网络时间同步协议综述

时间同步技术广泛应用于工业自动化、精密测量与控制、军队指挥信息化系统等领域。IEEE 1588精密时间协议提供亚微秒级的网络时间同步，能够满足工业领域的高精度测量和控制需求。White Rabbit时间同步技术（WR）是基于同步以太网、IEEE 1588v2协议和全数字双混频鉴相器技术（DDMTD）的一种分布式时间同步方案，能够提供亚纳秒级的同步精度。SAE AS6802协议是一种高精度、可容错、具有开发潜力的时钟同步协议，可为时间触发以太网（Time-Triggered Ethernet，TTE）提供所需精度的全局同步时钟。回顾了这三种时间同步技术的研究发展状况，并分析了其优缺点，展望了未来网络时间同步技术可能面临的挑战和发展趋势。     

基于空间应用的TTE时钟同步算法研究

时间触发以太网络(time-triggered ethernet, TTE)作为新型的分布式交换网络具有强实时、高带宽、高安全性的特点,而TTE时钟同步是TTE网络实现的前提条件,本文通过分析TTE时间同步过程以及其过程中存在的噪声,建立了时钟噪声模型,并且采用kalman滤波等滤波算法得到了良好效果,最后在滤除噪声影响之后使用两种渐进时钟补偿算法进行时钟补偿,并通过仿真验证了算法的可行性。     

TTE端系统一体化同步组件设计

时间触发以太网(TTEthernet)在传统以太网基础上增加了时间触发服务,采用高精确的时间同步核心技术,建立并维护全局统一时钟,为安全关键系统提供了确定性的通信平台。依据设备在时间同步过程中发挥的不同作用,TTE网络设备可划分为同步主设备、同步客户端设备及同步聚合设备,通常交换机作为同步聚合设备,而端系统则作为同步主设备及同步客户端设备。通过分析TTE网络的时间同步流程和端系统同步组件一体化体系结构,提出一种端系统中主客一体化的同步组件设计方法,为构建安全关键系统网络提供了实现思路。     

基于PCIe接口的TTE网络仿真卡的设计、实现与验证

时间触发以太网（Time-Triggered Ethernet, TTE）协议采用高精确的时间同步核心技术，建立并维护全局统一时钟，为安全关键系统提供了确定性的通信平台，能够满足飞行控制等安全关键实时控制系统的应用要求。基于TTE，完成了基于PCIe接口的TTE网络仿真卡的软硬件设计，并搭建了一套TTE网络仿真卡的通信验证平台，通过在Windows和Linux操作系统下开发相关应用，实现了对TTE网络的测试和验证。     

时间触发以太网时钟同步的容错方法分析

为揭示高完整性和标准完整性配置下时钟同步容错方法的有效性,对时间触发以太网(time-triggered Ethernet,TTE)网络标准中时钟同步服务描述进行协议分析,还原时钟同步算法的理论模型。通过分析容错机制对应的失效模式,对TTE网络时钟同步算法在单同步域下对抗失效的有效性进行仿真验证,仿真结果表明了高完整性配置下的TTE网络时钟具备对抗单点随意失效的能力。     

无人车载网络高可靠HUB的设计

为满足无人车技术的不断发展及日趋复杂的车载网络带来的高带宽和高可靠性的使用要求,设计一种车载网络集线器(HUB)。采用时间触发协议(TTP),设计时间触发以太网(TTE)加星型TTP总线的架构。TTE提高数据带宽,在物理层与驱动设备采用点对点的连接方式代替总线型通信方式,提高可靠性,解决总线型通信方式一点断开,整体通信失效的问题。针对HUB的设计做详细阐述,通过实验验证了设计的可行性和可靠性,对车载网络的优化提供了可行的解决途径。     

基于时间触发的TTCAN协议

TTCAN协议是一种CAN总线高层协议.在现行CAN协议的基础上引入了时间触发机制.在遵循TTCAN协议的CAN通信网络中,总线活动可以用时间或者事件两种方式进行触发.介绍了TTCAN协议的提出和发展过程,阐述了协议中基于基准消息和网络时间实现时间触发的机制、不同TTCAN网络之间的时间同步以及TTCAN协议的硬件实现.     

