基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

芯片间时间触发通信综合规划方法及其优化

随着片上系统（SoC）的处理能力逐渐接近传统的综合核心处理模块,航空电子系统向着微小型综合化的芯片间系统发展;时间触发交换式互连可以保证芯片间消息传递的严格时间确定性。考虑芯片间互连交换结构轻量化和收发端口有限的特点,在拓扑、路由和调度时刻等网络资源相互制约的条件下,提出了芯片间时间触发通信综合规划方法,即根据时间触发消息集合和芯片端口配置,同时求解得到芯片间网络拓扑结构、消息路由和调度时刻表的规划结果。其中,采用免疫算法整体优化了各条消息在网络资源分配过程中的求解次序。仿真实验表明,与不考虑整体优化的综合规划方法相比,优化后的规划结果在减少拓扑结构中多余路径开销的同时,避免消息传输路径拥堵,降低消息端到端延迟,保证了消息集的可调度性。      

基于贪婪随机自适应搜索法的TTE通信调度算法

时间触发以太网（TTE）采用全局时间触发机制，使通信任务传输具有严格的时间确定性和无冲突性，适用于航空电子等混合关键应用领域。TTE网络提供3种不同的流量类型:具有低抖动和有界端到端延迟的时间触发（TT）流量，有限制端到端延迟的速率约束（RC）流量和无实时性保证"尽力传"（BE）流量。针对可满足性模理论（SMT）等调度算法在生成TT流量离线时刻调度表的过程中，未综合考虑TT流量路由和时刻调度表对RC流量延迟产生影响的问题，为了优化TTE网络实时性能，提出了一种基于贪婪随机自适应搜索算法的TTE通信任务调度算法。在TT流量离线调度表的生成过程中考虑了RC流量的最坏端到端延迟（WCD），在保证TT流量满足可调度性的前提下，通过路由规划和调度时刻表规划降低了RC流量的WCD。对比实验结果表明:所提算法可以有效的提升整网的实时性能，通过A380拓扑组网案例的对比分析，RC流量的平均延迟减少了14.34%。网络中流量规模越大，所提算法的收益越大。      

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。      

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.      

基于一次性突发原则的TTE网络实时性能优化

确定性通信的发展，促进了时间触发概念的引入。时间触发以太网（TTE）通过提供3种流量类别来支持混合安全性的实时应用:时间触发（TT）流量，具有完全的时间确定性；速率约束（RC）流量，具有确界的端到端延迟；尽力传（BE）流量。如何实现时间触发机制下RC流量实时性能的紧性分析，仍然是决定TTE网络顺利应用的开放式问题。在FIFO服务策略的假设下，将“一次性突发原则”的分析方法引入到TTE网络中，以观察该原则在时间触发网络性能分析中的影响。不同于航空电子全双工以太网（AFDX），具有更高优先级的TT流量会对RC流量的延迟分析产生关键影响，从而导致一次性突发分析的复杂性。通过建立聚合TT流量在及时阻断模式下的到达曲线模型，从而获得单条RC流量端到端的服务曲线模型，基于此实现了RC流量的最坏情况端到端延迟（WCD）评估，进一步完成了一次性突发原则下的分析对比。相较于已有工作，一次性突发原则可以得到RC流量更精确的最坏端到端延迟上界评估结果，有助于改善TTE网络性能评价紧性。通过A380拓扑组网案例的对比分析，相比于传统方法，所提方法RC流量平均延迟减少了12.05%。      

时间触发AFDX网络的设计和实时性分析

时间触发机制可以近一步提高航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)的确定性,保障时间关键消息具有完全的时间确定性.将时间触发机制引入了AFDX网络,设计了时间触发ADFX网络(TTAFDX,Time-Triggered AFDX)的体系结构,包括协议栈、虚拟链路类型、端系统调度、交换机调度、透明通信机制和降级通信机制,并且设计了端系统和交换机的时刻调度算法.对TTAFDX网络从理论和仿真实验两方面进行了分析,验证了TTAFDX网络对时间关键消息的完全时间确定性的保障.     

