基于优先级赤字轮询调度的WAIC网络延迟分析

航空电子机内无线通信（WAIC）在降低飞机重量和节省成本等方面的优势让其在航空电子系统的应用上具有可观的前景。为了研究基于802.11的WAIC网络的传输延迟并保证其可靠性，提出了一种优先级赤字轮询调度（PDRR）的介质访问控制（MAC）协议。首先，通过确定性网络演算方法为MAC层协议的活动建立了到达曲线和服务曲线模型。其次，充分考虑无线通信物理层的特点和所结合信道反转方法，给出了WAIC网络流量调度最坏情况下的端到端延迟的评价方法，可以发现信道反转后稳定的信道容量提供了较为保守的延迟界限。最后，通过案例分析对比了高优先级的WAIC节点与普通优先级节点的延迟界限以及信道反转的影响。结果表明:高优先级节点比普通优先级节点具有更好的实时性，并且可以通过增加平均信噪比来改善传输的延迟界限。      

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。     

光纤通道网络实时性能分析

针对航空电子光纤通道网络的实时性问题,建立了光纤通道的网络演算模型,分析了在交换机不同服务策略下系统各类数据流的延迟上界情况,给出了计算在交换机不同服务策略下各类数据流延迟上限的数学方法.分析结果表明与先到先服务(FCFS,First Come First Service)服务策略相比,非抢占式静态优先级(NPP,Non-Preemptive Priority)服务策略可以降低高优先级数据的延迟上界,能更好地满足高优先级数据的强实时性要求.通过与仿真结果比较可知,仿真结果与此数学方法的分析结果一致,此方法适于分析系统中各类消息的延迟上界情况,可用于光纤通道网络设计和性能评价.      

SpaceWire多优先级分层调度交叉开关研究与设计

SpaceWire(SpW)路由是SpW网络的关键设备之一，采用纵横式交叉开关（crossbar switch）结构，由于SpW网络数据分组最大长度不固定，经典的滑动迭代轮询匹配（iSlip）调度算法并不适用。研究二维行波进位交换结构，提出一种多优先级分层调度的crossbar switch实现结构，为不同业务流量类型赋予不同优先级可以提高网络服务质量（QoS），采用基于仲裁反馈轮询（FBP）算法，在群组路由时具有良好输出公平性。通过向环型行波进位（CRCS）仲裁结构中插入寄存器分割组合逻辑组成流水结构降低组合延迟，提高最高系统频率，解决路由端口数量扩展的问题。使用可编程逻辑语言实现优先级数量和端口数量可配置的crossbar,CRCS结构具有资源占用少、仲裁速度快和易于扩展的特点。以4×4规模的crossbar switch为例，采用二维CRCS结构相比于线性扩展结构，仲裁逻辑单元数量节省67.3%，仲裁延迟降低约60%，在Xilinx V7系列现场可编程门阵列（FPGA）进行逻辑综合，行列各插入2级寄存器，即可满足最大规模下的SpW路由应用需求。     

软件定义时间触发网络的调度算法优化

软件定义时间触发以太网（TTE）作为优化航空电子系统中消息调度的一种新模式，其动态在线调度算法必须尽力保证任何情况下所有消息的传输确定性。针对时间触发（TT）消息调度间隔小于消息帧长（小时隙）时，速率约束RC消息延迟增大、传输确定性降低的问题，对TT消息调度算法进行改进。首先，构建了TTE的系统模型，阐明了最小延迟（MID）调度算法和背靠背（B2B）调度算法的机制；然后在其基础上提出了大孔隙（MAV）调度算法，以减少（RC）消息的等待延迟；最后，利用OMNeT++实验分析这3种调度算法的性能。实验结果表明:当无小时隙TT消息时，B2B算法的消息延迟最大、MAV调度算法和MID调度算法的消息延迟接近。当有小时隙TT消息时，MAV调度算法的消息传输确定性更好，相比于MID调度算法，MAV调度算法下RC消息的传输确定性提高了87.3%。      

