具有優(yōu)先級消息的FC-AE-1553建模仿真分析

高 敏 ,朱 巖 ,喻 芳 ，焦慧方

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 江西 南昌330024）

隨著航電系統(tǒng)的快速發(fā)展，對電子設(shè)備間的信息交互和共享的要求越來越高[1]。傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B總線在數(shù)據(jù)傳輸速率，通信寬帶，抗電磁干擾等性能方面已無法滿足要求。光纖通道（Fibre Channel，F(xiàn)C）以所具有的高速率，高寬帶以及高可靠性成為新一代高性能航空電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。光纖通道航空電子環(huán)境 （Fibre Channel Avionics Environment，F(xiàn)CAE）是針對FC技術(shù)如何應(yīng)用于航空電子領(lǐng)域而制定出的一組協(xié)議子集，F(xiàn)C-AE-1553即為其中一種。FC-AE-1553?網(wǎng)絡(luò)既具有MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)的基本特性，又具有光纖通道的良好網(wǎng)絡(luò)性能，對航空電子系統(tǒng)的整體更新?lián)Q代有著極為深遠(yuǎn)的意義。優(yōu)先級是指在處理多個作業(yè)程序時，決定各個作業(yè)程序接受資源的優(yōu)先等級的參數(shù)。消息的優(yōu)先級是指消息在網(wǎng)絡(luò)中被處理以及傳輸?shù)膬?yōu)先順序，一般越緊急的消息優(yōu)先級設(shè)置越高。故優(yōu)先級在對緊急消息的實(shí)時性處理有著重大的影響。目前國內(nèi)對FC-AE-1553周期消息與事件消息的傳輸機(jī)制的建模與仿真的研究比較多，而對優(yōu)先級對消息傳輸?shù)挠绊懣紤]的不多。本文主要采用確定隨機(jī)Petri網(wǎng)（DSPN）對具有優(yōu)先級消息的FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真，討論具有不同優(yōu)先級消息的FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)中消息的傳輸情況，分析優(yōu)先級對緊急消息傳輸延遲時間的影響。

1 FC-AE-1553

FC-AE-1553是FC的上層映射，可以很好地滿足航電系統(tǒng)中各種信息流的傳輸以及控制功能的實(shí)現(xiàn)。

FC-AE-1553協(xié)議基于MIL-STD-1553B及其通告2，擴(kuò)展了寬帶、地址域、傳輸數(shù)據(jù)大小，達(dá)到航空電子系統(tǒng)中對通信低延遲、低成本的要求。這些擴(kuò)展包含有[2]：最大允許終端數(shù)（224），最大傳送字?jǐn)?shù)（232字節(jié)）和最大子地址空間（223）。

在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵元素有[2]：(1)網(wǎng)絡(luò)控制器(NC)；(2)網(wǎng)絡(luò)終端(NT)；(3)光纖通道網(wǎng)絡(luò)本身；(4)FC-AE-1553協(xié)議橋；(5)MIL-STD-1553總線；(6)MIL-STD-1553遠(yuǎn)程終端。FC-AE-1553協(xié)議橋是FC-AE-1553的核心內(nèi)容。同一FCAE-1553網(wǎng)絡(luò)可以橋接多個MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)，多個橋接到FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)具有傳統(tǒng)MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)相同的功能。一個MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)可以連接多個MIL-STD-1553B協(xié)議橋，但同一時刻只有一個橋是有效的。

FC-AE-1553 有 10 種傳輸方式[2]：(1)NC-NT；(2)NT-NC；(3)NT-NT；(4)無數(shù)據(jù)字模式命令；(5)有數(shù)據(jù)字模式命令（發(fā)送數(shù)據(jù)）；(6)有數(shù)據(jù)字模式命令（接收數(shù)據(jù)）；(7)NC-多個 NT（廣播或多播）；(8)NT-多個NT；(9)至多個NT的無數(shù)據(jù)字模式命令；(10)至多個NT的有數(shù)據(jù)字模式命令（接收數(shù)據(jù)）。

在FC-AE-1553中，定義了3種幀類型：命令幀，狀態(tài)幀和數(shù)據(jù)幀。它們分別對應(yīng)于MIL-STD-1553B命令字，狀態(tài)字和數(shù)據(jù)幀字。每次FC-AE-1553的數(shù)據(jù)交換都是由命令序列開始，決定了數(shù)據(jù)交換的格式；狀態(tài)序列是NT所發(fā)送的第一個序列，是對FC-AE-1553命令請求的回應(yīng)；數(shù)據(jù)幀則用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

