机载及车载自适应柔性控制互联网络

邱 征，孙靖国，代 真

(1.中国航空工业集团公司第六三一研究所，陕西 西安 710065；2.中航工业成都飞机设计研究所，四川 成都 610091)

机载/车载网络是装备“使能运行、保障任务”的关键，涉及飞机、火炮电子系统的信息融合，是系统交联的“神经中枢”。目前，A380、B787、A400M采用AFDX网络作为任务、机电主干网，采用422、429作为飞控主总线[1]。F-35采用FC网络作为信息主干网，采用1394B作为飞管总线。美军以下一代装甲VICTORY计划采用GE车电万兆实时以太网平台，宝马、奥迪采用时间敏感以太网TSN作为车载主干网。

目前综合化架构下[2]，为了保证机载/车载系统混合关键业务的统一、实时、可靠、确定传输，采用增强网络协议的方式。AFDX网络协议在传统以太网协议上增加余度管理、虚拟链路、带宽分配隔离、流量管制、静态路由等机制提高保证业务隔离、确定传输，限制故障传播，支持任务、机电系统综合[3]。同时，在AFDX协议基础上扩展EDE协议，提高混合关键业务竞争下的信息内容、次序、时间完整传输能力，支持控制系统综合。FC网络协议在传统光纤通信协议上增加信用、余度管理、优先级等机制支持信息系统综合[4]。TTE/TSN网络协议在AFDX协议基础上扩展高精度分布式容错时间同步机制，支持任务、控制、机电系统的综合[5]。综合化架构下网络存在以下问题：

1)网络成为故障传播和蔓延的通道。网络面向所有的功能、安全等级、优先级开放，系统故障通过网络在不同的功能系统之间传播，具备隐蔽性，综合难度大。

2)故障自愈能力低。应用与网络设计高度耦合，系统控制复杂。任务动态迁移，网络配置切换时间长、代价大。

3)即插即用能力低。系统扩展新节点，必须修改网络配置表，节点才能接入网络。

4)系统扩展性不好。统一网络协议业务编排复杂，需要关联和预先定义规划所有消息，难以适应节点和业务持续增加，且不具备继承性。

传统机载/车载网络设计的核心问题在于试图将控制命令、任务数据、音视频流等不同系统的业务需求压缩到同一个网络协议平面解决，使得机载/车载网络协议设计复杂、耦合度高，在同一网络平面上构建面向所有业务需求的协议服务超集，远大于某一单点的实际网络协议需求。同时存在物理连接固定、信息路由静态、业务规划僵硬、互联范围封闭、交联规模有限、组网故障单点、能力构成确定的限制，限制体系互联下机载/车载网络灵活、动态、开放的能力。

下一代装备电子系统综合要求在全域异构环境下实现基于可变拓扑结构的机载/车载网络互联。装备电子系统通过可变拓扑、透明化、即插即用的网络动态互联，满足机内任务、控制、管理、维护、精确同步等多种应用的通信要求，支持紧急、事件、周期、流传输等混合业务实时可靠与确定传输，具有简单、高效、透明、灵活的特点。

1 IAFC网络架构

针对未来机载/车载网络任务、机电、飞控等系统综合，笔者提出一种新型机载接口自适应及柔性控制数据总线网络(The IAFC Network)。构建一种新型的全域异构、动态自适应接入、柔性包容、混合多平面多模态，满足多层级业务需求的机载互联网络架构。网络面向不同用户的业务及其服务质量要求，提供不同网络切片，将控制、任务、管理、维护网络平面分离，降低不同业务之间耦合、避免故障在共享信息通路中传播与蔓延，满足系统按需免配置动态接入，完成跨任务域、混合多业务实时可靠有序通信要求。

IAFC网络架构，由核心主干网、接入支线网、终端末梢网组成，如图1所示，其特点：

1)满足多种网络协议的物理链路，实现机载/车载网络全连通。

2)为综合化系统提供低延迟、高确定、高精度时间同步的能力。

3)采用主干网、支线网、末梢网分级网络架构。主干网采用超高速、大容量交换网络，提供高速、高可靠、大容量传输服务。支线网采用支持不同任务等级、安全等级、业务类型的专用总线，满足功能终端接入。末梢网采用无线接入方式，满足局部前端微型分布式组件即插即用和集群互联要求。

4)提供通用网络控制接口，支持网络应用设备的快速接入。

5)采用具备智能路由控制功能的分级网络交互节点，可实现通信路径学习优化、最优通道动态分配。

主干网作为核心网络，是连接射频传感器域、机电域、外挂域、控制域、座舱域的信息桥梁，可提供超高速数据传输容量(40～100 Gbit/s)、高可靠网络服务，主干网一般使用光纤交换技术，具备高实时性特点，可支持不同业务类型、安全等级、任务关键数据的混合传输。在图1中核心主干网以粗实色连接线表示。

