LTPB网络带宽分配策略的实时性能研究

研究LTPB(线性令牌传递总线)在通信网络中保证消息实时传输的带宽分配问题.LTPB网络带宽的分配是以保证网络消息的实时传输为目标的,网络中关键参数(一定时间内发送消息的最小量)的准确与否将关系到网络带宽分配的合理性和有效性.通过对带宽分配方法实时特性的分析,发现了当前分析方法中的不足,提出了"最差情形"的概念,并以此建立了合理的推导模型,得出了有关LTPB网络实时性分析的关键性结果,并为下一步寻求更优的带宽分配方法提供了可靠的分析基础.      

令牌传递网络节点消息缓冲容量的确定方法

在网络系统中,节点缓冲区内消息发生覆盖或溢出会造成消息的丢失,对于限时令牌网络,节点消息发送时间和消息缓冲容量的分配是影响消息实时性的重要因素.针对令牌传递网络分析了节点消息缓冲机制,说明了消息缓冲容量的确定与网络带宽分配方法的关系,并提出了消息缓冲容量的确定方法,导出了避免消息覆盖或溢出所需的最大发送和接收缓冲容量余度.指出在消息的产生间隔大于该消息的最大允许的延迟时间和接收节点响应时间的条件下,发送和接收端的消息缓冲容量等于被缓冲消息的长度.     

一般令牌网络的性能分析

提出了一般令牌网络的性能分析模型,在模型中,访问方式为“循环策略”,消息包到达各站点服从Ｐｏｉｓｓｏｎ分布,消息包到达率不完全相同,消息包长度既有常数也有负指数分布,根据随时过程的理论导出令牌循环时间Ｔ的均值和方差的一般解析表达式,同时应用排队论的方法进行一步分析了平均消息延时,平均消息长度和逻辑环路利用率。     

FC-AE-1553网络传输性能评价

为了提高航天航空网络传输性能,提出一种通用的FC-AE-1553网络传输效率计算方法并研制高性能FC-AE-1553节点卡.首先,对FC-AE-1553网络的消息传输过程进行详细分析,分析信息类型,给出传输帧的格式建议,通过分析FC-AE-1553协议中各类消息传输的时间参数,结合FC标准中对通信时间的要求,提出FC-AE-1553网络交换中各种消息类型的通信时间计算公式.然后, 针对无差错传输和有差错传输两种情况,给出了网络传输效率的计算方法.最后,通过仿真分析数据帧净荷长度、节点处理时间、交换中序列数量、传输误码率、丢包率等参数对FC-AE-1553网络传输效率的影响,给出了网络优化设计的建议.依托某航天工程任务,研制了基于XC5VFX100T和MPC8536E的FC-AE-1553节点卡.实验结果表明:丢包对传输效率的影响可忽略;数据帧净荷为2 048 B,数据帧数量为16时,传输效率可达到77.2%.      

网络分区中混合消息集传输模式的精确配置

针对分布式综合模块化航空电子网络分区方法,指出其对消息传输模式配置存在不确定性;通过形式化描述将问题转化为包括实时性约束、带宽约束、缓存约束的最优化问题;提出了基于遗传模拟退火的传输模式配置算法,以系统的消息端到端延迟均衡为优化目标.通过给出两个具体算例对算法有效性进行了验证,同时比较了本算法与传统遗传算法的性能.对比结果表明,本算法能够解决传输模式的配置问题,尽管计算时间较传统遗传算法高出18.1%,但所得到的适应度值高出28.7%.本算法为网络分区在实际航电系统中的应用提供了参考.     

强实时条件下光纤通道仲裁环带宽分配方法

光纤通道是一个为适应高性能信息传输要求而提出的计算机通讯协议,仲裁环是光纤通道的基本拓扑结构之一.为解决网络消息集实时发送的问题,研究了光纤通道仲裁环拓扑在强实时条件下的通信性能.依据实时系统中的周期任务模型和光纤通道仲裁环协议规定的访问公平机制,采用负载匹配算法提出了一种适用于仲裁环网络的带宽分配方法.推导并证明了采用该方法时在最坏情况下消息集强实时的网络可达负载率不低于50％.     

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。     

HSDB网络稳定性的研究

高速数据总线（ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＤａｔａＢｕｓ，ＨＳＤＢ）是新一代航空电子系统的数据总路线，ＨＳＤＢ网络实际上是基于线性令牌总线的一个专用计算机局域网，在网络上负载较重且时间非苛刻的消息到达是一般过程的条件十分别讨论了网络的局域和全域稳定性，并导出了保证整个网络稳定的令牌握有定时器最小值，同时给出了如何根据应用去调整得到的理论值。     

时间触发CAN总线实时性分析及评估方法

针对目前时间触发控制器局域网(CAN,Controller Area Network)总线缺乏统一评估方法的现状,提出了一套系统建立与评估方案.采用均匀装载算法建立系统调度矩阵,实现了周期信息的实时传输.结合CAN总线的传输机制与时间触发的特点,改进了时间触发系统中非周期信息最坏延迟的计算方法.在此基础上针对不满足系统实时性要求的信息提出了计算其失效概率的方法,建立了时间触发CAN总线系统的设计与评估流程,提出了系统参数调整方案.评估方案能够提高设计效率,利用信息失效概率以及最坏延迟对系统实时性进行分析,使分析结果更加精确、实用.     

