適用于箭載電氣系統(tǒng)的混合數(shù)據(jù)流調(diào)度算法

郭 沖，藍(lán) 鯤，王星來

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適用于箭載電氣系統(tǒng)的混合數(shù)據(jù)流調(diào)度算法

郭 沖，藍(lán) 鯤，王星來

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

針對(duì)箭載電氣系統(tǒng)，提出一種時(shí)分制指令/響應(yīng)型周期優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)演算理論分析其實(shí)時(shí)性。使用Matlab搭建箭載電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置不同自變量并與FIFO進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，算法可有效降低時(shí)間觸發(fā)、事件觸發(fā)幀的端到端延遲上界，保證時(shí)鐘同步幀、高優(yōu)先級(jí)周期觸發(fā)幀的確定性，同時(shí)滿足低優(yōu)先級(jí)周期觸發(fā)幀的帶寬要求。

箭載電氣系統(tǒng)；調(diào)度算法；網(wǎng)絡(luò)演算；網(wǎng)絡(luò)性能

引 言

當(dāng)前我國運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)多按功能劃分為若干分系統(tǒng)，如遙測(cè)、外安、控制、利用、故檢等，各分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)[1]。此體制雖已高度成熟，然系統(tǒng)間接口復(fù)雜，電纜網(wǎng)沉重，帶寬有限，集成度較低，拓展性較差[2]。智能控制等先進(jìn)技術(shù)尚處攻關(guān)或初期研究試驗(yàn)階段[3]，作為“智慧火箭”的基礎(chǔ)，研制應(yīng)用基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的箭載電氣系統(tǒng)迫在眉睫。其中，交換機(jī)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵膯螜C(jī)，調(diào)度算法是交換機(jī)的核心技術(shù)，算法優(yōu)劣將決定交換機(jī)延遲等性能的高低[4]。研究一種滿足箭載電氣系統(tǒng)特點(diǎn)與要求的調(diào)度算法至關(guān)重要。

1 箭載電氣系統(tǒng)拓?fù)浼皵?shù)據(jù)流

箭載電氣系統(tǒng)由箭載終端NT（Network Terminal）和箭載網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)NSW（Network Switch）構(gòu)成。飛行階段中，各級(jí)箭載終端連接至本級(jí)箭載交換機(jī)，每級(jí)兩臺(tái)箭載交換機(jī)相連且互為冗余，不同級(jí)箭載交換機(jī)通過級(jí)間分離插頭互聯(lián)互通。此種交換式星型拓?fù)湓诩?jí)聯(lián)狀態(tài)下可保證運(yùn)載火箭在飛行過程中的逐級(jí)分離動(dòng)作不會(huì)影響上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

飛行階段主要傳輸高確定性的周期性消息，如采樣率固定的傳感器數(shù)據(jù)，此類消息要求高實(shí)時(shí)性，且不允許丟失數(shù)據(jù)包；此外，還存在非周期消息，如控制指令，其產(chǎn)生與否及數(shù)據(jù)量大小隨飛行任務(wù)動(dòng)態(tài)變化，且延遲要求很高。因此飛行階段宜將一臺(tái)終端或交換機(jī)配置為網(wǎng)絡(luò)控制器NC（Network Controller），由其遵循調(diào)度表對(duì)各終端周期性消息進(jìn)行周期調(diào)度，同時(shí)支持事件觸發(fā)的非周期消息以更高優(yōu)先級(jí)完成調(diào)度。

地面測(cè)試階段除包含箭載交換機(jī)和箭載終端外，還包含地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，各級(jí)終端數(shù)據(jù)可經(jīng)多級(jí)交換機(jī)由地測(cè)通信接口下傳至地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)。地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)與箭載電氣系統(tǒng)之間存在頻繁的數(shù)據(jù)交互，且報(bào)文種類復(fù)雜。箭載電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D見圖1。

通過拓?fù)浼皵?shù)據(jù)流分析，調(diào)度算法須滿足工作階段不同、觸發(fā)方式不同、優(yōu)先級(jí)不同、數(shù)據(jù)量不同的混合變數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)、確定、可靠傳輸。

圖1 箭載電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 交換機(jī)調(diào)度模型

2 時(shí)分制指令/響應(yīng)型周期優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法

為滿足上述箭載電氣系統(tǒng)要求，本文提出一種時(shí)分制指令/響應(yīng)型周期優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。