航空电子限时令牌太赫兹互连的实时性能分析

在航空电子设备内部采用太赫兹通信技术实现cm级的板间或芯片互连可以减少引脚和接插件，缩小电子设备的体积，并降低维护成本。针对采用全向天线收发和开关键控（OOK）调制的近距离太赫兹通信网络，通过考虑分子吸收噪声和损耗的点到点通信链路分析，给出太赫兹信道容量计算结果；结合节点间的限时令牌多路访问协议，依据信道容量采用服务曲线模型进行最坏情况下总流量分析（TFA）和隔离流量分析（SFA）；充分考虑概率保证下应用层通信任务的突发度，得到限时令牌太赫兹互连的实时性能分析方法。案例研究表明：相较于时分多址（TDMA）方式，基于限时令牌协议的无冲突多路访问机制可以适应物理层容量和应用层负载的随机变化，保证了更小的延迟，有利于实现航空电子芯片间和板间的太赫兹互连组网和实时通信。     

可抢占实时星载SpaceWire总线网络研究

为基于SpaceWire构建统一的星载总线网络,需要保证消息传输的确定性和实时性。针对传统时间触发通信灵活性不足的缺点,提出了一种支持通信任务传输标志符广播的改进时间触发通信SpaceWire总线网络;在此基础上建立了非破坏性可抢占通信机制,并讨论了经典的处理器实时调度算法在网络通信中的应用;最后分析比较了SpaceWire的事件触发通信、传统的时间触发通信与所提出的可抢占实时通信的延时性能。研究表明,提出的通信机制能够有效改善信息传输的最坏端到端延时,适合于多种优先级通信任务的实时调度。     

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。      

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。     

结合短帧优先的权重轮询AFDX端系统发送策略

提出一种新型的端系统虚链路调度（VL）策略,该策略在短帧优先基础上结合权重轮询（WRR）进行调度,既确保了重要短帧的优先级又可以平衡其他不同优先级信号的延迟上限。应用网络演算理论推导了基于该新型调度策略的端系统不同虚链路的延迟上界,研究了最大延迟上界与不同权重比及其帧长之间的关系,并建立了基于OPNET的航空电子全双工交换式以太网（AFDX）网络模型,仿真分析新型调度策略与短帧优先、带权重轮询调度算法下端系统数据的发送延迟。结果表明,该新型调度策略有效可行,降低了短帧虚链路的最大延迟时间,提高了长帧数据中较重要任务数据的处理带宽,适用于具有较多重要短帧并具有不同优先级数据的机载系统网络。      

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。     

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AFDX的航空电子系统可调度性分析

航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)是新一代大型飞机机载网络的首选方案,构建其上的航空电子系统应保证强实时应用在时限内完成.针对现有AFDX实时性研究仅给出网络延迟上界的不足,综合考虑了任务的响应时间以及实时消息在AFDX网络中的传输延迟.建立了使用AFDX网络的航空电子系统模型,分析了分布式任务序列的整体时间需求.应用全局分析思想,给出任务序列的最坏情况响应时间,为系统实时性的评价和优化提供了理论依据.仿真结果表明该分析给出了紧凑的任务序列响应时间上界.     

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.     

考虑任务分配的无人机信息交互拓扑生成

无人机（UAV）持久编队信息交互拓扑的优化是保证UAV编队结构稳定性和任务执行时效性的重要基础。现有的编队生成算法针对距离因素进行权重赋值和拓扑生成，由于未考虑任务分配因素，可能会引起整体任务执行时间过长甚至任务失败的问题，对UAV的能量也造成了不必要的损耗。以任务消息传输时间和能量损耗为关键优化目标，在保证UAV编队结构稳定的前提下，提出考虑任务分配因素的信息交互拓扑生成算法，优先连接承载实时性要求较高通信任务的关键汇聚链路，对剩余链路通过引入惩罚项，在权重上进一步将任务消息传输量因素考虑在内，生成最终的信息交互拓扑。使用OMNet++进行仿真验证，相比于只考虑距离因素的信息交互拓扑生成算法，所提算法在20架UAVs编队场景下，消息传输时间方面最高降低57.3%，最低降低28.1%，关键任务消息的到达时延降低了45.2%～51.6%，而任务执行过程单UAV的能量损耗总体减少了17.5%，平均每个节点减少损耗16.1%。