适用于箭载电气系统的混合数据流调度算法

郭 冲，蓝 鲲，王星来



适用于箭载电气系统的混合数据流调度算法

郭 冲，蓝 鲲，王星来

（北京宇航系统工程研究所 北京 100076）

针对箭载电气系统，提出一种时分制指令/响应型周期优先级调度算法，并运用网络演算理论分析其实时性。使用Matlab搭建箭载电气系统网络模型，设置不同自变量并与FIFO进行对比。结果表明，算法可有效降低时间触发、事件触发帧的端到端延迟上界，保证时钟同步帧、高优先级周期触发帧的确定性，同时满足低优先级周期触发帧的带宽要求。

箭载电气系统；调度算法；网络演算；网络性能

引 言

当前我国运载火箭电气系统多按功能划分为若干分系统，如遥测、外安、控制、利用、故检等，各分系统独立设计[1]。此体制虽已高度成熟，然系统间接口复杂，电缆网沉重，带宽有限，集成度较低，拓展性较差[2]。智能控制等先进技术尚处攻关或初期研究试验阶段[3]，作为“智慧火箭”的基础，研制应用基于网络技术的箭载电气系统迫在眉睫。其中，交换机是数据传输的核心单机，调度算法是交换机的核心技术，算法优劣将决定交换机延迟等性能的高低[4]。研究一种满足箭载电气系统特点与要求的调度算法至关重要。

1 箭载电气系统拓扑及数据流

箭载电气系统由箭载终端NT（Network Terminal）和箭载网络交换机NSW（Network Switch）构成。飞行阶段中，各级箭载终端连接至本级箭载交换机，每级两台箭载交换机相连且互为冗余，不同级箭载交换机通过级间分离插头互联互通。此种交换式星型拓扑在级联状态下可保证运载火箭在飞行过程中的逐级分离动作不会影响上层网络数据传输。

飞行阶段主要传输高确定性的周期性消息，如采样率固定的传感器数据，此类消息要求高实时性，且不允许丢失数据包；此外，还存在非周期消息，如控制指令，其产生与否及数据量大小随飞行任务动态变化，且延迟要求很高。因此飞行阶段宜将一台终端或交换机配置为网络控制器NC（Network Controller），由其遵循调度表对各终端周期性消息进行周期调度，同时支持事件触发的非周期消息以更高优先级完成调度。

地面测试阶段除包含箭载交换机和箭载终端外，还包含地面测发控系统，各级终端数据可经多级交换机由地测通信接口下传至地面测发控系统。地面测发控系统与箭载电气系统之间存在频繁的数据交互，且报文种类复杂。箭载电气系统网络拓扑示意图见图1。