2.1 交換機(jī)調(diào)度模型

2.2 調(diào)度算法說明

2.2.1 幀定義

調(diào)度算法的幀定義列于表1。

表1 幀定義

2.2.2 調(diào)度周期

一個(gè)總線周期由確定調(diào)度段和競(jìng)爭(zhēng)調(diào)度段組成，如圖3所示，由網(wǎng)絡(luò)控制器NC根據(jù)自身時(shí)鐘觸發(fā)SOH幀、SOL幀控制切換。調(diào)度流程如下：

① NC廣播SOH幀，總線進(jìn)入確定調(diào)度段；

② NC遵循自身調(diào)度表依次向各NT發(fā)送syn時(shí)鐘同步幀，NT收到后回復(fù)syn_resp事件觸發(fā)報(bào)文；

③ NC遵循自身調(diào)度表執(zhí)行周期調(diào)度C2T和T2T，NT收到后回復(fù)數(shù)據(jù)報(bào)文用于重傳判定；

④若NT有重要事件觸發(fā)，產(chǎn)生T2C幀，等待當(dāng)前周期調(diào)度C2T或T2T結(jié)束后立刻執(zhí)行；

⑤ NC廣播SOL幀，總線進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)調(diào)度段；

⑥各NT遵循自身調(diào)度表發(fā)送DT消息?？偩€出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空時(shí)，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列方可發(fā)送，同一優(yōu)先級(jí)隊(duì)列遵循FIFO；

⑦為防止SOH幀廣播受到干擾，在距下一周期開始前固定時(shí)間，各NT停止發(fā)送DT，總線恢復(fù)靜默。

圖3 調(diào)度周期

3 算法實(shí)時(shí)性分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)演算

定義1[7]廣義遞增函數(shù)集合。若為廣義遞增函數(shù)集合，則

定義3[7]累積函數(shù)。累積函數(shù)()為一個(gè)數(shù)據(jù)流在時(shí)間段[0,]內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量總和。

3.2 實(shí)時(shí)性分析

表2 符號(hào)說明

為分析某一優(yōu)先級(jí)幀的服務(wù)曲線，做以下兩個(gè)最差情況假設(shè)：

①同一時(shí)隙交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀全部為該幀可能出現(xiàn)的最大幀長(zhǎng)；

②屬于同一輸出端口的更高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列全部有數(shù)據(jù)幀到達(dá)。

在上述假設(shè)條件下，單節(jié)點(diǎn)交換機(jī)的服務(wù)曲線為

由定理2，隊(duì)列長(zhǎng)度

由定理3，排隊(duì)延遲

由實(shí)時(shí)性分析可知，隊(duì)列長(zhǎng)度、排隊(duì)延遲與交換機(jī)端口及物理介質(zhì)傳輸速率負(fù)相關(guān)，與數(shù)據(jù)幀生成速率正相關(guān)。時(shí)間觸發(fā)幀SOH/SOL的排隊(duì)延遲不確定度不受其他幀影響；事件觸發(fā)幀的排隊(duì)延遲不確定度僅受其本級(jí)幀及SOH/SOL幀長(zhǎng)度影響；NC遵循調(diào)度表對(duì)周期觸發(fā)幀實(shí)行時(shí)分制指令/響應(yīng)型調(diào)度，帶寬充裕條件下不會(huì)導(dǎo)致幀的積壓，其排隊(duì)延遲不確定度僅受更高優(yōu)先級(jí)幀及本級(jí)幀長(zhǎng)度影響。

4 數(shù)值仿真驗(yàn)證

本文使用Matlab/Simulink/Simevents搭建了與圖1相符的箭載電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。為驗(yàn)證本調(diào)度算法性能及其與理論實(shí)時(shí)性的契合度，以不同類型幀的排隊(duì)延遲為目標(biāo)函數(shù)，分別以事件觸發(fā)幀生成頻率、全網(wǎng)報(bào)文總生成速率、固定帶寬下事件觸發(fā)幀長(zhǎng)度、FIFO調(diào)度下全網(wǎng)報(bào)文總生成速率為自變量，采用控制變量法，共設(shè)置12種參數(shù)配置。以全網(wǎng)報(bào)文總生成速率600Mb/s為例，主要參數(shù)配置如表3所示。其中總線周期繼承當(dāng)前遙測(cè)體制總幀周期，設(shè)為25ms。=1000Mb/s。