网络测量中高精度时间戳研究与实现

在网络测量中,时间戳记录数据包接收和发送的时间,是时延、带宽以及抖动等网络参数测量的基础.受缓存延迟、中断响应时间不确定等因素影响,软件时间戳只能达到毫秒级精度;基于GPS(global positioning system)时钟的硬件时间戳可以达到纳秒级精度,但其成本高且安装部署不方便.基于对网络测量系统中时间戳误差来源的详细分析,设计了精确时间戳测量系统,系统利用硬件产生时间戳,消除各种软件延迟影响,通过基于预测的时钟同步算法PCS(prediction-based clock synchronization)同步各测量节点时钟,达到了与GPS相当的精度.基于自行设计的千兆网卡实现了测量系统原型,测试表明各测量节点时间戳误差不超过100ns.     

无线传感器网络高精度硬件时钟同步方法

为实现无线传感器网络高精度的时间同步功能,提出一种基于Zigbee技术的硬件时钟同步方法。采用跨层思想提取接收信号强度指示值信号作为同步触发信号,设计复杂可编程逻辑器件的硬件电路时钟模块实现计时,并配合软件算法完成整个网络的时间同步,在保证低能耗和复杂度的基础上,提高时间同步精度。对同步精度进行理论研究和测试分析,结果表明,该方法可使系统节点间达到10μs级的时钟同步精度,满足多数无线传感器网络要求。     

基于Ethernet技术的安全关键实时网络

随着实时计算技术日益广泛应用于航空航天、国防及交通运输等安全关键领域,多类型的同步实时、异步实时和非实时网络传输需求给现场网络提出了新的目标和挑战,其中安全关键实时网络的实现方式与调度分析是需要解决的关键问题.在分析、总结现有COTS网络技术不足之处的基础上,基于事件触发与时间触发,提出了一种基于Ethernet技术的高可靠实时通信协议E&TTE(event- and time-triggered Ethernet),使实时网络不但具有较高的灵活性,而且具有较好的可预测性.为证明E&TTE协议的合理性与可行性,建立了网络调度模型,进行了全局调度分析,并通过具体实例进行了例证.E&TTE协议的提出,满足了安全关键实时网络的多种传输需求,同时也可广泛应用于工业现场控制网络.     

无人车载以太网技术研究

随着人工智能的高速发展,其相关技术已经运用到生产生活的很多领域,在无人平台上,人工智能已经不可或缺。无人车网络系统由于智能感知的并入,使得传统的总线通信技术难以满足发展要求。车载以太网的出现能为大量数据高集成的通信系统提供一种有效解决方案。无人车载网络系统采用时间触发以太网的架构来进行设计。首先考虑整个时间触发网络系统的通信节点,针对通信链路设计相应的通信板卡。在板卡方面,主要设计了TTE交换机、端节点子系统控制器,为了增加整个系统的可靠性,采用了三余度通信结构。根据控制器和交换机相应的功能进行软件开发,并通过系统测试验证,满足各个系统通信任务需求,验证了此无人车网络系统可行性和准确性。     

基于时间触发通信的机载网络可靠性

根据分布式综合模块化航空电子(DIMA)系统的组网需求,对比事件触发(ET)机制和时间触发(TT)机制,分析时间触发以太网(TTE)的网络特性,说明TTE应用到DIMA的可行性和必要性。针对航空电子系统的高可靠性需求,采用贝叶斯网络分析TTE在环形拓扑、网状拓扑和星型拓扑等结构下的系统可靠性,分析结果表明,在多余度的情况下,星型拓扑具有最高的可靠性。总结了TTE应用到DIMA的拓扑结构选择和余度设计原则,即根据不同的应用场景和通信节点的重要程度,选择合适的拓扑结构和余度。     

一种基于μC/OS-II符合OSEK标准的实时系统内核设计

一些安全关键任务系统对嵌入式操作系统的实时性和安全可靠性提出了更高的要求。设计并实现了一种满足OSEK/VDX标准且支持时间/事件混合触发的实时操作系统内核,该内核除具有事件触发的实时性好、使用方便、灵活性高等特点外,还具有时间触发的确定性和安全性等特点。此外,还提出并实现了一种基于静态表的混合任务调度策略,并给出了时间触发任务可调度性的静态测试算法,在保证事件触发灵活性的基础上,通过中断级和任务级时间/事件触发任务的灵活切换,可确保时间触发任务的确定性和安全性,并提高系统的利用率。实验结果表明,该内核可以有效支持时间/事件混合触发的任务调度,并具有良好的实时性与安全性。     