支线网作为主要接入网络，是各功能域与核心主干网之间连接的信息通路，它是功能域内部各传感器、处理器、执行器的对外(主干网)信息接口，在物理上一个功能域可以包含一个或多个接入支线，提供快速(1～400 Mbit/s)及高可靠网络服务，例如1394B[6]、MIL-STD-1553B[7]总线等，通过提供不同接入控制服务，支持控制、任务、管理、维护数据的隔离。支线网为终端设备提供自适应网络接口，满足设备快速接入要求。在图1中接入支线网以虚线表示。

末梢网面对大量任务、机电功能终端，是连接功能域内部一组具有相似功能、空间部署相邻、具有较强逻辑关系节点的网络，面向传感器、执行器终端，例如发动机系统中的一组温度、压力、转速等传感器可组成一个末梢网。其组网形式灵活，可以按需采用无线、交换式或总线型网络[8]。在同一个末梢网中的各设备可以互相交互信息，并通过网关进行信息的汇聚和远距离传输，在同一功能域中的设备信息交互可以通过接入支线网转发，不同功能域的终端信息交互需要通过接入支线网、主干网进行数据转发，在图1中以点划线表示：

1)射频、光电、座舱终端系统采用无线栅格网，中心频点采用60 GHz，通过扩展多余度无线接入功能、任意节点直接通信、无逻辑中心点等机制支持装备电子系统动态互联、即插即用、无中心自组织，将中、高速数据(100 Mbit/s～1 Gbit/s)通过接入支线网进行汇聚处理。

2)机电传感采集终端采用低速总线及无线传感网，将低速数据(1～250 Kbit/s)汇聚到远程接口单元，进入接入支线网汇聚处理。

3)外挂、控制、大气、惯导等终端系统采用强实时高安全有线网，将低速数据通过接入支线网进行汇聚处理。

2 IAFC网络特征

为实现全域异构、动态自适应接入、柔性包容、混合多平面多模态，满足多层级业务需求的装备互联网络架构。IAFC网络需具备以下特征：

1)业务管理：提供任务、机电、控制多体系互联，承载关键、重要、紧急、一般、适时(尽力而为)的混合业务动态管理。

2)设备互联：满足全域异构多平面柔性互联，保证控制、任务、管理、维护业务分离。网络架构由核心主干网、接入支线网、终端末梢网级联组成。

3)智能接口：采用规范化总线控制接口，高效率通道式数据交换，具备总线资源自主调配与优化控制能力。实现基于需求的动态自适应接入与资源分配。通过语义描述对网络的使用需求，包括带宽、应用模式、安全等级、业务类型、传输可靠性与确定性等需求，即可动态接入网络、分享网络资源。

4)传输优化：基于统一、通用、标准虚拟接口的透明传输控制。机载全域异构柔性互联网络对接入系统提供统一、通用、标准的虚拟接口，支持系统对虚拟化的网络资源实现透明访问，同时实现对装备电子系统逻辑资源、物理资源的分配、跨域调度、回收等管理，实时平衡终端通信资源，建立最优通信通道。

5)通道适配：异构网络协议的柔性智能匹配。采用分布式感知与处理方式，机载全域异构柔性互联网络的传输服务段支持跨平面总线间链路及数据包协议的元数据智能实时动态解析转换，分布式虚拟化网络管理段支持跨平面网络地址的实时翻译适配，建立动态传输通道，引导并实现应用数据载荷在不同总线传输通道中高效、可靠传递。

6)数据监控：基于数据生成源控制，采用自主管理，主动监控。实现大流量并发互联网络业务数据的精准监控和按需获取。

3 IAFC网络关键技术

传统机载/车载网络设计，是基于对网络业务类型、网络传输能力的预先分析，对系统资源(如链路、消息ID、源端口和目的端口等)进行规划、配置，用户需要提供详细的网络需求，以便根据既定的网络架构适配系统自身。这一设计必须针对多种不同的网络协议单独制定接口控制文件，规范每一条信息的长度、周期、实时性要求等，限制较为严格，当新增设备后需重新规划网络配置表，动态扩展能力较弱。

可以将包含多种不同物理形式的装备全域网络视为一个整体，定义基于需求的动态自适应接入与资源分配方法，包括物理网络层、虚拟接口层、需求语义层和应用层，如图2所示。

3.1 物理网络层

物理网络层指混合异构网络的物理介质、参数以及各网络自身的地址和传输协议等。光纤物理层非常成熟，无线采用毫米波射频60 GHz，其特点是：

1)波长短，传输空间理论损耗高，1 m距离空间理论损耗：60 GHz损耗为68 dB；而2.4 GHz损耗为40 dB，相差28 dB.

2)空气中传输存在吸收峰：空气传输60 GHz存在氧气吸收峰值，达到15 dB/km；而以60±8 GHz的氧气衰减为10 dB/km.

