AFDX在航空通信系统中的应用*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

新一代航空通信系统的通信业务已经从传统的话音通信扩展为高速数据、图像、多媒体以及话音在内的多种业务，如此多元化的通信业务在航空通信系统中的集成和传输作为航空通信领域的关键专题技术，受到研究人员的广泛关注。成本低、可靠性高、扩展性强、技术完备的航空通信系统统一信息传输网络的设计关系到航空通信系统的成败。原来广泛应用的ARINC 429 总线技术正逐渐被Mil-STD-1553总线、光纤通道(Fiber Channel)、航空电子全双工交换式以太网(AFDX)/ARINC664等技术所取代，采用光纤通道、AFDX/ARINC664等技术所构建的航空通信系统统一信息传输网络在新一代航空通信系统中得到了越来越广泛的应用[1]。

2 航空通信系统信息传输网络

目前，在民航飞机的航空电子系统信息传输网络中广泛应用的信息传输总线包括ARINC429总线、Mil-STD-1553 总线、光纤通道(Fibre Channel)和航空电子全双工交换式以太网(AFDX/ARINC664)等[2]。

ARINC 429总线在空客340、波音767、麦道MD-11等大型民航飞机上广泛应用，是目前使用最广泛的商用机载数据传输网络，具有极强的稳定性和可靠性。但该技术基于单向传输总线，所采用的单发射机式组网的体系结构将会导致使用点对点的解决方案，这就需要通过大量的布线把位于飞机不同位置的各分系统连接起来，无形中增加了飞机的载荷重量。同时，其较低的数据率(高速为100 kbit/s，低速为12.5 kbit/s)也限制了该技术在当今信息世界中的应用前景。

美国军方1973年制定的Mil-STD-1553 总线标准是一种在军用航空电子系统中应用广泛的、实时性和可靠性很强的通信总线标准。Mil-STD-1553 系统体系结构所特有的实时特性使其在航空、航天等实时性要求较高的军事领域得到极其广泛的应用。但Mil-STD-1553 总线要求专用且造价昂贵的硬件设备支撑，主要包括总线控制器(Bus Control，BC)、终端(Remote Terminal，RT)和监视器(Monitor)。因此，Mil-STD-1553在民航飞机中尚未推广应用。

光纤通道(Fibre Channel)是由美国国家标准委员会(ANSI)制定的关于计算机之间以及计算机与I/O设备之间的一种开放式高速数据通信标准。光纤通道技术是一种通信协议标准，该协议采用光纤(支持铜缆)作为物理介质，实现了高速串行I/O和网络通信功能。光纤通道技术不仅满足军用航空电子较高速度和较低延迟的要求，而且可提供多种上层协议、多种拓扑、多种类型的服务，非常适合用于替代1553总线。

航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full Dup lex Switched Ethernet，AFDX)是由工业标准的以太网通信协议经过适应性改进形成的，具有相对更高的可靠性、对恶劣环境更强的适应性和更高的实时性，其传输速率可以达到100 Mbit/s，目前已经应用于先进的大型客机项目(A380、B787以及A400M军用运输机)。AFDX属于分布式体系结构，其成本低、扩展性好、技术完备等显著特点决定其将成为构筑新一代大型民航和空中作战飞机航空电子系统的基础。

3 AFDX在航空通信系统中的发展与应用

纵观航空电子系统的发展历程，从拓扑结构上来看航空电子系统分别经历了以下阶段：

(1)“独立设备”阶段：该阶段的航空电子系统每种设备均由各自独立的传感器、处理器和终端显示操作设备等完成该设备的独立功能，采用点对点的导线连接相关联的独立设备；

(2)“联合式”阶段：该阶段的航空电子系统采用标准的数据处理器来完成通信、导航、飞行控制等诸如此类的管理功能，处理器之间用时分多路总线(MIL-STD-1553B)相连接，逐步实现了航空电子系统的集中控制和统一显示，该阶段在信息流的最后环节实现了资源共享；

(3)“综合化”阶段：采用现场可更换模块完成各种信号处理和信息处理功能。这种开放式、模块化的结构便于系统容错和系统重构，同时，由于集成度增高、电路密度增加和实时数字处理增加，对数据传输网络的要求也明显增高。

信息化时代的航空电子系统对信息传输网络的综合化、可扩展性、带宽、传输实时性、可靠性等的要求越来越高，传统的以ARINC 429或 Mil-STD-1553总线构架的信息传输网络不足以达到如此高的带宽和速率等要求。20世纪90年代末期，为了满足民用航空电子系统对具有稳定性能和更高数据率的需求，同时，确保系统兼容性、发挥商用现货(COTS)硬件优势、减少设计开发成本、缩短研制周期，研究人员开始基于IEEE 802.3以太网技术研制新一代机载航空数据网络，ARINC664应运而生。

