摘 要：航空電子總線網絡是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，對航空電子綜合化程度的高低和性能的優(yōu)劣起著極其重要的作用。通過對使命計算對航電總線網絡的挑戰(zhàn)出發(fā)，分析現有航電總線網絡系統(tǒng)，比較現有航電總線網絡在使命計算方面的適用性。最后提出一種新的航電總線網絡即簡化的彈性分組環(huán)網。

關鍵詞：航電總線系統(tǒng)；使命計算；彈性分組環(huán)網；簡化的彈性分組環(huán)網絡

Applicable Research of Avionics Bus and Network of uitable Mission Computing

LI Bin1，YUAN Bo2

(1Computer College，Northwestern Polytechnical University，Xi′an，710072，China;

[JZ]2oftware College，Northwestern Polytechnical University，Xi′an，710072，China)

Abstract：Avionics bus network is one of the most important part of avionics system，it attaches much importance to integration and performance of avionics systemhis paper begins with mission computing which are content with speciality of Avionics bus networks，then analyzes current avionics bus networks system and compares to suitability of current avionics bus networks in mission computingIt brings forward a new sort of avionics bus networks

Keywords：avionics bus system;avionics mission computing;resilient packet ring network;simple resilient packet ring network

1 引 言

綜合航空電子系統(tǒng)是現代戰(zhàn)機的一個重要組成部分，航電總線系統(tǒng)是航電系統(tǒng)的關鍵。就新一代飛機的航電系統(tǒng)而言，對航空電子總線系統(tǒng)提出了更具挑戰(zhàn)性的要求，必須選擇先進的總線技術進行研究，為新一代航空電子綜合系統(tǒng)發(fā)展奠定基礎，使航空電子系統(tǒng)能夠適應現代戰(zhàn)爭不斷增長的需求，同時滿足經濟可承受性、高可用性、高可靠性和大容量、深層次的信號與信息綜合化程度要求。航電總線系統(tǒng)已逐漸演化為完整的航電網絡系統(tǒng)。

使命計算是面向任務的，用以完成高性能計算技術和超越高性能計算技術范圍的各項使命應用。在航電系統(tǒng)發(fā)展早期和中期，導航、雷達等子系統(tǒng)相對獨立，任務的處理多依賴于飛行員的判斷和各航電子系統(tǒng)的獨立計算，使命計算的作用并不突出。

隨著航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，綜合化程度的不斷增強，使命計算的地位越來越重要，與此同時使命計算面臨越來越大的挑戰(zhàn)，包括調度策略問題，滿足Qo需求和支持新一代飛機實時應用需求的面向對象中間件設計問題，以及處理各種確定性、非確定性、運行時問題等。

2 使命計算對航電總線網絡的挑戰(zhàn)

隨著航電系統(tǒng)綜合化不斷提高，不確定性的增加，環(huán)境越來越復雜，航空電子使命計算越加重要，而與此同時也就出現了越來越多的挑戰(zhàn)，包括調度策略、擴展I/O、緊耦合多處理能力、尺寸和重量的限制、不確定性和緊迫性下的處理能力、支持可替換性和高度可重用性等［1］。擴展I/O需求、緊耦合多處理能力、尺寸和重量的限制、高可用性要求、支持可替換性和高度可重用性與航電總線網絡密切相關。

21 擴展I/O需求

使命計算機需要互連大量的系統(tǒng)，包括數據傳感器、導航子系統(tǒng)、雷達、導彈報警傳感器、網絡數據鏈路、視頻顯示、大量存儲接口等。事實上，對于一個復雜的平臺而言，使命計算機需要互連20~30個不同的子系統(tǒng)。這些數據接口通常要求使用不同的航電總線網絡。航電總線系統(tǒng)不斷發(fā)展要求I/O信號的數量急劇增加，這些I/O信號要求具有1 Gb/s或者更大的傳輸速率。