因此，采用60 GHz频点作为机载抗干扰、抗侦听传输的物理介质，具有如下优点：在同功率条件下通信距离近，利于空间隔离、复用和保密；可用频带宽，利于实现高速率通信；利用宽频带实现高速率通信，功率谱密度低，利于抗侦查；波长短，天线小，利于一体化集成和穿戴式应用；波长短，利于实现高增益阵列天线，降低发射功率；利于波束电扫功能集成，进一步提高抗侦查和抗干扰性能。

3.2 虚拟接口层

虚拟接口层建立在物理网络之上，它可使用通用、标准的规范将机载全域异构网络统一到一个逻辑平面，提供涵盖所有网络的统一地址，支持系统对虚拟化的网络资源透明访问，同时实现对网络逻辑资源、物理资源的分配、调度、回收，利用对已有通信数据的智能分析与管理，实时终端通信资源平衡，建立最优通信路径。虚拟接口层包括统一的IP地址、虚拟通道、逻辑端口。虚拟接口层需要为自适应接入的装备电子系统动态分配可用通道、端口等逻辑资源，同时实现逻辑资源到具体网络物理资源的映射。

表1给出了机载/车载网络统一地址定义的示例，虚拟接口层将不同网络域的物理设备统一编址，支持逻辑IP到具体设备、消息到物理链路的映射。在虚拟接口平面上，机载/车载网络业务交联抽象为一个连通图，通信消息将抽象为图中的点，物理链路将抽象为点-点的边，网络中端-端的传输将转化为图路径规划问题[9-10]。

表1 装备电子系统设备地址定义

将所有的设备统一到一个地址空间，不必关注具体接入的网络。除地址映射外，虚拟接口层需要为上层应用提供逻辑链路到物理链路的转换，由于不存在预先制定好的信息传输路径，虚拟接口层必须估计和存储物理链路上的信息传输参数，以使得新申请的数据传输能够被满足。

3.3 需求语义层

需求语义层定义用户对网络的使用需求(包括带宽、应用模式、安全等级、业务类型、传输可靠性与确定性等需求)，在网络物理结构与协议的基础上，提供网络服务能力的抽象语义表达，将用户的需求拆分成独立的子项，并根据子项的特征分类进行数学表示，将其定义成无量纲的参数与约束条件，对网络使用需求进行建模，解决有约束下路径选择问题。

3.4 接入需求层

接入需求层指定当前节点信息的需求语义、统一的目的地址即可完成一次信息的传输，根据接入需求层模型及约束，信息传输路径由虚拟接口层通过连通图、参数以及资源使用情况即时规划确定最终的物理传输路径，完成信息的发送。

4 数据传输示例

图1是IAFC网络的示意图。其中主干网络采用了高速FC总线，支线网采用了1394B、1553B，末梢网采用了422、无线，通过IAFC接口互联形成了机载全域网络。假设大气机A的数据送往显示系统B，可将机载/车载网络抽象为图G=(V,E)，其中V表示机载/车载网络中路由节点的集合，即V={v1,v2,…,vn}，E表示网络中节点之间边的集合，节点间的每条链路e(i,j)∈E.此时数据传输转化为在图G=(V,E)中寻找A到B的路径P(A,B).

定义i与j之间的链路所具备的能力和当前运行时的状态为

w(i,j)={bij,pij,sij,αij(t),mij,…},

(1)

式中：bij为节点i与j之间的传输带宽；sij为节点i与j之间安全等级；pij为节点i与j之间链路传输的最大误码率；αij(t) 为节点i与j之间链路传输的流量累积上限函数；mij为节点i与j之间网络协议模式，mij=0为支持时间触发模式，mij=1为事件触发模式。

则有

(2)

在图2中，假设链路w(a,b)的链路安全等级较低，链路w(c,d)安全性较高。链路除安全等级外其余属性相同，则有：

1)着重考虑端到端传输速率，则应选择最短路径P(A,B).

2)着重考虑传输安全性，则应选择高安全性路径P(A,B)′.

可见，在用户不同的需求下，IAFC网络可根据不同约束条件进行综合权值计算，选择出最优传输路径。

5 结束语

通过分析机载/车载网络的现状以及发展方向，提出一种自适应及柔性控制网络架构。该网络在统一的虚拟接口平面上实现端到端的传输，用户无需关心具体网络协议、接口、路由、配置，而是关心网络在带宽、应用模式、安全等级、业务类型、传输可靠性与确定性等的接入需求。针对不同应用需求，虚拟接口层可根据不同约束条件构建网络拓扑，再通过计算网络传输模型的综合权值，选择最优传输路径，从而简化系统设计和综合的过程，实现了端到端(P2P)透明传输，能够满足未来任务、机电、控制等系统综合的需要。