一种适合于使命计算的航空电子总线应用研究

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一种适合于使命计算的航空电子总线应用研究

  1 引  言

  综合航空电子系统是现代战机的一个重要组成部分,航电总线系统是航电系统的关键。就新一代飞机的航电系统而言,对航空电子总线系统提出了更具挑战性的要求,必须选择先进的总线技术进行研究,为新一代航空电子综合系统发展奠定基础,使航空电子系统能够适应现代战争不断增长的需求,同时满足经济可承受性、高可用性、高可靠性和大容量、深层次的信号与信息综合化程度要求。航电总线系统已逐渐演化为完整的航电网络系统。

  使命计算是面向任务的,用以完成高性能计算技术和超越高性能计算技术范围的各项使命应用。在航电系统发展早期和中期,导航、雷达等子系统相对独立,任务的处理多依赖于飞行员的判断和各航电子系统的独立计算,使命计算的作用并不突出。

  随着航电系统的不断发展,综合化程度的不断增强,使命计算的地位越来越重要,与此同时使命计算面临越来越大的挑战,包括调度策略问题,满足QoS需求和支持新一代飞机实时应用需求的面向对象中间件设计问题,以及处理各种确定性、非确定性、运行时问题等。

  2 使命计算对航电总线网络的挑战

  随着航电系统综合化不断提高,不确定性的增加,环境越来越复杂,航空电子使命计算越加重要,而与此同时也就出现了越来越多的挑战,包括调度策略、扩展I/O、紧耦合多处理能力、尺寸和重量的限制、不确定性和紧迫性下的处理能力、支持可替换性和高度可重用性等。扩展I/O需求、紧耦合多处理能力、尺寸和重量的限制、高可用性要求、支持可替换性和高度可重用性与航电总线网络密切相关。

  2.1 扩展I/O需求

  使命计算机需要互连大量的系统,包括数据传感器、导航子系统、雷达、导弹报警传感器、网络数据链路、视频显示、大量存储接口等。事实上,对于一个复杂的平台而言,使命计算机需要互连20~30个不同的子系统。这些数据接口通常要求使用不同的航电总线网络。航电总线系统不断发展要求I/O信号的数量急剧增加,这些I/O信号要求具有1 Gb/s或者更大的传输速率。

  2.2 紧耦合多处理能力

  现代航空电子使命计算要求最密集软件、嵌入式、关键性、不确定性、紧迫性下实时应用特性共同存在。可操作飞机程序的复杂性,就相当于工业领域那样,被具有多数据源多处理任务的多功能系统操作。增加使命计算复杂性涉及到很多待处理类型:周期性任务;异步任务和要求苛刻的任务;集中式的可计算任务;可结合任务和优先状态机逻辑任务。处理上述各种任务需要多处理器操作。此外,为了便于维护和升级,可操作飞机程序也必须模块化处理。图1阐明在进行使命计算机软件设计时一个典型的软件层次划分。


  2.3 尺寸和重量的限制

  无论是超音速战斗机还是攻击型歼击机或是其他战机,使命计算机都有自己的位置和范围。随着航空电子高度综合化,对各种负载所占空间和质量都有了更严格的限制,这就要求系统集成者研究一种体性结构使得终端系统具有最小的尺寸和质量。

  2.4 支持可替换性和高度可重用性

  在现今的航电系统部署结构中,一个复杂的武器系统超过生命周期而继续维护的代价是可以接受的。维护代价大部分在于修理代价,并非真正的修理武器系统本身,而是应用于后勤的修理代价。通过移除和替代系统组件,例如一些可插拔的处理部件和I/O板级,这减少了传统的移除系统级“黑匣子”的操作。通过设计线形可替代环系统和处理故障在部件级而非盒子级可以显著减少成本、体积、质量、费用。现在的航空电子应用通常基于特定的产品族,如果大的、公共的部分可以被共用、开发和测试成本就会显著缩减。此外,组件的测试和验证也可以被共享,这也会减少开发的时间和提高效率。

