機載及車載自適應(yīng)柔性控制互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

邱 征，孫靖國，代 真

(1.中國航空工業(yè)集團公司第六三一研究所，陜西 西安 710065；2.中航工業(yè)成都飛機設(shè)計研究所，四川 成都 610091)

機載/車載網(wǎng)絡(luò)是裝備“使能運行、保障任務(wù)”的關(guān)鍵，涉及飛機、火炮電子系統(tǒng)的信息融合，是系統(tǒng)交聯(lián)的“神經(jīng)中樞”。目前，A380、B787、A400M采用AFDX網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)、機電主干網(wǎng)，采用422、429作為飛控主總線[1]。F-35采用FC網(wǎng)絡(luò)作為信息主干網(wǎng)，采用1394B作為飛管總線。美軍以下一代裝甲VICTORY計劃采用GE車電萬兆實時以太網(wǎng)平臺，寶馬、奧迪采用時間敏感以太網(wǎng)TSN作為車載主干網(wǎng)。

目前綜合化架構(gòu)下[2]，為了保證機載/車載系統(tǒng)混合關(guān)鍵業(yè)務(wù)的統(tǒng)一、實時、可靠、確定傳輸，采用增強網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式。AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議上增加余度管理、虛擬鏈路、帶寬分配隔離、流量管制、靜態(tài)路由等機制提高保證業(yè)務(wù)隔離、確定傳輸，限制故障傳播，支持任務(wù)、機電系統(tǒng)綜合[3]。同時，在AFDX協(xié)議基礎(chǔ)上擴展EDE協(xié)議，提高混合關(guān)鍵業(yè)務(wù)競爭下的信息內(nèi)容、次序、時間完整傳輸能力，支持控制系統(tǒng)綜合。FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在傳統(tǒng)光纖通信協(xié)議上增加信用、余度管理、優(yōu)先級等機制支持信息系統(tǒng)綜合[4]。TTE/TSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在AFDX協(xié)議基礎(chǔ)上擴展高精度分布式容錯時間同步機制，支持任務(wù)、控制、機電系統(tǒng)的綜合[5]。綜合化架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)存在以下問題：

1)網(wǎng)絡(luò)成為故障傳播和蔓延的通道。網(wǎng)絡(luò)面向所有的功能、安全等級、優(yōu)先級開放，系統(tǒng)故障通過網(wǎng)絡(luò)在不同的功能系統(tǒng)之間傳播，具備隱蔽性，綜合難度大。

2)故障自愈能力低。應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計高度耦合，系統(tǒng)控制復(fù)雜。任務(wù)動態(tài)遷移，網(wǎng)絡(luò)配置切換時間長、代價大。

3)即插即用能力低。系統(tǒng)擴展新節(jié)點，必須修改網(wǎng)絡(luò)配置表，節(jié)點才能接入網(wǎng)絡(luò)。

4)系統(tǒng)擴展性不好。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議業(yè)務(wù)編排復(fù)雜，需要關(guān)聯(lián)和預(yù)先定義規(guī)劃所有消息，難以適應(yīng)節(jié)點和業(yè)務(wù)持續(xù)增加，且不具備繼承性。

傳統(tǒng)機載/車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核心問題在于試圖將控制命令、任務(wù)數(shù)據(jù)、音視頻流等不同系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求壓縮到同一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議平面解決，使得機載/車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計復(fù)雜、耦合度高，在同一網(wǎng)絡(luò)平面上構(gòu)建面向所有業(yè)務(wù)需求的協(xié)議服務(wù)超集，遠大于某一單點的實際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求。同時存在物理連接固定、信息路由靜態(tài)、業(yè)務(wù)規(guī)劃僵硬、互聯(lián)范圍封閉、交聯(lián)規(guī)模有限、組網(wǎng)故障單點、能力構(gòu)成確定的限制，限制體系互聯(lián)下機載/車載網(wǎng)絡(luò)靈活、動態(tài)、開放的能力。