通过拓扑及数据流分析，调度算法须满足工作阶段不同、触发方式不同、优先级不同、数据量不同的混合变数据流的实时、确定、可靠传输。

图1 箭载电气系统网络拓扑

图2 交换机调度模型

2 时分制指令/响应型周期优先级调度算法

为满足上述箭载电气系统要求，本文提出一种时分制指令/响应型周期优先级调度算法。

2.1 交换机调度模型

2.2 调度算法说明

2.2.1 帧定义

调度算法的帧定义列于表1。

表1 帧定义

2.2.2 调度周期

一个总线周期由确定调度段和竞争调度段组成，如图3所示，由网络控制器NC根据自身时钟触发SOH帧、SOL帧控制切换。调度流程如下：

① NC广播SOH帧，总线进入确定调度段；

② NC遵循自身调度表依次向各NT发送syn时钟同步帧，NT收到后回复syn_resp事件触发报文；

③ NC遵循自身调度表执行周期调度C2T和T2T，NT收到后回复数据报文用于重传判定；

④若NT有重要事件触发，产生T2C帧，等待当前周期调度C2T或T2T结束后立刻执行；

⑤ NC广播SOL帧，总线进入竞争调度段；

⑥各NT遵循自身调度表发送DT消息。总线出现竞争时，高优先级队列为空时，低优先级队列方可发送，同一优先级队列遵循FIFO；

⑦为防止SOH帧广播受到干扰，在距下一周期开始前固定时间，各NT停止发送DT，总线恢复静默。

图3 调度周期

3 算法实时性分析

3.1 网络演算

定义1[7]广义递增函数集合。若为广义递增函数集合，则

定义3[7]累积函数。累积函数()为一个数据流在时间段[0,]内传输的数据量总和。

3.2 实时性分析

表2 符号说明

为分析某一优先级帧的服务曲线，做以下两个最差情况假设：

①同一时隙交换机转发的数据帧全部为该帧可能出现的最大帧长；

②属于同一输出端口的更高优先级队列全部有数据帧到达。

在上述假设条件下，单节点交换机的服务曲线为

由定理2，队列长度

由定理3，排队延迟

由实时性分析可知，队列长度、排队延迟与交换机端口及物理介质传输速率负相关，与数据帧生成速率正相关。时间触发帧SOH/SOL的排队延迟不确定度不受其他帧影响；事件触发帧的排队延迟不确定度仅受其本级帧及SOH/SOL帧长度影响；NC遵循调度表对周期触发帧实行时分制指令/响应型调度，带宽充裕条件下不会导致帧的积压，其排队延迟不确定度仅受更高优先级帧及本级帧长度影响。

4 数值仿真验证

本文使用Matlab/Simulink/Simevents搭建了与图1相符的箭载电气系统网络模型。为验证本调度算法性能及其与理论实时性的契合度，以不同类型帧的排队延迟为目标函数，分别以事件触发帧生成频率、全网报文总生成速率、固定带宽下事件触发帧长度、FIFO调度下全网报文总生成速率为自变量，采用控制变量法，共设置12种参数配置。以全网报文总生成速率600Mb/s为例，主要参数配置如表3所示。其中总线周期继承当前遥测体制总帧周期，设为25ms。=1000Mb/s。

表3 参数配置表

仿真结果如图5~图8所示。

图5 事件触发频率对排队延迟的影响

图6 报文总生成速率对排队延迟的影响

图7 固定带宽下事件报文长度对排队延迟的影响

图8 FIFO调度下报文总生成速率对排队延迟的影响

由图5、图7可知，由于时间触发帧优先级最高且设置静默期，其不受事件触发帧的频率、长度影响；周期调度帧排队延迟与事件触发帧频率呈正相关，且受事件帧长影响更大；事件触发帧排队延迟与其本身频率呈正相关；竞争调度帧排队延迟与事件触发帧频率、长度呈正相关，且受事件帧长影响更大。由图6、图8可知，当总线利用率不高时，时间触发帧排队延迟为0，但当总线过载时，静默期不足以处理完队列中所有报文，时间触发帧需等待当前帧处理完毕，因而导致排队延迟。与FIFO相比，本文调度机制在总线拥塞时可有效降低事件触发帧的排队延迟，其在报文总生成速率为200Mb/s时可降低47%，600Mb/s时可降低50.2%，1200Mb/s时可降低88.7%。

5 结束语

本文结合箭载电气系统应用背景，提出一种时分制指令/响应型周期优先级调度算法，运用网络演算理论推导出单个交换机及交换机级联时服务曲线、排队延迟上界。采用Matlab进行数值仿真，结果表明本算法可有效降低时间触发、事件触发帧的端到端延迟上界，保证时钟同步帧、高优先级周期触发帧的确定性，满足低优先级周期触发帧的带宽要求，为未来型号电气系统工程应用提供了理论依据。下一步需根据全网时钟同步算法、数据综合实现、级间分离时调度表切换等要求继续改进完善调度算法。

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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 冲 1994年生，硕士研究生在读，主要从事箭载电气系统网络时钟同步与实时调度算法研究。

蓝 鲲 1976年生，博士，研究员，主要从事航天器测量通信与测控系统总体设计研究。

王星来 1970年生，博士，研究员，主要从事航天器测控通信总体技术研究。