Design of a crossbar VOQ real-time switch with clock-driven scheduling for a guaranteed delay bound

Most commercial network switches are designed to achieve good average throughput and delay needed for Internet traffic, whereas hard real-time applications demand a bounded delay. Our real-time switch combines clearance-time-optimal switching with clock-based scheduling on a crossbar switching fabric. We use real-time virtual machine tasks to serve both periodic and aperiodic traffic, which simplifies analysis and provides isolation from other system operations. We can then show that any feasible traffic will be switched in two clock periods. This delay bound is enabled by introducing one-shot traffic, which can be constructed at the cost of a fixed delay of one clock period. We carry out simulation to compare our switch with the popular iSLIP crossbar switch scheduler. Our switch has a larger schedulability region, a bounded lower end-to-end switching delay, and a shorter clearance time which is the time required to serve every packet in the system.     

Deterministic delay analysis of AVB switched Ethernet networks using an extended Trajectory Approach

Audio Video Bridging (AVB) switched Ethernet is being considered as a promising network alternative solution for the automotive industry thanks to its high data transmission rate and dedicated bandwidth for real-time traffic. However, guaranteeing deterministic communications of an AVB switched Ethernet network remains a key issue for safety-critical applications in automotive domain. In order to ensure real-time timeliness constraints for any flow sent in AVB switched Ethernet networks, we establish new bounds on the worst-case end-to-end delay of any flow. Our contributions are the following: (i) We first develop a worst-case delay analysis in the context of AVB switched Ethernet network based on an extension of the Trajectory Approach. (ii) Then we take into account serialization constraints on frame transmissions to improve the computation of worst-case end-to-end delay bounds. (iii) Finally, we refine the proposed approach by taking into consideration the AVB traffic shaping characteristics. The performance of the proposed approach is illustrated on a set of representative automotive examples.     

基于三电平逆变的开关磁阻发电系统的研究

新型开关磁阻发电机具有发电容量大、效率高、起动和发电组合容易等优点,三电平逆变器具有能减少开关损耗和滤波电感损耗并有降低开关应力等特点。利用三电平逆变器转换效率高的优势,结合新型开关磁阻发电机低风速发电特点,降低开关损耗和开关器件电压应力,提高装置可靠性。仿真实验结果表明:用三电平逆变器能够很好的实现开关磁阻发电机的逆变要求。     

基于通信量权值二分图分配算法的列车通信网络研究

针对列车通信网络的网络性能直接受到网络拓扑结构的影响,提出一种基于设备间的通信量权值的二分图分配算法,解决网络拓扑中设备到交换机的分配问题。首先,根据列车通信网络中各设备间的实际通信情况,建立列车交换式以太网模型,得出设备间的通信量权值;然后,利用通信量权值的二分图分配算法完成设备到交换机的分配,构建新的交换式列车网络拓扑结构。通过OPNET建模仿真对该结构的网络性能进行分析,结果表明,优化后的列车通信网络拓扑结构比未优化的拓扑结构,在网络时延、链路利用率和吞吐量等网络性方面能均有很大的提升,可为列车通信网络拓扑结构优化研究提供理论参考。     

基于高精度相频同步的节点端无损切换技术研究

随着网络化高精度固定节点时频同步技术的发展,需要对簇节点端多输入信号进行处理。针对簇节点端多输入信号同源多路径的特性,为了提升系统的稳健性,提出了一种信号无损切换的方法,兼顾了开关的隔离度和切换速度;实现了主备路信号ps量级的同步精度,有效抑制了切换过程中的相位跳变,并对不同条件下的主备路相位同步精度、系统无损切换性能进行了仿真实验。仿真结果表明,提出的方案显著提升了主备路相位同步精度,有效抑制了切换过程中产生的相位跃变,验证了不同条件对系统精度的影响,对节点端无损切换乃至信号融合方面具有很大的借鉴意义。