航空航天數(shù)據(jù)總線技術(shù)綜述

航空航天數(shù)據(jù)總線技術(shù)綜述（三）航空航天數(shù)據(jù)總線技術(shù)發(fā)展綜述（三）在上一期的“航空航天數(shù)據(jù)總線技術(shù)發(fā)展綜述（二）”中，我們主要介紹了IEEE1394、FDDI、LDPB及SpaceWire等部分高速航空航天數(shù)據(jù)總線技術(shù)，本期將針對(duì)AFDX、TTE、Ethernet及FC總線等通信速率達(dá)到百兆以上的高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。1.AFDX總線技術(shù)航空電子全雙工交換以太網(wǎng)（AFDX:AvionicsFull-DuplexSwitchedEthernet）是基于標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.3以太網(wǎng)技術(shù)和ARINC664Part7）定義的電子協(xié)議規(guī)范，主要用于實(shí)現(xiàn)航空子系統(tǒng)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。AFDX是通過航空電子委員會(huì)審議的新一代機(jī)載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，AFDX允許連接到其他標(biāo)準(zhǔn)總線如ARINC429和MIL-STD-1553B等，并允許通過網(wǎng)關(guān)和路由與其他的適應(yīng)ANIRC664但非確定的網(wǎng)絡(luò)通訊。AFDX是大型運(yùn)輸機(jī)和民用機(jī)載電子系統(tǒng)綜合化互聯(lián)的解決方案。AFDX的傳輸速率可達(dá)100Mbps甚至更高，傳輸介質(zhì)為銅制電纜或光纖。AFDX中沒有總線控制器，不存在1553B中集中控制的問題。同時(shí)，AFDX采用接入交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使它的覆蓋范圍和可支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了1553B總線。AFDX的主要特點(diǎn)如下：全雙工:物理層的連接介質(zhì)是兩個(gè)雙絞線對(duì)，一對(duì)用于接收，另一對(duì)用于發(fā)送；交換式網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)連接采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)交換機(jī)最多可連接24個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)可以級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)；確定性:網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通過使用虛連接以保證帶寬；冗余:雙重網(wǎng)絡(luò)提供了更高的可靠性；網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可選擇10Mbps或100Mbps?？罩锌蛙嚬驹谧钚卵兄频腁380飛機(jī)上就率先采用AFDX總線，同時(shí)波音公司在最新研制的787和747-400ER飛機(jī)中也采用了AFDX作為機(jī)載數(shù)據(jù)總線。2.TTE時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE，Time-Triggered-Ethernet)，即以時(shí)間觸發(fā)代替事件觸發(fā)，將通信任務(wù)通過合理的調(diào)度定時(shí)觸發(fā)發(fā)送。時(shí)間觸發(fā)概念的提出，其目的是在于通過全局時(shí)鐘精確同步，可有效避免數(shù)據(jù)幀爭(zhēng)用物理鏈路，保證通信延遲和時(shí)間偏移的確定性。時(shí)間觸發(fā)與事件觸發(fā)相比在系統(tǒng)確定性、資源損耗、可靠性、實(shí)時(shí)性上有很大優(yōu)勢(shì)。TTE總線技術(shù)具有高數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，能適應(yīng)分布式綜合模塊化航空電子架構(gòu)的發(fā)展。TTE網(wǎng)絡(luò)是在標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)的時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可作為完全分布的、嚴(yán)格確定性的安全關(guān)鍵性計(jì)算及聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，目前支持100Mb/s和1000Mb/s速率，10000Mb/s速率的TTE網(wǎng)絡(luò)也在開發(fā)過程中。TTE總線技術(shù)兼容了時(shí)間觸發(fā)協(xié)議和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上兼容普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流、AFDX數(shù)據(jù)流和TTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，具備更高的安全性和強(qiáng)有力的容錯(cuò)機(jī)制，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景，有望作為AFDX互連的子集，在大中型飛機(jī)的綜合化互聯(lián)中扮演重要角色。目前，美國(guó)航天局已將TTE的一些技術(shù)應(yīng)用在了獵戶座載人探索飛行器上(OrionCrewExplorationVehicle)。3.Ethernet在地面局域網(wǎng)中，以太網(wǎng)是首選的局域互連技術(shù)，速率從百兆到千兆，正向萬兆以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展。Ethernet來源于商業(yè)應(yīng)用，雖沒有軍品級(jí)器件，但商業(yè)支持非常強(qiáng)，被NASA推薦為將來可在空間應(yīng)用的總線之一。國(guó)際空間站與一些小衛(wèi)星上已采用過這種總線。目前，用于解決地面局域網(wǎng)寬帶接入問題的是無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（passiveopticalnetwork，簡(jiǎn)稱“PON”），近十年來隨著光通信技術(shù)的成熟，PON技術(shù)開始走上了大規(guī)模的應(yīng)用，可解決接入網(wǎng)的帶寬瓶頸問題。