22 緊耦合多處理能力

現代航空電子使命計算要求最密集軟件、嵌入式、關鍵性、不確定性、緊迫性下實時應用特性共同存在?？刹僮黠w機程序的復雜性，就相當于工業(yè)領域那樣，被具有多數據源多處理任務的多功能系統(tǒng)操作。增加使命計算復雜性涉及到很多待處理類型：周期性任務；異步任務和要求苛刻的任務；集中式的可計算任務；可結合任務和優(yōu)先狀態(tài)機邏輯任務。處理上述各種任務需要多處理器操作。此外，為了便于維護和升級，可操作飛機程序也必須模塊化處理。圖1闡明在進行使命計算機軟件設計時一個典型的軟件層次劃分。

23 尺寸和重量的限制

無論是超音速戰(zhàn)斗機還是攻擊型殲擊機或是其他戰(zhàn)機，使命計算機都有自己的位置和范圍。隨著航空電子高度綜合化，對各種負載所占空間和質量都有了更嚴格的限制，這就要求系統(tǒng)集成者研究一種體性結構使得終端系統(tǒng)具有最小的尺寸和質量。

24 支持可替換性和高度可重用性

在現今的航電系統(tǒng)部署結構中，一個復雜的武器系統(tǒng)超過生命周期而繼續(xù)維護的代價是可以接受的。維護代價大部分在于修理代價，并非真正的修理武器系統(tǒng)本身，而是應用于后勤的修理代價。通過移除和替代系統(tǒng)組件，例如一些可插拔的處理部件和I/O板級，這減少了傳統(tǒng)的移除系統(tǒng)級“黑匣子”的操作。通過設計線形可替代環(huán)系統(tǒng)和處理故障在部件級而非盒子級可以顯著減少成本、體積、質量、費用。現在的航空電子應用通?；谔囟ǖ漠a品族，如果大的、公共的部分可以被共用、開發(fā)和測試成本就會顯著縮減。此外，組件的測試和驗證也可以被共享，這也會減少開發(fā)的時間和提高效率。

3 常用航電總線網絡系統(tǒng)

31 MIL-D-13B數據總線

MIL-D-13B數據總線標準于1978年形成并一直沿用到今天。它是一種按時分式指令/響應模式工作的串行多路數據傳輸總線?？偩€結構如圖2所示。13B總線可以掛接32個終端，除了總線控制器外任何一個終端出故障都不會造成整個網絡的故障，總線控制器可以通過備份提高可靠性［2］。1 3 B總線在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、軍用航空電子綜合費用并且可以解決電子系統(tǒng)設計師在綜合來自不同廠家各種現場可更換單元時所面臨的難題的優(yōu)勢，成為現代機載計算機局域網的支柱。但其工作模式限定了它只能是集中式控制分布式處理，消息只能以1 Mb/s的速率傳輸，消息傳輸的平均吞吐量為200~300 kb/s，且能掛接的終端數目僅32個［3］。

13B數據總線在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、費用方面具有較好的能力，在可替換性和可重用性方面具有較好的能力。13B總線不能保證關鍵數據的固定傳輸帶寬和實時性以及非關鍵數據對帶寬的實時動態(tài)搶占，不能很好地處理關鍵性任務；消息只能以1 Mb/s的速率傳輸，對于關鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力大打折扣；僅能掛接32個終端數目，不能滿足擴展I/O需求。

32 MIL-D-1773數據總線

20世紀80年代中期，美國在13B總線技術的基礎上發(fā)展MIL-D-1773光纖總線，它與13B總線主要區(qū)別在于采用光纖作為傳輸介質［2］。MIL-D-1773總線物理層之上的協議機制與民用傳輸協議類似。為滿足特殊的使用環(huán)境采用流量分類技術，同時復合時分和空分機制，從而保證關鍵數據的固定傳輸帶寬和實時性，同時實現非關鍵數據對帶寬的實時動態(tài)搶占。其關鍵性缺陷在于，協議中沒有對冗余保護機制做明確說明，冗余保護依賴于上層應用，物理層和MAC層只提供簡單的錯誤檢測、糾錯和告警處理。

1773數據總線在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、費用方面具有好的能力，在可替換性和可重用性方面具有較好的能力。由于采用了光纖作為傳輸介質并且數據傳輸速率達到20 Mb/s，1773數據總線在關鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力都有所增強。但是1773數據總線不能進行分布式處理，不能滿足擴展I/O需求。