基于度中心性的AFDX网络拓扑生成

航空电子系统随着任务需求和技术的发展不断向深度综合演进,其系统的复杂性给网络的设计和验证带来了巨大的挑战,如何通过网络生成实现受限资源条件下航电信息交互的实时性能保障是目前亟待解决的问题。针对目前存在的无法对航电网络进行实时性调控的拓扑设计方法进行改进,依据终端节点之间所有虚拟链路的最大通信帧长之和的大小关系,提出一种基于度中心性理论的航空电子全双工交换式以太网（AFDX）网络拓扑生成算法。将终端节点之间数据帧长作为节点度的衡量标准,对所有终端节点进行集合划分,并根据集合中终端节点的数据帧长对交换机进行连接。采用确定性网络演算以及仿真的方法对基于度中心性的AFDX网络拓扑生成算法进行效能评估。利用确定性网络演算方法,在小规模虚拟链路（VL）的组网下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中75%的VLs实时性能优于原始人工设计的网络拓扑,且端到端延迟平均减小9.37%。利用OMNet++仿真方法,在1 400条虚拟链路的组网规模下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中94.3%的VLs实时性能优于人为规划网络拓扑,且端到端延迟平均减小50.2%。由此表明:基于度中心性的拓扑生成算法很大程度上提高了网络的实时性能保障。      

导航星座星间星地一体化数据交互技术研究

导航星座时分轮询建链体制星间链路与非时分固定建链体制传统星地链路，数据交互机制区别显著，不利于导航星座与地面联合数据交互的高效实现。提出利用与星间链路信号体制一致的星地链路，将星间链路范围扩展至地面，以少量的地面站资源和统一的网络规划，实现星间、星地链路数据传输处理机制统一化以及网络资源调度管理一体化的方法，可支持全球导航系统星-星-地数据的高效精准交互。制定了地面节点设计部署方案和星-星-地一体化资源调度方案；指出一体化网络拓扑规划的核心是境内卫星的建链目标分配，并给出境内卫星建链目标的优化排序方法和排序优先级策略；以最短路径路由方式为代表，定义了按照时间前向搜索传输路径的路由规划方法。通信性能仿真结果表明，相比于使用传统固定建链体制的星地链路，该方式下进行导航星座与地面数据交互的前向接入数据容量和传输时延等性能有明显提升。     

保证速率的AFDX交换机实时调度算法

针对AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)网络关键技术——交换机实时调度算法,提出一种保证速率的优先级实时调度算法(PRTRG,Priority Real Time sched-uling algorithm based on Rate-Guaranteed),并运用网络演算理论分析了此调度算法的实时性.在AFDX网络典型配置下,与(FIFO,First In First Out)结果进行分析对比,证明PRTRG算法有效地减少了高优先级数据的端到端延迟上界,同时保证了低优先级数据端到端延迟的确定性,并且阻止了数据流拥塞的扩散,在交换机内部实现了流量隔离.     

兼顾控制流量的软件定义卫星网络路由策略

软件定义卫星网络（SDSN）通过解耦数据与控制平面,实现网络态势与控制的逻辑集中,为管理卫星网络提供了一种新的思路。在SDSN中,控制报文和数据报文同时在网络中传输,海量、动态、高优先级的控制流量将对数据报文传输产生极大的干扰。因此,提出了一种数据流退让路由（DFRR）策略。在计算数据报文路由时,DFRR将链路上控制流量大小作为影响链路代价的一个因素,以减少选择控制流量较大的链路;在网络操作控制中心（NOCC）连接的过顶卫星切换导致控制流量分布发生较大变化之前,DFRR预测可能发生拥塞的链路,并选出链路上部分数据流进行重路由,从而避免拥塞。在开发的SDSN研究平台OpenSatNet上对DFRR的性能进行了评估。实验结果表明,DFRR能够有效减少网络中的链路拥塞,以及控制报文和数据报文的分组丢失。      

基于DDQN的片上网络混合关键性消息调度方法

对片上网络（NoC）承载的混合关键性消息进行实时调度是其应用于航空电子系统片上多核通信的关键。为解决可满足性模理论（SMT）法求解效率低、低优先级消息等待延迟大的问题,提出了一种基于双深度Q网络（DDQN）的混合关键性消息调度方法。将虫孔交换机制下的消息调度问题建模为马尔可夫决策过程,建立包含环境、动作、状态、奖励的多层感知调度模型;随机生成多组分布不同的混合关键性消息作为训练样本,采用DDQN算法求解该调度模型;在此基础上,提出并实现了带孔隙DDQN算法,在保证时间触发（TT）消息可调度前提下为速率约束（RC）消息预留用于虫孔交换的时隙。算例研究表明:所提方法的求解时长及TT消息确定性端到端延迟的平均值均低于SMT法;带孔隙DDQN算法的RC消息延迟较不带孔隙DDQN算法和SMT法显著降低。      