下一代裝備電子系統(tǒng)綜合要求在全域異構(gòu)環(huán)境下實現(xiàn)基于可變拓撲結(jié)構(gòu)的機載/車載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。裝備電子系統(tǒng)通過可變拓撲、透明化、即插即用的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)互聯(lián)，滿足機內(nèi)任務(wù)、控制、管理、維護、精確同步等多種應(yīng)用的通信要求，支持緊急、事件、周期、流傳輸?shù)然旌蠘I(yè)務(wù)實時可靠與確定傳輸，具有簡單、高效、透明、靈活的特點。

1 IAFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對未來機載/車載網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、機電、飛控等系統(tǒng)綜合，筆者提出一種新型機載接口自適應(yīng)及柔性控制數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)(The IAFC Network)。構(gòu)建一種新型的全域異構(gòu)、動態(tài)自適應(yīng)接入、柔性包容、混合多平面多模態(tài)，滿足多層級業(yè)務(wù)需求的機載互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)面向不同用戶的業(yè)務(wù)及其服務(wù)質(zhì)量要求，提供不同網(wǎng)絡(luò)切片，將控制、任務(wù)、管理、維護網(wǎng)絡(luò)平面分離，降低不同業(yè)務(wù)之間耦合、避免故障在共享信息通路中傳播與蔓延，滿足系統(tǒng)按需免配置動態(tài)接入，完成跨任務(wù)域、混合多業(yè)務(wù)實時可靠有序通信要求。

IAFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由核心主干網(wǎng)、接入支線網(wǎng)、終端末梢網(wǎng)組成，如圖1所示，其特點：

1)滿足多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理鏈路，實現(xiàn)機載/車載網(wǎng)絡(luò)全連通。

2)為綜合化系統(tǒng)提供低延遲、高確定、高精度時間同步的能力。

3)采用主干網(wǎng)、支線網(wǎng)、末梢網(wǎng)分級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。主干網(wǎng)采用超高速、大容量交換網(wǎng)絡(luò)，提供高速、高可靠、大容量傳輸服務(wù)。支線網(wǎng)采用支持不同任務(wù)等級、安全等級、業(yè)務(wù)類型的專用總線，滿足功能終端接入。末梢網(wǎng)采用無線接入方式，滿足局部前端微型分布式組件即插即用和集群互聯(lián)要求。

4)提供通用網(wǎng)絡(luò)控制接口，支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)備的快速接入。

5)采用具備智能路由控制功能的分級網(wǎng)絡(luò)交互節(jié)點，可實現(xiàn)通信路徑學(xué)習(xí)優(yōu)化、最優(yōu)通道動態(tài)分配。

主干網(wǎng)作為核心網(wǎng)絡(luò)，是連接射頻傳感器域、機電域、外掛域、控制域、座艙域的信息橋梁，可提供超高速數(shù)據(jù)傳輸容量(40～100 Gbit/s)、高可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，主干網(wǎng)一般使用光纖交換技術(shù)，具備高實時性特點，可支持不同業(yè)務(wù)類型、安全等級、任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的混合傳輸。在圖1中核心主干網(wǎng)以粗實色連接線表示。

支線網(wǎng)作為主要接入網(wǎng)絡(luò)，是各功能域與核心主干網(wǎng)之間連接的信息通路，它是功能域內(nèi)部各傳感器、處理器、執(zhí)行器的對外(主干網(wǎng))信息接口，在物理上一個功能域可以包含一個或多個接入支線，提供快速(1～400 Mbit/s)及高可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如1394B[6]、MIL-STD-1553B[7]總線等，通過提供不同接入控制服務(wù)，支持控制、任務(wù)、管理、維護數(shù)據(jù)的隔離。支線網(wǎng)為終端設(shè)備提供自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，滿足設(shè)備快速接入要求。在圖1中接入支線網(wǎng)以虛線表示。