2 Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)[3]是一種具有嚴(yán)密數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的動態(tài)系統(tǒng)建模工具，可作為很多系統(tǒng)和領(lǐng)域的圖形和數(shù)學(xué)模型工具。作為圖形工具，PN除了具有類似流程圖、框圖和網(wǎng)圖的可視描述功能外，還可通過標(biāo)記（token）流動模擬系統(tǒng)動態(tài)活動行為；作為數(shù)學(xué)工具，PN可以建立狀態(tài)方程、代數(shù)方程和其他數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)行為。但是，對一些實(shí)時性要求很高的系統(tǒng)，缺乏時間信息成為了用Petri網(wǎng)建模的最大不足之處。因此，發(fā)明了時間Petri網(wǎng)、隨機(jī)Petri網(wǎng)和確定隨機(jī)Petri網(wǎng)等包含時間因素的Petri網(wǎng)。

隨機(jī)Petri網(wǎng)（SPN）是在基本Petri網(wǎng)的每一個變遷的可實(shí)施和實(shí)施之間關(guān)聯(lián)上一個隨機(jī)的延遲時間，如果在SPN的基礎(chǔ)上加入了瞬時變遷，就成為廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)（GSPN），再如果其中有些變遷的實(shí)施延時為常數(shù)，則被擴(kuò)充成為確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)（DSPN）。因此，DSPN包含了三種變遷：確定時間變遷、隨機(jī)時間變遷和瞬時變遷。確定時間變遷是指當(dāng)條件滿足之后，要經(jīng)過一個確定的事件后才被觸發(fā)，可以描述一個確定時間的行為；隨機(jī)時間變遷是指可以用來描述經(jīng)過一個隨機(jī)性的時間發(fā)生的事件，變遷實(shí)施延時服從負(fù)指數(shù)分布；瞬時變遷是指與時間無關(guān)的行為，當(dāng)輸入條件滿足時馬上觸發(fā)，沒有時間上的延遲，它可以描述不考慮時間因素的系統(tǒng)狀態(tài)之間的因果關(guān)系。

相較于隨機(jī)Petri網(wǎng)，確定隨機(jī)Petri網(wǎng)中時間變遷的實(shí)施延時既可以是常數(shù)，也可以是指數(shù)分布的隨機(jī)變量，因此更能符合航空電子系統(tǒng)中對某些測量值定期采集的應(yīng)用場景。

3 FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型

通常在一個航空電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的兩大特征是：周期性和時延。下面我們將考慮下面3類不同特征的實(shí)時數(shù)據(jù)：1）非周期性、有極高時延；2）非周期性、有一定時延要求但不緊急；3）周期性、有硬性時延要求。通過建立此3種消息的傳輸模型，并根據(jù)消息的緊急程度對這3類消息數(shù)據(jù)設(shè)置不同的優(yōu)先級，也就是時延要求越高的數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置越高，模擬在同一時間段中此三類消息在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)中的傳輸情況。如圖1所示，為FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型[4-5]。

圖1 具有不同優(yōu)先級消息的FC-AE-1553的DSPN模型Fig.1 DSPNmodel of FC-AE-1553 with different prioritymessages

由上圖可知，該模型中有一個周期消息產(chǎn)生模型和兩個事件消息產(chǎn)生模型。分別模擬周期性、有硬性時延要求的數(shù)據(jù)，非周期性有一定時延要求但不緊急的數(shù)據(jù)以及非周期性、有極高時延要求的數(shù)據(jù)。庫所Pbegin1、Pback和變遷T0、T1控制系統(tǒng)每隔Tms時間產(chǎn)生一次消息，且一個周期消息包含了N條消息。庫所Pbegin2與變遷TGAP2以及庫所Pbegin3與變遷TGAP3分別控制兩個事件消息的產(chǎn)生，且每組事件消息有K或M條消息。TGAP1與Pmsg1，TGAP2與P1以及TGAP3與P2之間的禁止弧是為確保消息一條一條傳輸，使系統(tǒng)有界。圖中P2到T3之間的禁止弧表示當(dāng)P2內(nèi)有標(biāo)記時禁止T3變遷，體現(xiàn)了相比于Pbegin2產(chǎn)生的消息，Pbegin3所產(chǎn)生的消息優(yōu)先傳輸，即具有較高優(yōu)先級。同理，Pmsg2到TGAP1之間的禁止弧表示當(dāng)Pmsg2內(nèi)有標(biāo)記時禁止TGAP1變遷，體現(xiàn)了事件消息優(yōu)先級較高，從而達(dá)到緊急事件消息的及時傳輸。

若Pmsg1中有標(biāo)記，則Tpass1禁止變遷，Tsend1變遷實(shí)施，周期消息開始傳輸，傳輸結(jié)束后Pend1中標(biāo)記加一。否則無周期消息要傳輸，Tsend1不實(shí)施，標(biāo)記直接從旁路Tpass1流向Pstart2，則Pstart2中有標(biāo)記，若Pmsg2中同時有標(biāo)記表示有事件消息要傳輸，則Tsend2變遷，Tpass2禁止，事件消息開始在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