33 高速數據總線DB

20世紀80年代來航空電子設備也發(fā)生了深刻變化，為了適應航空電子航空電子系統(tǒng)的高度復雜性和對控制上健壯性的需求，美國提出“寶石柱”計劃，該計劃的一個重要特點是采用高速數據總線DB，以光纖技術構成雙冗余度的通信信道，提高數據通信容量，滿足處理部件之間以及系統(tǒng)間的數據交換需要。這一時期的總線技術由1 Mb/s的13B上升到0 Mb/s的線性令牌傳遞總線(LPB)，使航電系統(tǒng)在信息一級實現了更高層次的綜合。但是綜合仍限于數據處理，對于信號，尤其是射頻信號仍沒有達到全面綜合的目的［4］。

高速數據總線DB在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、費用以及可替換性和可重用性方面具有很好地能力。DB以光纖技術構成雙冗余度的通信信道，滿足處理部件之間以及系統(tǒng)間的數據交換需要。DB的傳輸速率能達到0 Mb/s，能夠很好地支持實時應用，這使得DB在關鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力相比較1773數據總線都有所增強。DB可以掛接128個終端設備，在擴展I/O方面比13B和1773數據總線有所改善。

4 彈性分組環(huán)網和簡化的彈性分組環(huán)網

前面已經分析過使命計算在現有航空總線網絡應用中的優(yōu)點及缺點。下面對彈性分組環(huán)(RPR)做研究分析并提出一種簡化的彈性分組環(huán)網來改善上述各種總線網絡的不足。

41 彈性分組環(huán)網

彈性分組環(huán)網是IEEE 802協議中最新的一種電信運營級以太網傳輸協議。彈性分組環(huán)網的節(jié)點結構如圖3所示。RPR技術是一種在環(huán)形結構上優(yōu)化數據業(yè)務傳送的新型MAC層協議，能夠適應多種物理層(如D、以太網、DWDM等)，可有效地傳送數據、話音、圖像等多種業(yè)務類型。

RPR融合以太網技術的經濟性、靈活性、可擴展性等特點，同時吸收了D環(huán)網的0 ms快速保護的優(yōu)點。它采用雙環(huán)(內環(huán)和外環(huán))結構，保證了高可用性；對環(huán)路帶寬采用空間重用機制，單播數據傳送可在環(huán)的不同部分同時進行，提高了環(huán)路帶寬的利用率；并具有網絡拓撲自動發(fā)現、環(huán)路帶寬共享、公平分配、嚴格的業(yè)務分類(CO)等技術優(yōu)勢。其技術特點包括：支持的傳輸帶寬可達10 Gb/s、空間重用帶寬、本地重用帶寬、支持優(yōu)先級業(yè)務、可由大量的節(jié)點或站點組成環(huán)網、即插即用、全網節(jié)點間的公平性、Qo支持、支持基于環(huán)網的冗余保護、獨立于物理層媒質和所有節(jié)點處于同步工作狀態(tài)(時鐘誤差在ns級，可實現系統(tǒng)的時統(tǒng))[]。

42 簡化的彈性分組環(huán)網

根據RPR的優(yōu)勢及技術特點可知RPR可以較好地解決現有航空總線網絡在關鍵性、不確定性和緊迫性下以及掛接終端數目的問題。但是RPR在航電設備應用環(huán)境下存在以下問題：協議過于復雜、實現成本較高；只能支持環(huán)形組網、靈活性受限；對高優(yōu)先級業(yè)務的操作描述不夠詳細。

通過分析現有傳輸總線協議和RPR，提出了簡化的彈性分組環(huán)網， 使之適合于新一代航空電子總線系統(tǒng)的特點，同時滿足使命計算所面臨的各種挑戰(zhàn)要求。簡化的彈性分組環(huán)網主要的改造部分包括主要的改造部分包括：削減支持的網絡節(jié)點數；削減對擴展協議的處理；在流量分類上降低原有的靈活性，固定為幾種常用系統(tǒng)中可能存在的類型，只保留很少的用戶可配置類型；對最高優(yōu)先級的業(yè)務處理方式做更詳細的規(guī)定；對業(yè)務的劃分借鑒MIL-D-1773和ARINC629的方式進行；對最高優(yōu)先級業(yè)務，采用UB模式處理(響應方式)。簡化的彈性分組環(huán)網協議可由1塊芯片實現協議。簡化的彈性分組環(huán)網體系結構圖如圖4所示：