表3 參數(shù)配置表

仿真結(jié)果如圖5~圖8所示。

圖5 事件觸發(fā)頻率對(duì)排隊(duì)延遲的影響

圖6 報(bào)文總生成速率對(duì)排隊(duì)延遲的影響

圖7 固定帶寬下事件報(bào)文長(zhǎng)度對(duì)排隊(duì)延遲的影響

圖8 FIFO調(diào)度下報(bào)文總生成速率對(duì)排隊(duì)延遲的影響

由圖5、圖7可知，由于時(shí)間觸發(fā)幀優(yōu)先級(jí)最高且設(shè)置靜默期，其不受事件觸發(fā)幀的頻率、長(zhǎng)度影響；周期調(diào)度幀排隊(duì)延遲與事件觸發(fā)幀頻率呈正相關(guān)，且受事件幀長(zhǎng)影響更大；事件觸發(fā)幀排隊(duì)延遲與其本身頻率呈正相關(guān)；競(jìng)爭(zhēng)調(diào)度幀排隊(duì)延遲與事件觸發(fā)幀頻率、長(zhǎng)度呈正相關(guān)，且受事件幀長(zhǎng)影響更大。由圖6、圖8可知，當(dāng)總線利用率不高時(shí)，時(shí)間觸發(fā)幀排隊(duì)延遲為0，但當(dāng)總線過載時(shí)，靜默期不足以處理完隊(duì)列中所有報(bào)文，時(shí)間觸發(fā)幀需等待當(dāng)前幀處理完畢，因而導(dǎo)致排隊(duì)延遲。與FIFO相比，本文調(diào)度機(jī)制在總線擁塞時(shí)可有效降低事件觸發(fā)幀的排隊(duì)延遲，其在報(bào)文總生成速率為200Mb/s時(shí)可降低47%，600Mb/s時(shí)可降低50.2%，1200Mb/s時(shí)可降低88.7%。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合箭載電氣系統(tǒng)應(yīng)用背景，提出一種時(shí)分制指令/響應(yīng)型周期優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)演算理論推導(dǎo)出單個(gè)交換機(jī)及交換機(jī)級(jí)聯(lián)時(shí)服務(wù)曲線、排隊(duì)延遲上界。采用Matlab進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果表明本算法可有效降低時(shí)間觸發(fā)、事件觸發(fā)幀的端到端延遲上界，保證時(shí)鐘同步幀、高優(yōu)先級(jí)周期觸發(fā)幀的確定性，滿足低優(yōu)先級(jí)周期觸發(fā)幀的帶寬要求，為未來型號(hào)電氣系統(tǒng)工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。下一步需根據(jù)全網(wǎng)時(shí)鐘同步算法、數(shù)據(jù)綜合實(shí)現(xiàn)、級(jí)間分離時(shí)調(diào)度表切換等要求繼續(xù)改進(jìn)完善調(diào)度算法。

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Mixed data stream's scheduling algorithm applied to carrier rocket's electrical system

GUO Chong, LAN Kun, WANG Xinglai

（Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China）

The scheduling algorithm used in carrier rocket's electrical system switches is studied. A time-division command/response periodic priority scheduling algorithm is proposed, and its real time performance is analyzed baesd on the network calculus theory. A network model of the carrier rocket's electrical system is built. By setting different independent variables and comparing the network performance with FIFO scheduling method, this algorithm is proved to effectively reduce the end-to-end upper delay bounds of time-triggered frames and event-triggered frames, guarantee the determinacy of clock-synchronization frames and high priority period-triggered frames, and meet the bandwidth requirements of low priority period-triggered frames.

Carrier rocket's electrical system; Scheduling algorithm; Network calculus; Network performance

V442

A

CN11-1780(2019)02-0063-06

2018-12-20

2019-01-20

郭 沖 1994年生，碩士研究生在讀，主要從事箭載電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步與實(shí)時(shí)調(diào)度算法研究。

藍(lán) 鯤 1976年生，博士，研究員，主要從事航天器測(cè)量通信與測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究。

王星來 1970年生，博士，研究員，主要從事航天器測(cè)控通信總體技術(shù)研究。