  3 常用航电总线网络系统

  3.1 MIL-STD-1553B数据总线

  MIL-STD-1553B数据总线标准于1978年形成并一直沿用到今天。它是一种按时分式指令/响应模式工作的串行多路数据传输总线。总线结构如图2所示。1553B总线可以挂接32个终端,除了总线控制器外任何一个终端出故障都不会造成整个网络的故障,总线控制器可以通过备份提高可靠性。1 553 B总线在减少航空电子设备的空间、质量、复杂性、军用航空电子综合费用并且可以解决电子系统设计师在综合来自不同厂家各种现场可更换单元时所面临的难题的优势,成为现代机载计算机局域网的支柱。但其工作模式限定了它只能是集中式控制分布式处理,消息只能以1 Mb/s的速率传输,消息传输的平均吞吐量为200~300 kb/s,且能挂接的终端数目仅32个。


  1553B数据总线在减少航空电子设备的空间、质量、复杂性、费用方面具有较好的能力,在可替换性和可重用性方面具有较好的能力。1553B总线不能保证关键数据的固定传输带宽和实时性以及非关键数据对带宽的实时动态抢占,不能很好地处理关键性任务;消息只能以1 Mb/s的速率传输,对于关键性、不确定性和紧迫性下的处理能力大打折扣;仅能挂接32个终端数目,不能满足扩展I/O需求。

  3.2  MIL-SFD-1773数据总线

  20世纪80年代中期,美国在1553B总线技术的基础上发展MIL-STD-1773光纤总线,它与1553B总线主要区别在于采用光纤作为传输介质。MIL-STD-1773总线物理层之上的协议机制与民用传输协议类似。为满足特殊的使用环境采用流量分类技术,同时复合时分和空分机制,从而保证关键数据的固定传输带宽和实时性,同时实现非关键数据对带宽的实时动态抢占。其关键性缺陷在于,协议中没有对冗余保护机制做明确说明,冗余保护依赖于上层应用,物理层和MAC层只提供简单的错误检测、纠错和告警处理。

  1773数据总线在减少航空电子设备的空间、质量、复杂性、费用方面具有好的能力,在可替换性和可重用性方面具有较好的能力。由于采用了光纤作为传输介质并且数据传输速率达到20 Mb/s,1773数据总线在关键性、不确定性和紧迫性下的处理能力都有所增强。但是1773数据总线不能进行分布式处理,不能满足扩展I/O需求。

  3.3 高速数据总线HSDB

  20世纪80年代来航空电子设备也发生了深刻变化,为了适应航空电子航空电子系统的高度复杂性和对控制上健壮性的需求,美国提出“宝石柱”计划,该计划的一个重要特点是采用高速数据总线HSDB,以光纤技术构成双冗余度的通信信道,提高数据通信容量,满足处理部件之间以及系统间的数据交换需要。这一时期的总线技术由1 Mb/s的1553B上升到50 Mb/s的线性令牌传递总线(LTPB),使航电系统在信息一级实现了更高层次的综合。但是综合仍限于数据处理,对于信号,尤其是射频信号仍没有达到全面综合的目的。

  高速数据总线HSDB在减少航空电子设备的空间、质量、复杂性、费用以及可替换性和可重用性方面具有很好地能力。HSDB以光纤技术构成双冗余度的通信信道,满足处理部件之间以及系统间的数据交换需要。HSDB的传输速率能达到50 Mb/s,能够很好地支持实时应用,这使得HSDB在关键性、不确定性和紧迫性下的处理能力相比较1773数据总线都有所增强。HSDB可以挂接128个终端设备,在扩展I/O方面比1553B和1773数据总线有所改善。