簡化的彈性分組環(huán)網提供即插即用，不需要用人工指配來設置環(huán)網上的新節(jié)點，支持多種拓撲結構，傳輸速率能夠達到1 Mb/s，時分和搶占相結合機制，流量控制機制，自動防止光纖或節(jié)點故障，保護倒換機制，在使命計算調度策略、關鍵性、不確定性和緊迫性下都具有很強的處理能力。每個環(huán)網可以多達64個節(jié)點，利用拓撲發(fā)現、帶寬管理、保護算法等功能能夠在已有的網絡中增加新節(jié)點，或從網絡中移除節(jié)點，簡化的彈性分組環(huán)網具有強的I/O擴展能力。

簡化的彈性分組環(huán)網具有以下優(yōu)點及特性：

(1) 支持多種拓撲結構：包括環(huán)型拓撲、線型拓撲、雙環(huán)型拓撲、網狀拓撲、集線器拓撲、關鍵路徑冗余拓撲等。

(2) 動態(tài)拓撲發(fā)現：當前航空總線的拓撲信息是通過網管軟件配置實現。動態(tài)拓撲發(fā)現功能雖然會增加協議芯片本身的復雜度，但大幅降低了網管軟件和人為控制的復雜度，總體而言大大降低了系統(tǒng)的復雜度，同時使系統(tǒng)的自動化水平更高。動態(tài)拓撲發(fā)現還能帶來以下優(yōu)勢：可最大限度的提高網絡的可用帶寬；可防止網絡斷路或節(jié)點失效的情況下引起的重發(fā)風暴；可方便地實現網絡的冗余保護機制。

(3) 能適應多系統(tǒng)整合：可以滿足不同系統(tǒng)的測試接入；可支持多個節(jié)點接入；網絡帶寬高、易于系統(tǒng)擴容；網絡管理方便、易于用戶二次開發(fā)。

(4) 高可靠性：可方便實現關鍵部件的冗余保護；傳輸線路可實現實時冗余倒換；網絡物理層和協議層采用增強的前向糾錯碼保護；關鍵數據采用接收端終結方式，并采用接收響應機制。

() 時分和搶占相結合機制：整個網絡帶寬按2 M單元進行時隙劃分。單元內容可以自行定義(可定義為PCM，13，429幀格式)，未定義的帶寬部分默認為可搶占的一般性帶寬。這樣即保證了高優(yōu)先級業(yè)務的實時性，又可使各節(jié)點的非高優(yōu)先級業(yè)務對帶寬的實時公平搶占，有效增加帶寬的使用率。

(6) 流量控制機制：系統(tǒng)中存在各種不同的非高優(yōu)先級業(yè)務，它們的重要性和實時性均不相同，因此需要對不同類型的業(yè)務分優(yōu)先級處理，避免造成低優(yōu)先級數據搶占高優(yōu)先級數據帶寬的情況出現。同時流控機制的加入，可將網絡使用情況間接的通知應用層，使應用層暫?；蚍怕颦h(huán)路發(fā)送數據。

(7) 帶寬管理公平性算法：對非高優(yōu)先級業(yè)務，為避免突發(fā)業(yè)務造成的網絡擁賽，需權衡各節(jié)點業(yè)務的帶寬使用情況，保證網絡各節(jié)點在帶寬使用上的加權公平性。公平算法的一些規(guī)則包括：對穿的高優(yōu)先級包先發(fā)送；如果對穿的低優(yōu)先級包緩存沒有超過一個低優(yōu)先級閾值，且本地的帶寬使用率低于允許的帶寬使用率，來自本地的低優(yōu)先級包可以發(fā)送；如果沒有別的符合上述要求的包要發(fā)，則可以發(fā)送對穿的低優(yōu)先級包。簡化的彈性分組環(huán)網帶寬管理機制如圖所示。