末梢網(wǎng)面對大量任務(wù)、機電功能終端，是連接功能域內(nèi)部一組具有相似功能、空間部署相鄰、具有較強邏輯關(guān)系節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，面向傳感器、執(zhí)行器終端，例如發(fā)動機系統(tǒng)中的一組溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等傳感器可組成一個末梢網(wǎng)。其組網(wǎng)形式靈活，可以按需采用無線、交換式或總線型網(wǎng)絡(luò)[8]。在同一個末梢網(wǎng)中的各設(shè)備可以互相交互信息，并通過網(wǎng)關(guān)進行信息的匯聚和遠距離傳輸，在同一功能域中的設(shè)備信息交互可以通過接入支線網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，不同功能域的終端信息交互需要通過接入支線網(wǎng)、主干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，在圖1中以點劃線表示：

1)射頻、光電、座艙終端系統(tǒng)采用無線柵格網(wǎng)，中心頻點采用60 GHz，通過擴展多余度無線接入功能、任意節(jié)點直接通信、無邏輯中心點等機制支持裝備電子系統(tǒng)動態(tài)互聯(lián)、即插即用、無中心自組織，將中、高速數(shù)據(jù)(100 Mbit/s～1 Gbit/s)通過接入支線網(wǎng)進行匯聚處理。

2)機電傳感采集終端采用低速總線及無線傳感網(wǎng)，將低速數(shù)據(jù)(1～250 Kbit/s)匯聚到遠程接口單元，進入接入支線網(wǎng)匯聚處理。

3)外掛、控制、大氣、慣導(dǎo)等終端系統(tǒng)采用強實時高安全有線網(wǎng)，將低速數(shù)據(jù)通過接入支線網(wǎng)進行匯聚處理。

2 IAFC網(wǎng)絡(luò)特征

為實現(xiàn)全域異構(gòu)、動態(tài)自適應(yīng)接入、柔性包容、混合多平面多模態(tài)，滿足多層級業(yè)務(wù)需求的裝備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。IAFC網(wǎng)絡(luò)需具備以下特征：

1)業(yè)務(wù)管理：提供任務(wù)、機電、控制多體系互聯(lián)，承載關(guān)鍵、重要、緊急、一般、適時(盡力而為)的混合業(yè)務(wù)動態(tài)管理。

2)設(shè)備互聯(lián)：滿足全域異構(gòu)多平面柔性互聯(lián)，保證控制、任務(wù)、管理、維護業(yè)務(wù)分離。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由核心主干網(wǎng)、接入支線網(wǎng)、終端末梢網(wǎng)級聯(lián)組成。

3)智能接口：采用規(guī)范化總線控制接口，高效率通道式數(shù)據(jù)交換，具備總線資源自主調(diào)配與優(yōu)化控制能力。實現(xiàn)基于需求的動態(tài)自適應(yīng)接入與資源分配。通過語義描述對網(wǎng)絡(luò)的使用需求，包括帶寬、應(yīng)用模式、安全等級、業(yè)務(wù)類型、傳輸可靠性與確定性等需求，即可動態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)、分享網(wǎng)絡(luò)資源。

4)傳輸優(yōu)化：基于統(tǒng)一、通用、標準虛擬接口的透明傳輸控制。機載全域異構(gòu)柔性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對接入系統(tǒng)提供統(tǒng)一、通用、標準的虛擬接口，支持系統(tǒng)對虛擬化的網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)透明訪問，同時實現(xiàn)對裝備電子系統(tǒng)邏輯資源、物理資源的分配、跨域調(diào)度、回收等管理，實時平衡終端通信資源，建立最優(yōu)通信通道。

5)通道適配：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的柔性智能匹配。采用分布式感知與處理方式，機載全域異構(gòu)柔性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸服務(wù)段支持跨平面總線間鏈路及數(shù)據(jù)包協(xié)議的元數(shù)據(jù)智能實時動態(tài)解析轉(zhuǎn)換，分布式虛擬化網(wǎng)絡(luò)管理段支持跨平面網(wǎng)絡(luò)地址的實時翻譯適配，建立動態(tài)傳輸通道，引導(dǎo)并實現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)載荷在不同總線傳輸通道中高效、可靠傳遞。