  4 弹性分组环网和简化的弹性分组环网

  前面已经分析过使命计算在现有.网络应用中的优点及缺点。下面对弹性分组环(RPR)做研究分析并提出一和简化的弹性分组环网来改善上述各种总线网络的不足。

  4.1 弹性分组环网

  弹性分组环网是IEEE 802协议中最新的一种电信运营级以太网传输协议。弹性分组环网的节点结构如图3所示。RPR技术是一种在环形结构上优化数据业务传送的新型MAC层协议,能够适应多种物理层(如SDH、以太网、DWDM等),可有效地传送数据、话音、图像等多种业务类型。


  RPR融合以太网技术的经济性、灵活性、可扩展性等特点,同时吸收了SDH环网的50 ms快速保护的优点。它采用双环(内环和外环)结构,保证了高可用性;对环路带宽采用空间重用机制,单播数据传送可在环的不同部分同时进行,提高了环路带宽的利用率;并具有网络拓扑自动发现、环路带宽共享、公平分配、严格的业务分类(COS)等技术优势。其技术特点包括:支持的传输带宽可达10 Gb/s、空间重用带宽、本地重用带宽、支持优先级业务、可由大量的节点或站点组成环网、即插即用、全网节点间的公平性、QoS支持、支持基于环网的冗余保护、独立于物理层媒质和所有节点处于同步工作状态(时钟误差在ns级,可实现系统的时统)。

  4.2 简化的弹性分组环网

  根据RPR的优势及技术特点可知RPR可以较好地解决现有.网络在关键性、不确定性和紧迫性下以及挂接终端数目的问题。但是RPR在航电设备应用环境下存在以下问题:协议过于复杂、实现成本较高;只能支持环形组网、灵活性受限;对高优先级业务的操作描述不够详细。

  通过分析现有传输总线协议和RPR,提出了简化的弹性分组环网,使之适合于新一代航空电子总线系统的特点,同时满足使命计算所面临的各种挑战要求。简化的弹性分组环网主要的改造部分包括主要的改造部分包括:削减支持的网络节点数;削减对扩展协议的处理;在流量分类上降低原有的灵活性,固定为几种常用系统中可能存在的类型,只保留很少的用户可配置类型;对最高优先级的业务处理方式做更详细的规定;对业务的划分借鉴MIL-STD-1773和ARINC629的方式进行;对最高优先级业务,采用USB模式处理(响应方式)。简化的弹性分组环网协议可由1块芯片实现协议。简化的弹性分组环网体系结构图如图4所示:


  简化的弹性分组环网提供即插即用,不需要用人工指配来设置环网上的新节点,支持多种拓扑结构,传输速率能够达到155 Mb/s,时分和抢占相结合机制,流量控制机制,自动防止光纤或节点故障,保护倒换机制,在使命计算调度策略、关键性、不确定性和紧迫性下都具有很强的处理能力。每个环网可以多达64个节点,利用拓扑发现、带宽管理、保护算法等功能能够在已有的网络中增加新节点,或从网络中移除节点,简化的弹性分组环网具有强的I/O扩展能力。

  简化的弹性分组环网具有以下优点及特性:

  (1)支持多种拓扑结构:包括环型拓扑、线型拓扑、双环型拓扑、网状拓扑、集线器拓扑、关键路径冗余拓扑等。

  (2)动态拓扑发现:当前.的拓扑信息是通过网管软件配置实现。动态拓扑发现功能虽然会增加协议芯片本身的复杂度,但大幅降低了网管软件和人为控制的复杂度,总体而言大大降低了系统的复杂度,同时使系统的自动化水平更高。动态拓扑发现还能带来以下优势:可最大限度的提高网络的可用带宽;可防止网络断路或节点失效的情况下引起的重发风暴;可方便地实现网络的冗余保护机制。

  (3)能适应多系统整合:可以满足不同系统的测试接人;可支持多个节点接入;网络带宽高、易于系统扩容;网络管理方便、易于用户二次开发。

  (4)高可靠性:可方便实现关键部件的冗余保护;传输线路可实现实时冗余倒换;网络物理层和协议层采用增强的前向纠错码保护;关键数据采用接收端终结方式,并采用接收响应机制。