(8) 同步機制：采用節(jié)點時鐘調整機制，可將各節(jié)點的時鐘調整到同一時鐘頻率和相位之上，誤差為ns級?？赏ㄟ^專用的授時節(jié)點的時鐘作為參考時鐘。

(9) 保護倒換機制：在節(jié)點或者線路失效時，能在0 ms內恢復線路通訊。采用2級倒換方式，一級倒換對失效做出快速反應，二級倒換優(yōu)化倒換后的傳輸路徑。簡化的彈性分組環(huán)網保護倒換機制如圖6所示。

(10) 開放性：在工程和系統(tǒng)設計中應用標準接口和符合這些標準的設備?？梢栽诰S護系統(tǒng)性能甚至提高系統(tǒng)性能的情況下降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間。具有故障檢測、隔離和修復功能，因此減少和縮短了停機時間，保證了飛機具有較高的出勤率，從而提高系統(tǒng)的可用性。依據穩(wěn)定的接口標準使開放式系統(tǒng)更適合先進技術和市場變化。

(11) 實現協議的代價較小：成本低、體積(面積)小、重量輕。

簡化的彈性分組環(huán)網總線協議基于對通訊用80217協議的簡化，結合傳統(tǒng)航空總線的一些特點，實現一種滿足航空分布式設備的局部總線協議。它具有實現簡單、支持的傳輸帶寬高、與物理層獨立、能適應多系統(tǒng)整合、高可靠性、高可用性、同步機制、實時性、開放性等特點。

簡化的彈性分組環(huán)網在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、費用以及可替換性和可重用性方面具有很好的能力。簡化的彈性分組環(huán)網提供即插即用，不需要用人工指配來設置環(huán)網上的新節(jié)點，支持多種拓撲結構，傳輸速率能夠達到1 Mb/s，時分和搶占相結合機制、流量控制機制、自動防止光纖或節(jié)點故障，保護倒換機制，在使命計算調度策略、關鍵性、不確定性和緊迫性下都具有很強的處理能力。每個環(huán)網可以多達64個節(jié)點，利用拓撲發(fā)現、帶寬管理、保護算法等功能能夠在已有的網絡中增加新節(jié)點，或從網絡中移除節(jié)點，簡化的彈性分組環(huán)網具有強的I/O擴展能力。

結 語

航電系統(tǒng)經過幾十年的發(fā)展與演化，已經經歷了三代。現今，美國航電系統(tǒng)已經發(fā)展為第四代，而我國也正在進行預研第四代航電系統(tǒng)。由于現代科學技術日新月異，再加上航空設備研制周期相對較長，因此，現在還難以準確地描述新一代航電總線網絡的需求、功能、要求等。本文旨在從使命計算對航電總線網絡提出的挑戰(zhàn)出發(fā)，提出一種新的航電總線網絡。對新一代航電總線網絡還有很多問題需要深入的研究和探討。

參 考 文 獻

［1］tewart Dewarackling Challenging Avionics Airborne Mission Computing Applications with VPX (VIA 46)-based ystems[J]VMEBus ystem，2006

［2］熊華鋼，周貴榮，李峭機載總線網絡及其發(fā)展[J]航空學報，2006，27(6):1 13-1 144

［3］丁永飛機載航電總線系統(tǒng)發(fā)展評述[J]航空計算技術，2007，34(2):1-7[LL]

［4］趙永庫新一代航空電子總線系統(tǒng)結構研究[J]航空計算技術，200，3(1):99-103

［］IEEE 80217 Resilient Packet Ring Working Group [EB/OL]http://wwwieee802org/17/

［6］David L Levine，Christopher Gill D，Douglas chmidt C17th IEEE/AIAA Digital Avionics ystems Conference，eattle，Washington，1998

［7］Morgan D RPave Pace:ystem Avionics for the 21st Century ［J］DA CON，1990(9):3-401

［8］Fredrik Davik，Mete Yilmaz，tein Gjessing，et alIEEE 80217 Resilient Packet Ring utorial

作者簡介

李 彬 男，1980年出生，西北工業(yè)大學碩士研究生。研究方向為分布式仿真。

袁 博 男，1980年出生，西北工業(yè)大學碩士研究生。研究方向為分布式仿真。