6)數(shù)據(jù)監(jiān)控：基于數(shù)據(jù)生成源控制，采用自主管理，主動監(jiān)控。實現(xiàn)大流量并發(fā)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的精準監(jiān)控和按需獲取。

3 IAFC網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)機載/車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，是基于對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的預(yù)先分析，對系統(tǒng)資源(如鏈路、消息ID、源端口和目的端口等)進行規(guī)劃、配置，用戶需要提供詳細的網(wǎng)絡(luò)需求，以便根據(jù)既定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)適配系統(tǒng)自身。這一設(shè)計必須針對多種不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議單獨制定接口控制文件，規(guī)范每一條信息的長度、周期、實時性要求等，限制較為嚴格，當(dāng)新增設(shè)備后需重新規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)配置表，動態(tài)擴展能力較弱。

可以將包含多種不同物理形式的裝備全域網(wǎng)絡(luò)視為一個整體，定義基于需求的動態(tài)自適應(yīng)接入與資源分配方法，包括物理網(wǎng)絡(luò)層、虛擬接口層、需求語義層和應(yīng)用層，如圖2所示。

3.1 物理網(wǎng)絡(luò)層

物理網(wǎng)絡(luò)層指混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)、參數(shù)以及各網(wǎng)絡(luò)自身的地址和傳輸協(xié)議等。光纖物理層非常成熟，無線采用毫米波射頻60 GHz，其特點是：

1)波長短，傳輸空間理論損耗高，1 m距離空間理論損耗：60 GHz損耗為68 dB；而2.4 GHz損耗為40 dB，相差28 dB.

2)空氣中傳輸存在吸收峰：空氣傳輸60 GHz存在氧氣吸收峰值，達到15 dB/km；而以60±8 GHz的氧氣衰減為10 dB/km.

因此，采用60 GHz頻點作為機載抗干擾、抗偵聽傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，具有如下優(yōu)點：在同功率條件下通信距離近，利于空間隔離、復(fù)用和保密；可用頻帶寬，利于實現(xiàn)高速率通信；利用寬頻帶實現(xiàn)高速率通信，功率譜密度低，利于抗偵查；波長短，天線小，利于一體化集成和穿戴式應(yīng)用；波長短，利于實現(xiàn)高增益陣列天線，降低發(fā)射功率；利于波束電掃功能集成，進一步提高抗偵查和抗干擾性能。

3.2 虛擬接口層

虛擬接口層建立在物理網(wǎng)絡(luò)之上，它可使用通用、標準的規(guī)范將機載全域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一到一個邏輯平面，提供涵蓋所有網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一地址，支持系統(tǒng)對虛擬化的網(wǎng)絡(luò)資源透明訪問，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)邏輯資源、物理資源的分配、調(diào)度、回收，利用對已有通信數(shù)據(jù)的智能分析與管理，實時終端通信資源平衡，建立最優(yōu)通信路徑。虛擬接口層包括統(tǒng)一的IP地址、虛擬通道、邏輯端口。虛擬接口層需要為自適應(yīng)接入的裝備電子系統(tǒng)動態(tài)分配可用通道、端口等邏輯資源，同時實現(xiàn)邏輯資源到具體網(wǎng)絡(luò)物理資源的映射。

表1給出了機載/車載網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一地址定義的示例，虛擬接口層將不同網(wǎng)絡(luò)域的物理設(shè)備統(tǒng)一編址，支持邏輯IP到具體設(shè)備、消息到物理鏈路的映射。在虛擬接口平面上，機載/車載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)交聯(lián)抽象為一個連通圖，通信消息將抽象為圖中的點，物理鏈路將抽象為點-點的邊，網(wǎng)絡(luò)中端-端的傳輸將轉(zhuǎn)化為圖路徑規(guī)劃問題[9-10]。

表1 裝備電子系統(tǒng)設(shè)備地址定義

將所有的設(shè)備統(tǒng)一到一個地址空間，不必關(guān)注具體接入的網(wǎng)絡(luò)。除地址映射外，虛擬接口層需要為上層應(yīng)用提供邏輯鏈路到物理鏈路的轉(zhuǎn)換，由于不存在預(yù)先制定好的信息傳輸路徑，虛擬接口層必須估計和存儲物理鏈路上的信息傳輸參數(shù)，以使得新申請的數(shù)據(jù)傳輸能夠被滿足。