  (5)时分和抢占相结合机制:整个网络带宽按2 M单元进行时隙划分。单元内容可以自行定义(可定义为PCM,1553,429帧格式),未定义的带宽部分默认为可抢占的一般性带宽。这样即保证了高优先级业务的实时性,又可使各节点的非高优先级业务对带宽的实时公平抢占,有效增加带宽的使用率。

  (6)流量控制机制:系统中存在各种不同的非高优先级业务,它们的重要性和实时性均不相同,因此需要对不同类型的业务分优先级处理,避免造成低优先级数据抢占高优先级数据带宽的情况出现。同时流控机制的加入,可将网络使用情况间接的通知应用层,使应用层暂停或放慢向环路发送数据。

  (7)带宽管理公平性算法:对非高优先级业务,为避免突发业务造成的网络拥赛,需权衡各节点业务的带宽使用情况,保证网络各节点在带宽使用上的加权公平性。公平算法的一些规则包括:对穿的高优先级包先发送;如果对穿的低优先级包缓存没有超过一个低优先级阈值,且本地的带宽使用率低于允许的带宽使用率,来自本地的低优先级包可以发送;如果没有别的符合上述要求的包要发,则可以发送对穿的低优先级包。简化的弹性分组环网带宽管理机制如图5所示。


  (8)同步机制:采用节点时钟调整机制,可将各节点的时钟调整到同一时钟频率和相位之上,误差为ns级。可通过专用的授时节点的时钟作为参考时钟。

  (9)保护倒换机制:在节点或者线路失效时,能在50 ms内恢复线路通讯。采用2级倒换方式,一级倒换对失效做出快速反应,二级倒换优化倒换后的传输路径。简化的弹性分组环网保护倒换机制如图6所示。



  (10)开放性:在工程和系统设计中应用标准接口和符合这些标准的设备。可以在维护系统性能甚至提高系统性能的情况下降低开发成本、缩短开发时间。具有故障检测、隔离和修复功能,因此减少和缩短了停机时间,保证了飞机具有较高的出勤率,从而提高系统的可用性。依据稳定的接口标准使开放式系统更适合先进技术和市场变化。

  (11)实现协议的代价较小:成本低、体积(面积)小、重量轻。

  简化的弹性分组环网总线协议基于对通讯用802.17协议的简化,结合传统.的一些特点,实现一种满足航空分布式设备的局部总线协议。它具有实现简单、支持的传输带宽高、与物理层独立、能适应多系统整合、高可靠性、高可用性、同步机制、实时性、开放性等特点。

  简化的弹性分组环网在减少航空电子设备的空间、质量、复杂性、费用以及可替换性和可重用性方面具有很好的能力。简化的弹性分组环网提供即插即用,不需要用人工指配来设置环网上的新节点,支持多种拓扑结构,传输速率能够达到155 Mb/s,时分和抢占相结合机制、流量控制机制、自动防止光纤或节点故障,保护倒换机制,在使命计算调度策略、关键性、不确定性和紧迫性下都具有很强的处理能力。每个环网可以多达64个节点,利用拓扑发现、带宽管理、保护算法等功能能够在已有的网络中增加新节点,或从网络中移除节点,简化的弹性分组环网具有强的I/O扩展能力。

  5 结  语

  航电系统经过几十年的发展与演化,已经经历了三代。现今,美国航电系统已经发展为第四代,而我国也正在进行预研第四代航电系统。由于现代科学技术日新月异,再加上航空设备研制周期相对较长,因此,现在还难以准确地描述新一代航电总线网络的需求、功能、要求等。本文旨在从使命计算对航电总线网络提出的挑战出发,提出一种新的航电总线网络。对新一代航电总线网络还有很多问题需要深入的研究和探讨。


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