航空高动态网络链路感知OLSR路由算法

针对航空高动态无人机（UAV）网络环境中节点移动速度快、网络拓扑变化快,导致网络链路稳定性差、数据到达率低和信息拥塞度高等问题,提出了一种航空高动态网络链路感知OLSR（OLSR-LA）路由算法,该算法利用接收的2个连续Hello消息的多普勒频移、能量等信号特征,计算出航空高动态无人机网络中2个相邻节点的相对速度和移动趋势,从而得出这2个节点之间链路的保持时间。根据节点MAC层接口队列长度衡量网络局部的负载程度,并利用ARIMA-WNN组合预测模型预测下一时刻节点负载的预测值,并通过Hello消息传递给邻居节点。根据链路感知情况,采用基于局部路由负载均衡（RRLB）算法避免拥塞的发生。仿真结果表明,与传统OLSR算法相比,本文提出的算法有效提高了分组交付率,降低了端到端的传输延时,增加了网络吞吐量,从而提高了整个无人机网络传输的有效性和实时性。      

基于遗传算法的运载火箭总线消息调度优化设计

运载火箭控制系统采用1553B总线、按照预先设计的调度表传输周期性消息。针对当前总线消息调度表的设计方法对负载均衡考虑较少的缺陷,在构建1553B总线消息周期调度表数学模型的基础上,引入遗传算法进行最优化设计。该算法将负载率参数的多目标优化问题转换为遗传个体适应度的单目标优化问题,采用“精英保留”遗传策略,有效避免了个体退化,算法稳定高效。数学仿真计算结果表明,总线消息周期调度表求解高效,负载均衡大幅提高,验证了优化设计方法的有效性。     

基于图卷积网络的卷积神经网络耗时预测算法

通过可学习的预测算法获取卷积神经网络(CNN)在硬件上的推理耗时越来越受到研究者的关注。现有耗时预测算法主要面临2个问题:卷积神经网络设计空间采样复杂度高，数据采集成本高；无法准确预测硬件编译器的算子融合技术对推理耗时的影响。为了解决上述问题，提出了一种基于图卷积网络(GCN)的耗时预测算法, 将整体网络耗时看作多节点耗时补偿的累加，并利用图卷积对结构算子融合产生的耗时影响进行建模。同时，提出一种新型差分训练方案，减少采样空间规模，提高算法的泛化能力。在HISI3559硬件平台上对MB-C连续空间采样模型的耗时预测实验表明:所提算法可将耗时估计的平均相对误差从传统算法的302%降低到5.3%。另外，通过将传统耗时预测算法替换成所提算法进行耗时评估，可以使网络结构搜索算法搜索到耗时更加接近目标的高精度网络。      

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.      

AVB网络流量整形帧模型端到端延迟计算

音视频桥接技术(AVB)以传统以太网为基础,通过基于信用量的整形(CBS)算法进行流量整形,提供了音视频流确定性传输的基础保障。在CBS流模型的延迟分析计算基础上,考虑了AVB网络中数据帧实际排队和调度的离散特性,提出了一种改进的CBS帧模型来计算音视频流量的排队传输延迟,并推导了帧模型下最坏延迟计算公式。采用典型的车载网络应用场景对2种模型进行演算验证,结果表明:同流模型相比,CBS帧模型中得到的端到端延迟更小,显示出更好的紧性评估效果,同时这种紧性评估在针对低优先级流量的延迟分析时,差异会更加显著。     

无线网络弱硬实时调度算法

提出了一种结合信道状况考虑的(m, k)-firm弱硬实时调度算法.该算法将消息划分为强制(mandatory)和可选(optional)2种类型,并优先调度强制消息.消息的类型由线下静态分配和线上动态调整共同决定.其中,静态分配使用(m, k)-pattern分配消息类型,动态调整是在不违反(m, k)-firm约束的前提下尽力减少强制消息在差信道状况下传输.理论分析证明:①在假设所有强制消息都实时成功传输的前提下,经动态调整的消息集仍然满足(m, k)-firm;②在使用平均分布(m, k)-pattern时,动态调整之后不改变消息集中强制消息的N次重传可调度性.仿真结果表明,该算法与仅使用静态分配消息类型的算法比较,能够改善弱硬实时的可调度性能,节省无线网络中带宽和能耗的开销.