3.3 需求語義層

需求語義層定義用戶對網(wǎng)絡(luò)的使用需求(包括帶寬、應(yīng)用模式、安全等級、業(yè)務(wù)類型、傳輸可靠性與確定性等需求)，在網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)與協(xié)議的基礎(chǔ)上，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的抽象語義表達，將用戶的需求拆分成獨立的子項，并根據(jù)子項的特征分類進行數(shù)學(xué)表示，將其定義成無量綱的參數(shù)與約束條件，對網(wǎng)絡(luò)使用需求進行建模，解決有約束下路徑選擇問題。

3.4 接入需求層

接入需求層指定當(dāng)前節(jié)點信息的需求語義、統(tǒng)一的目的地址即可完成一次信息的傳輸，根據(jù)接入需求層模型及約束，信息傳輸路徑由虛擬接口層通過連通圖、參數(shù)以及資源使用情況即時規(guī)劃確定最終的物理傳輸路徑，完成信息的發(fā)送。

4 數(shù)據(jù)傳輸示例

圖1是IAFC網(wǎng)絡(luò)的示意圖。其中主干網(wǎng)絡(luò)采用了高速FC總線，支線網(wǎng)采用了1394B、1553B，末梢網(wǎng)采用了422、無線，通過IAFC接口互聯(lián)形成了機載全域網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)大氣機A的數(shù)據(jù)送往顯示系統(tǒng)B，可將機載/車載網(wǎng)絡(luò)抽象為圖G=(V,E)，其中V表示機載/車載網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點的集合，即V={v1,v2,…,vn}，E表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間邊的集合，節(jié)點間的每條鏈路e(i,j)∈E.此時數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化為在圖G=(V,E)中尋找A到B的路徑P(A,B).

定義i與j之間的鏈路所具備的能力和當(dāng)前運行時的狀態(tài)為

w(i,j)={bij,pij,sij,αij(t),mij,…},

(1)

式中：bij為節(jié)點i與j之間的傳輸帶寬；sij為節(jié)點i與j之間安全等級；pij為節(jié)點i與j之間鏈路傳輸?shù)淖畲笳`碼率；αij(t) 為節(jié)點i與j之間鏈路傳輸?shù)牧髁坷鄯e上限函數(shù)；mij為節(jié)點i與j之間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式，mij=0為支持時間觸發(fā)模式，mij=1為事件觸發(fā)模式。

則有

(2)

在圖2中，假設(shè)鏈路w(a,b)的鏈路安全等級較低，鏈路w(c,d)安全性較高。鏈路除安全等級外其余屬性相同，則有：

1)著重考慮端到端傳輸速率，則應(yīng)選擇最短路徑P(A,B).

2)著重考慮傳輸安全性，則應(yīng)選擇高安全性路徑P(A,B)′.

可見，在用戶不同的需求下，IAFC網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)不同約束條件進行綜合權(quán)值計算，選擇出最優(yōu)傳輸路徑。

5 結(jié)束語

通過分析機載/車載網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀以及發(fā)展方向，提出一種自適應(yīng)及柔性控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)在統(tǒng)一的虛擬接口平面上實現(xiàn)端到端的傳輸，用戶無需關(guān)心具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、接口、路由、配置，而是關(guān)心網(wǎng)絡(luò)在帶寬、應(yīng)用模式、安全等級、業(yè)務(wù)類型、傳輸可靠性與確定性等的接入需求。針對不同應(yīng)用需求，虛擬接口層可根據(jù)不同約束條件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲，再通過計算網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的綜合權(quán)值，選擇最優(yōu)傳輸路徑，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計和綜合的過程，實現(xiàn)了端到端(P2P)透明傳輸，能夠滿足未來任務(wù)、機電、控制等系統(tǒng)綜合的需要。