜情况下,对时间触发消息流传输路径相邻上下级联设备的调度窗口进行紧密排布,在时钟偏斜误差范围内实现了时间触发消息的无冲突传输。案例表明,该调度算法实现的消息传输时延与消息最小传输时延一致,保障了时间触发消息端到端传输的确定性;即使考虑时钟偏斜影响,采用该算法所带来的传输延时误差不超过5μs,具有接近消息最好传输延时的保障能力。     

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（1TrE,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,调度时刻袁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。     

支持差异化服务的航空信息网络切片策略

针对航空集群各作战任务对网络性能需求的差异，研究了灵活耦合任务需求的航空信息网络切片问题。按照任务特性定义网络切片类型及性能特征，以任务资源需求为约束构建切片性能最优化整数规划模型，将网络切片构建问题分解为平台资源聚类和链路资源聚类2个步骤，提出了基于粒子群的平台资源聚类算法和基于感知节点的链路资源聚类算法。平台资源聚类阶段通过基于聚类因子排序的粒子群聚类算法进行迭代求解；链路资源聚类阶段，以各网络切片性能和链路负载率为优化目标，在平台资源聚类的基础上完成链路资源聚类。研究结果表明：所提算法构建的航空信息网络切片可满足不同任务对平台资源以及网络传输能力的需求，平台资源利用率和链路负载率显著改善。     

利用遗传算法优化TTCAN网络的时间调度系统矩阵

引入了遗传算法对时间触发CAN(TTCAN)网络中的时间调度表进行优化。同时,针对问题的特殊性,本文对所引入遗传算法作了进一步改进,以取得更好的性能。最后,本文利用汽车工业的PSA标准消息子集对本方法进行了验证,实验表明,本方法可以有效的减少网络中的抖动问题,取得了满意的效果。     

基于短帧优先调度的AFDX端系统发送策略

通过分析AFDX协议格式以及当前端系统常用数据调度方法,提出了短帧优先调度策略,策略充分利用了AFDX协议虚拟链路特点,优先发送短帧,从而降低了部分链路的延迟上界,有助于减少等待时间,提高网络带宽利用率。应用网络演算理论建立了基于短帧优先调度策略的端系统模型,推导了不同虚拟链路的延迟上界表达式,并进行了与系统数据发送相关的一系列仿真研究,结果表明调度策略降低了端到端系统的发送延迟,是航空数据网络实时传输系统的优选策略。     

一种基于时空等级的LEO卫星网络路由策略

随着5G技术的发展和6G技术的研究，低轨卫星网络在未来空天地一体化网络中的地位越发重要，而作为网络核心技术的路由策略仍面临一些挑战，如卫星网络拓扑高动态变化、链路频繁切换、节点计算处理能力有限以及负载流量分布不均衡等。针对卫星所覆盖区域负载不均衡且与时间因素有关，以及星上用户多业务服务质量需求的问题，设计了一种基于时空等级的业务分类负载均衡路由算法。算法考虑了卫星网络流量的分布与时空等级的关系。卫星节点需先根据当前时刻及其所覆盖的地面区域计算其时空等级，并在路由算法的下一跳实时调整阶段加入时空等级作为选路条件之一，同时改进了阈值的计算方式，并在路由时考虑了不同的链路代价以满足多业务服务质量需求。仿真结果表明，相较于DSP、TLR和RMLBR算法，所提算法虽然在总吞吐量表现不及TLR和RMLBR算法，但在时延以及链路利用率方面有所改进，有效降低了平均端到端时延，较好地满足不同业务服务质量需求，均衡网络负载。     

基于广义预测控制的网络控制系统设计

网络控制系统中,网络诱导时延和数据包丢失会导致系统控制性能的下降甚至不稳定。针对上述问题,提出了一种基于广义预测控制的控制方法。该方法采用时间戳机制和模型的在线辨识,能够根据测量系统输出及时对预测值进行在线修正。在执行器端设计了网络延迟补偿器,可根据当前时刻的最新控制信号对网络系统实现有效控制。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于QoS的卫星网络端-端通信可靠性分析

针对卫星网络动态环境下的高速信息传输、业务类型差异大等特点，提出一种综合考虑各业务QoS（Quality of Service）指标的可靠性分析方法。在卫星通信网络实际运行周期内，通信系统往往处于逐渐劣化过程中，导致卫星的节点和链路除正常工作和完全失效外，还存在部分失效的工作状态。本文在链路多状态基础上基于最小路集算法（Minimum Path Set Algorithms，MPSA）在不同业务的QoS指标（时延、带宽和丢包率）约束下，得出满足该业务QoS约束的所有可靠路径集，对路径集中路径进行不交化处理得到网络端-端可靠性。研究结果表明，不同业务由于QoS需求的差异导致网络端-端可靠性不同，所提算法与传统算法相比更加符合实际。由于实际卫星网络环境中会采用端-端并行多路径传输（Multi-Path Transmission，MTP），本文在上述研究的基础上，进一步对多路径的端-端可靠性进行了研究，结果表明多路径数据传输可靠性高。     