ARINC664是由工业标准以太网经过适应性改进而成的，其适应性改进主要针对抵抗大中型飞机上相对恶劣环境、提高系统可靠性、保证信息传输实时性等方面。该技术使用IP寻址技术和传输协议(TCP/UDP)的IEEE 802.3网络。

随着2005年4月27日欧洲空中客车公司(Airbus)的A380在法国图卢兹进行首次飞行，以及2007年10月首架A380交付新加坡航空公司[2]，标志着AFDX在大型飞机中得以成功应用，第一次在大型航空电子系统上实现了由传统的分立式电缆连接或共享介质的总线构架信息传输网络向交换式网络的转变，率先在大中型航空电子系统中扩大了互连信息传输网络的规模，有效提高了信息带宽，从而加强了航空电子系统的综合化程度，克服了传统航空电子系统布线复杂，维护、改型困难的缺点。

AFDX在A380和波音787的成功应用促使航空电子系统进入新的高度综合化的时代，欧美著名厂商掌握着AFDX关键技术并已实现AFDX网络交换机和端系统。而我国目前正处于大力发展大中型飞机的关键时期，深入研究AFDX对我国航空电子系统的发展及自主研究具有极其深远的意义[3-6]。

4 AFDX关键技术

AFDX网络是一种通过虚拟链路通信的，具有最大延时的能够确保带宽、最大抖动和丢失概率的确定性网络。AFDX技术基于IEEE 802.3和 TCP/IP，但是该技术采用了特殊强制实时传输策略以达到数据安全传输的特性，从而满足了航空电子系统信息传输的可靠性和确定性需求。该技术的特点主要体现在绝对寻址策略、传输定时约定、冗余管理、带宽控制、实时性保证策略、声音/图像和二进制代码同时高效传输等方面。

4.1 网络拓扑结构

采用AFDX技术，结合飞机内部的各航电子系统物理分布和功能划分，用多个交换机互联构成系统骨干交换网络，每个交换机链接不同的航电设备作为端系统接入统一信息传输网络。该网络为分布式系统，其拓扑结构图如图1所示。

图1 统一信息传输网络拓扑结构图

4.2 系统硬件设计

AFDX网络采用AFDX交换机替代传统以太网中的集线器、网桥和路由器,克服了传统以太网由于传输链路共享造成的信道冲突，主要由终端系统(End System,ES)、虚拟链路(Virtual Link)和AFDX交换机(Switch)组成。

(1)虚拟链路

定义为逻辑上的单向连接，即从一个源终端向一个或多个确定的目的终端的传输连接。每个虚拟链路都设计了一个最大带宽，而每个虚拟链接的最小包间隙(BAG) 和最大帧长( Lmax)参数决定了该虚拟链路的最大带宽。

(2)终端系统

终端系统是需要植入各实现网络连接的航空电子系统设备内部的子系统，其主要功能是完成AFDX系统数据的流量整形。终端系统首先按照定义好的配置表将AFDX系统数据流整形后形成各个虚拟链路中定义的参数(最小包间隙和最大帧长)，再经过调度混合器叠合后发送到交换机中。

(3)交换机

交换机的主要功能是完成AFDX系统数据帧的接收和转发。按照ARINC664 PART7的要求, 交换机应该具有配置表、交换功能、监控功能和仲裁过滤等功能。其虚拟链路允许一个发送端和多个接收端之间建立相互独立的数据传输链接，应用层的数据在终端系统里通过流量整形后形成虚拟链接上的数据。每一个虚拟链接的数据通过终端系统传输到交换机网络,再静态路由传输到对应的目的终端系统[7-13]。

系统连接框图如图2所示。

图2 AFDX系统连接框图

4.3 AFDX帧协议

AFDX数据帧结构如图3所示，其帧协议是在IEEE 802.3以太网协议基础开发的。与以太网帧协议不同的是：以太网协议中占6字节的目标地址被进一步划分为4字节的常数域和2字节的虚拟连接；以太网协议中的46～1 500字节的有效载荷(Payload)部分被进一步划分为20 字节的IP头、8 字节的UDP头、1～1 472字节的有效载荷部分和1字节的序列号等4个部分，详细内容参见ARINC 664 Part 7[14-15]。

图3 AFDX帧协议

5 结束语

信息化时代的航空通信系统要求寻求一种带宽高、性能稳定、传输可靠的信息传输网络，而传统的总线很难满足系统的需求。AFDX网络作为一种新型适合机载环境的信息传输网络，以其成本低、可靠性高、扩展性强、技术完备等显著优势在民航飞机的航电系统中得以成功应用，深入研究AFDX在航空通信系统中的应用对我国大型军用和民用航空技术的发展具有重要的意义。

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