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星载TSN有线无线融合调度算法研究及FPGA实现

星载TSN有线无线融合调度算法研究及FPGA实现

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作者：卢奕杉重庆邮电大学

学位级别：硕士

近年来,各国积极开展太空探索和载人航天任务,研究人员尝试向航天器内部引入无线通信方式取代传统的通信总线,以降低总线质量,提高航天器有效载荷。然而,航天器内部的监测与控制数据要求高可靠性和稳定端到端时延,无线链路与有线链路在... 详细信息

近年来,各国积极开展太空探索和载人航天任务,研究人员尝试向航天器内部引入无线通信方式取代传统的通信总线,以降低总线质量,提高航天器有效载荷。然而,航天器内部的监测与控制数据要求高可靠性和稳定端到端时延,无线链路与有线链路在传输速率与调度机制方面的差异性,会造成端到端传输过程中,数据在有线无线融合网关传输时产生不确定的等待时延。因此,为了保障时敏业务在有线与无线融合场景下的确定性传输,提出一种有线无线融合的时间敏感网络流调度方案,主要研究工作如下:首先对航天器内部有线无线融合场景下的数据传输时延进行建模,对数据在端到端传输过程中时延构成进行量化分析。基于802.11物理帧结构,设计了基于时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的信道接入机制。各无线节点基于业务量进行时隙请求,网关利用beacon广播机制,调整各接入节点的传输时隙,以保障时隙分配的灵活性。然后针对有线无线融合时隙分配问题,刻画IEEE802.1Qbv门控状态与无线时隙分配关系,建立融合时隙分配与时延关系模型;针对无线与有线时隙融合调度,建立以时敏数据的最小平均端到端时延的优化目标函数;由于时隙分配为NP-hard问题,采用粒子群优化算法对融合调度问题进行快速求解;将所提算法在Matlab仿真平台进行对比测试,测试结果表明所提算法在终端设备逐渐增加后,相比现有的时隙分配方案能降低20%的端到端时延。基于FPGA平台设计与开发有线无线融合的数据调度系统,将所提调度方案实现在该系统中,包括:设计有线侧的门控调度模块,在传统以太网的基础上实现基于时间感知整形器的门控调度机制;在无线侧设计实现基于TDMA的时隙分配机制;在融合网关模块实现有线与无线的融合调度。最后搭建真实网络测试场景,对系统进行性能测试。结果表明,所提流融合调度方案能够为时敏业务在高负载的网络中提供20ms以下的无线单跳传输时延、10us以下的有线单跳传输时延,能够满足航天器内部时敏业务50ms的端到端时延需求。

关键词：航天器数据通信有线无线融合调度时间敏感网络 FPGA

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