基于OpenFlow的AFDX网络虚拟链路动态优先级接纳控制

为了在航空电子全双工交换式以太网(AFDX)中更加灵活地对虚拟链路(VL)实行接纳控制,将OpenFlow引入AFDX网络中,建立了相应的网络模型、消息模型和流量模型。利用网络演算方法分析了优先级VL在基于OpenFlow的AFDX网络中的端到端延迟上界,结合粒子群优化算法,提出了动态优先级接纳控制算法。理论分析结果表明:与动态非优先级接纳控制方法和传统静态优先级分配方法相比,本算法的消息延迟分别降低了49.2%和26.4%,并且本算法能够更加灵活地对VL实行接纳控制,提高网络资源的利用率。最后通过仿真对理论分析的结果进行了验证。本算法为提高接纳控制方法的性能提供了参考,增强了AFDX网络的通信效率与实时性能。     

基于时间灵活度的中继卫星调度算法

中继卫星的调度问题是一个多资源多任务的复杂NP问题.作者在分析中继卫星系统资源、任务和约束的基础上,提出了一种基于任务时间灵活度的中继卫星调度算法,最后运用本算法对一个调度算例进行了验证求解.     

一种基于多无人机的中继节点布置问题建模与优化方法

针对战场环境下急需在无法通信的节点间构建有效通信链路的情形,使用多无人机作为中继节点,建立了中继节点布置(RNP)问题模型。模型以中继链路有效和无人机安全为约束,以中继布置点位置及相应的无人机为输出,不但考虑了使用的中继无人机数量,还考虑了构建中继链路花费的时间。考虑到该问题是难以求解的混合整数多目标优化问题,同时在紧急应用情形下,要求求解算法快速有效,建立了一种多项式时间中继节点布置算法(PTRPA)。仿真实验验证了所提模型确实能够在更短的时间内完成有效中继链路构建;通过Monte-Carlo方法对比和分析不同因素对PTRPA算法、随机抽样算法、遗传算法求解该问题的结果性能和时间性能的影响,验证了PTRPA算法不但能够给出接近最优的解,且快速有效,满足战场决策需求。     

分布式IMA的网络分区方法及其实时性能分析

 针对分布式综合模块化航空电子(IMA)体系结构,在时间、空间分区以及带宽分区的基础上,提出了网络分区的概念,并建立了相应的网络模型、消息模型、流量模型及调度模型。利用网络演算方法,推导了航空电子混合消息集在网络分区下端到端(ETE)延迟的计算公式;搭建典型网络,通过理论计算对比了网络分区与带宽分区的实时性能。计算结果表明:网络分区下两条硬实时数据流的延迟较带宽分区分别降低了33.5%和74.2%;而弱硬实时与软实时数据流的延迟增加约30%。最后通过OPNET仿真对理论分析所得结果进行了验证,证明网络分区方法符合分布式IMA的分布式架构要求,并满足了系统混合关键性的需求。     

面向无人机蜂群的航电云多层任务调度模型

在航空作战体系中，基于航电云的无人机（UAV）蜂群作战是提高未来无人机综合作战能力的一种新模式。针对无人机蜂群作战的航电云架构，如何将云端作战任务派发到无人机且保证作战任务完成时间是其中关键。在无人机蜂群分层分簇网络结构和模块级资源虚拟化的基础上，对传统单层平台级任务调度模型进行改进，提出了一种细化到模块级的多层任务调度模型，将作战任务从云端逐层调度到无人机功能模块上执行。利用OMNeT++对无人机蜂群多层任务调度模型以及传统的单层任务调度模型分别进行仿真，云端以攻击使命组为例构建使命组集进行分配，并对任务吞吐量、消息平均端到端延时和任务完成时间进行性能对比。仿真结果表明：与平台级单层任务调度相比，在执行任务方面，模块级多层任务调度模型将单个任务平均完成时间降低了46.2%，将使命组完成时间降低了52.1%，在保证任务吞吐量的基础上具有对复杂任务更稳定的调度能力；在网络性能方面，模块级多层任务调度模型消息端到端延时更低，延时分布更集中，提高了网络消息传输的实时性。     

对称HSDB网络的平均吞吐量分析

高速数据总线（ＨＳＤＢ）协议定义了多优先级方案来处理时间苛刻消息和时间非苛刻消息的数据传输，这是通过四个定时器（一个令牌保持定时器（ＴＨＴ）和三个个牌旋转定时器（ＴＲＴ））在不同的优先级之间分配网络带宽，同时增大时间非苛刻消息的延时来满足时间苛刻消息的传输．本文在网络上各站的ＴＨＴ和ＴＲＴ初始值相同、消息包到达率相同和消息包长度分布相同的条件下分析了多优先级方案的特性，建立了ＨＳＤＢ网络的平均吞吐量模型，导出了不同优先级的平均吞吐量解析表达式，并通过软件仿真验证了由模型得到的解析表达式。