4 參數(shù)設(shè)定

本模型中光纖通道傳輸速率為1 GB/s，可計(jì)算得傳輸每條消息 （一條具有2 148字節(jié)的滿負(fù)荷的數(shù)據(jù)幀）的時間為0.002 148ms。故變遷Tdelay速率為：

代表周期消息時間間隔的變遷TGAP1的延時值取為0.06ms；

另外，變遷TGAP4，TGAP5和Tstatus的延時值都取為0.006ms；

5 仿真與性能分析

5.1 仿真指標(biāo)設(shè)計(jì)

延時時間：是指在信源處信息啟動時間與吸收點(diǎn)處執(zhí)行時間二者的時間差值。

優(yōu)先級最高的事件消息幀3的延時時間為:

優(yōu)先級較高的事件消息幀2的延時時間為：

優(yōu)先級最低的周期消息幀1的延時時間為：

5.2 性能指標(biāo)分析

本文將利用TimeNet4.0軟件對模型進(jìn)行仿真，分析優(yōu)先級對緊急消息延時時間的影響[6]。

1）當(dāng)事件消息到達(dá)速率為1/100，消息數(shù)N=K=M時，仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同優(yōu)先級消息延時時間數(shù)據(jù)Tab.1 Delay time data of different p rioritymessages

在圖2中，橫坐標(biāo)代表消息數(shù)N，縱坐標(biāo)代表平均等待時間。整體上看，隨著傳輸?shù)南?shù)的增加，相應(yīng)消息的等待時間和發(fā)送延遲也會增加。優(yōu)先級最高的事件消息比優(yōu)先級較高的事件消息延時時間要小，且隨著網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息數(shù)的增加，延時相差越來越大。優(yōu)先級最低的周期消息的延遲時間要遠(yuǎn)大于優(yōu)先級高的事件消息，且也隨著網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息數(shù)的增加，延時相差越來越大。這是由于周期消息優(yōu)先級較低，要等比自己優(yōu)先級高的兩個事件消息都傳輸完成后，才可以傳輸。

2）當(dāng)去掉P2和T3之間的禁止弧，即兩事件消息平等對待，優(yōu)先級不分高低時，仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

在圖3中，橫坐標(biāo)代表消息數(shù)N，縱坐標(biāo)代表平均等待時間。與圖2相比，圖3中兩事件消息的延時時間基本相同，這是由于此時兩事件消息的優(yōu)先級是一樣的，也就是兩事件消息的處理幾率相同。但是由于周期消息的優(yōu)先級仍低于事件消息，故延時時間還是遠(yuǎn)大于事件消息。

3）對表1和表2中的D3進(jìn)行比較得出表3。

由表3可以看出，事件消息幀3在有優(yōu)先級的情況下的延時時間比無優(yōu)先級時要小，而且差距隨著網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息數(shù)的增加越來越大。說明緊急消息在不設(shè)置優(yōu)先級時當(dāng)消息數(shù)越來越大時，等待時間會比對其設(shè)置較高優(yōu)先級的越來越長，有可能不能滿足對實(shí)時性要求高的數(shù)據(jù)處理?？梢娫O(shè)置優(yōu)先級對緊急消息實(shí)時性傳輸?shù)闹匾浴?/p>

圖2 各優(yōu)先級幀延時時間對比曲線圖Fig.2 Contrast curve of delay time of each frame priority

表2 兩事件消息平等對待時各消息幀延時時間數(shù)據(jù)Tab.2 Delay time data of each m essage frame(two event messages equal treatment)

圖3 兩事件消息平等對待時各消息幀延時時間對比曲線圖Fig.3 Comparison chart of eachmessage delay time frame(two event messages equal treatment)

表3 兩事件消息之間有優(yōu)先級與無優(yōu)先級時消息幀3的延時時間比較Tab.3 Delay time ofmessage frame 3 between the eventmessage w ith priority and no priority framemessage

6 結(jié)論

在航空電子系統(tǒng)的消息傳輸過程中，對緊急消息的處理是整個航電消息處理的一個重要方面。本文建立了具有優(yōu)先級消息的FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型，分析優(yōu)先級對緊急消息傳輸延時的影響。通過分析比較可以看出，優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)消息幀的延遲要低于優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)消息幀的延遲，并且隨著消息數(shù)的增加，時間差距也越來越大，說明優(yōu)先級對緊急消息的實(shí)時性處理有著很大的影響?？梢娫撃Ｐ蛯斫饩哂袃?yōu)先級的事件消息在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)制以及體會優(yōu)先級對緊急消息處理的重要性提供了重要的理論依據(jù)。

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