航空电子AFDX与AVB传输实时性抗干扰对比

为满足未来航电系统音视频信息传输的需求,考虑车载嵌入式系统的候选实时多媒体网络AVB在航电环境中的应用,并对AVB与AFDX的传输进行了对比研究。首先构建AVB与AFDX标准对比;其次提出基于网络演算的AVB和AFDX端到端延迟计算方法;然后通过定义不同的消息传输场景,采用理论方法分析消息传输实时性的干扰要素;最后利用仿真方法予以验证。在典型1 000条虚拟链路的组网规模下,结果显示:AFDX高优先级流量的端到端延迟优于AVB,对于低优先级流量端到端延迟,则AVB和AFDX各有优劣;但受突发的流量影响,在增加50条各0.22 Mbit/s带宽的低优先级流量干扰情况下,高优先级流量平均端到端延迟的变化率在AVB中为0.25%,在AFDX中为0.38%;在增加50条各0.22 Mbit/s带宽的高优先级流量干扰情况下,低优先级流量平均端到端延迟的变化率在AVB中为5.17%,在AFDX中为10.25%。结果表明:时间敏感消息在AVB网络中传输实时性的抗干扰能力优于AFDX。     

TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法

针对时间触发网络依据全局时间进行触发数据通信的特点,提出了一种基于单调速率调度(RMS)调度机制的通信表生成算法时间触发单调速率调度(TT-RMS),来生成时间触发网络的通信表.TT-RMS算法在安排消息时间槽过程中,首先根据消息周期,计算出各个链路的总负载,再根据链路的消息周期和总负载,通过RMS机制进行消息排序,确定出消息调度的先后顺序,最后根据时间槽的分配状态进行消息调度,优化了消息的调度过程.所提算法的计算时间复杂度为O(n2),空间复杂度为O(n).目前广泛研究和应用的可满足性理论(SMT)通信表生成方法,其计算时间复杂度通常是多项式级,有时计算时间不收敛.实验结果显示,TT-RMS调度的网络单个链路负载最大可接近100%,计算时间在1 ms左右,平均可调度网络负载是SMT方法可调度网络负载的两倍.TT-RMS通信表生成算法具有计算时间短,可调度消息负载多等优点,可以更好地满足航空航天复杂系统中上千条实时消息流的调度需要.      

具有广泛适用性的AOS虚拟信道调度算法

针对现有的基于虚拟信道紧迫度的动态调度算法的不足,提出了一种新的高级在轨系统虚拟信道动态调度算法。该算法首先估算虚拟信道的紧迫度和数据帧的紧迫度,然后用加权系数将二者结合起来构造成一个全新的虚拟信道传送紧迫度函数,再根据该函数的值进行判决调度。对于高级在轨系统中不同速率、不同性质、不同类型的星上数据源,该算法均可通过选择合适的加权系数灵活地分配传输时隙,保证各用户合理、动态地占用物理信道,满足对数据的传输时延要求,因此具有广泛的适用性。理论分析和仿真结果表明,本文提出的算法比基于虚拟信道紧迫度的动态调度算法具有更好的性能     

航空电子WDM网络的实时性能分析

对航空电子波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)网络实时性评估问题,采用网络演算理论,提出了一种周期消息在WDM复杂虚拓扑上多跳端对端最大延迟的计算方法.建立了波长路由器WDM网络模型,分析了消息流端对端延迟的组成部分.针对网络演算理论下的WDM网络通信模型,推导了消息经单节点和多节点波长路由器的最大延迟的计算公式.并结合实际航空电子系统对公式进行了修正,解决了突发度过大的问题.最终得到最大延迟的紧密上限.最后在OPNET仿真环境下验证了计算分析方法的有效性.     

基于动态优先级的核心处理安全分区优化设计

在分区管理模型应用于航空电子核心处理系统的研究中,合理的分区参数设计是保障航空电子系统任务关键和安全关键的一个重要因素.在标准模型的基础上,建立了上层调度器采用动态优先级调度策略的分区管理模型;通过对处理器忙周期进行考察,提出了给定请求时间长度下分区最大抢占影响的计算算法,能从微观的角度解释动态优先级下原子时间抢占行为的影响;通过对分区内任务集的计算负载进行计算,并考虑到计算负载在分区最后一次执行时间内的请求执行时间长度带来的抢占影响,得到了下层调度器采用固定优先级和动态优先级策略下的分区安全设计方法;通过计算仿真评估,结果表明提出的安全分区设计方法比基于虚拟处理资源方法具有更优的设计结果.