其傳輸速率支持上下行對(duì)等1.25Gbps，或下行2.5Gbps、上行1.25Gbps，目前最高支持上下對(duì)等10Gbps的帶寬；PON技術(shù)是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，下行方向（網(wǎng)絡(luò)到用戶）采用TDM廣播機(jī)制，上行（用戶到網(wǎng)絡(luò)）采用TDMA復(fù)用方式，因此下行方向具有共享媒介的特性；并采用單模光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸距離最大可達(dá)10km?20km;采用無源的光分路器取代了有源復(fù)用器或交換機(jī)，簡(jiǎn)化了光纖分配網(wǎng)的設(shè)計(jì)，提高了傳輸鏈路的可靠性，因此便于運(yùn)行、維護(hù)和管理并且成本低廉等特點(diǎn)。不論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)都在大規(guī)模商用，中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通以EPON為主進(jìn)行接入網(wǎng)部署，日本和韓國(guó)當(dāng)前也均以EPON為主，北美和中東以GPON為主。EPON和GPON，尤其是EPON在商用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)走向成熟。4.FC總線光纖通道（FiberChannel，簡(jiǎn)稱FC）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（ANSI）的X3T11小組于1988年開始制定的高速串行傳輸協(xié)議，將計(jì)算機(jī)通道技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，具有全新概念的通信機(jī)制。

FC采用通道技術(shù)控制信號(hào)傳輸，在共享介質(zhì)時(shí)采用基于仲裁或交換的信道共享沖突解決機(jī)制和基于信用（Credit）的流量控制策略，信道的傳輸效率較高，適用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的應(yīng)用系統(tǒng)中。光纖通道的高帶寬、低延遲、低誤碼率、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)類型、支持多種上層協(xié)議和底層傳輸介質(zhì)以及具有流量控制功能，使得它能夠很好地滿足未來航空電子系統(tǒng)互連的要求。美國(guó)在“寶石臺(tái)和“寶石柱”計(jì)劃的基礎(chǔ)上，開展了JAST計(jì)劃研究，把統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)引入航電系統(tǒng)，并把FC作為統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的總線標(biāo)準(zhǔn)。目前，光纖通道已應(yīng)用于美國(guó)航空電子的升級(jí)換代中，如：AH-64D“阿帕奇”、“長(zhǎng)弓”式直升機(jī)中用于數(shù)字視頻接口與飛行試驗(yàn)和任務(wù)處理器的互連。B1-B中用于航空電子計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/傳輸設(shè)備間的互連。機(jī)載預(yù)警與控制系統(tǒng)“擴(kuò)展哨所”（AWACSExtendsentry）中用于構(gòu)成交換式網(wǎng)絡(luò)。美英下一代聯(lián)合攻擊機(jī)JSF的飛行管理系統(tǒng)、綜合RF和綜合核心處理機(jī)（ICP）三個(gè)子系統(tǒng)間的高速互連也采用了FC-AE作為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。5.高速數(shù)據(jù)總線對(duì)比通過對(duì)以上高速數(shù)據(jù)總線的分析，民用航空領(lǐng)域主要是AFDX，軍用航空領(lǐng)域主要以FC為主，同時(shí)也是JAST計(jì)劃提出的“航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)”首選協(xié)議之一；基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則是正在大規(guī)模商用和部署的地面寬帶接入技術(shù);而基于以太網(wǎng)的TTE總線技術(shù)具有較為廣闊的應(yīng)用前景，但是目前國(guó)內(nèi)還處于推廣階段。具體性能比較如下表所示。表1.各種總線對(duì)比分析交換式100Mbps、1Gbps1、2.5、10Gbps2、4、810Gbps由IEEE802.3規(guī)范20km10kmTTE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型、環(huán)型Ethernet點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型環(huán)型FCTTE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型、環(huán)型Ethernet點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型環(huán)型FC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、仲裁環(huán)拓?fù)浣Y(jié)交換式、星型構(gòu)傳輸速10、100Mbps率傳輸距100m離定義傳輸介屏蔽雙絞線光纖、屏蔽雙絞線光纖、屏蔽雙絞光纖、屏蔽雙質(zhì)線絞線特點(diǎn)延遲時(shí)間短、服高數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單、可靠高帶寬、低延務(wù)質(zhì)量高、成本性、安全性高、容性高，運(yùn)行、維遲、低誤碼低、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)錯(cuò)機(jī)制強(qiáng)護(hù)和管理簡(jiǎn)單、率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)靈活成本低靈活6.結(jié)語本期繼續(xù)對(duì)高速航空航天數(shù)據(jù)總線技術(shù)進(jìn)行了介紹，主要介紹了AFDX、TTE、Ethernet及FC總線