【论文阅读】Proposal and Investigation of a Lite Time Sensitive Networking Solution

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Title： Proposal and Investigation of a Lite Time Sensitive Networking Solution for the Support of Real Time Services in Space Launcher Networks
Authors：TIZIANA FIORI , (Graduate Student Member, IEEE), FRANCESCO GIACINTO LAVACCA , FRANCESCO VALENTE , (Graduate Student Member, IEEE), AND VINCENZO ERAMO , (Member, IEEE)
Organizations：DIET Department, Sapienza University of Roma
Journal：IEEE Access

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摘要

       大多数发射器网络基于专有总线，如MIL-STD-1553B，其低带宽限制了具有合适特性的新服务的引入。由于以太网技术成本低且性能高，因此被认为是用于发射器网络的优秀候选技术。基于时间敏感网络（TSN）标准的实时以太网解决方案因其多供应商产品特性而显得最为合适。**本文提出了一种用于航空航天应用的实时以太网解决方案，该方案能够保证微小抖动服务。所提出的解决方案基于以下TSN标准：IEEE 802.1AS/ASrev作为同步协议和802.1Qbv-2015用于确定性流量调度。为了提高带宽效率和帧延迟，该解决方案还基于对IEEE 802.1Q标准中优先级代码点字段管理的更改。最优调度问题的制定旨在最小化完成时间，即交付一个基本周期内所有消息所需的时间。**该问题通过CPLEX求解器解决，并通过与TTEthernet和FTTEthernet基准解决方案的性能比较，对所提出的解决方案在延迟和带宽效率方面进行了评估。在VEGA发射器的真实流量场景中获得的结果表明，所提出的解决方案能够实现与TTEthernet相同性能，即专有实时以太网解决方案的性能。

I.引言

       未来航空航天内部通信系统必须采用新的、可接受的通信基础设施，以克服经过验证的航天协议的限制。这使得克服当前最广泛使用的解决方案MIL-STD-1553B的带宽限制成为可能，其有限的1 Mbps带宽已不再适用于现代高速应用，这些应用需要更快的数据传输速度。其他替代方案，如用作Ariane 6通信系统和NASA Artemis I任务机载系统的TTEthernet，虽然可用，但存在高昂的部署成本和缺乏灵活性的问题。随着所谓“新航天”背景下新型微发射器技术的引入，这一趋势得到了验证。这些发射器通常旨在释放相对较小的有效载荷，鉴于有效载荷尺寸较小，这些项目通常由发射器本身的可重复使用性或快速生产可行性驱动。由于这种范式转变，制造商正试图使用商用现成（COTS）组件，以最小化开发工作并增加与工业应用或其他领域新兴标准的互操作性。因此，推动微发射器设计的公司正在选择基于以太网技术的航空电子内部通信系统，因为其具有高带宽和互操作性。然而，传统以太网网络无法提供必要的实时传输需求，因此不适合航天网络。
       IEEE 802.1时间敏感网络（TSN）任务组在IEEE 802.1工作组内的标准化工作已经引入了一组支持以太网网络实时和可靠通信的标准。TSN是一组涵盖4个类别的标准：资源管理、整形/调度、时间同步和可靠性。TSN基于一些核心标准，以支持同步功能（IEEE 802.1AS/ASrev）、确定性调度流量（IEEE 802.1Qbv-2015）、高优先级帧对低优先级帧的抢占（IEEE 802.1Qbu-2016）、流量过滤和监管（IEEE P802.1Qci-2017）、冗余帧传输（IEEE 802.1CB-2017）以及网络配置（IEEE 802.1Qcc）。
       TSN目前既可用于定制设计，也可用于多家公司的COTS控制器。
       TSN标准的选择和实施与特定应用密切相关。TSN系统的实现细节，如网络拓扑、设备缓冲区、队列机制、时间同步精度等，需要由设计人员确定，并且应根据应用需求仔细定制所选标准。通过仅使用满足特定应用需求所必需的标准，可以简化网络配置和管理。特别是，我们致力于为发射器网络定义一种能够保证微小抖动服务的真实以太网解决方案。它需要满足两个主要要求：网络元素的同步和消息的确定性调度。因此，所提出的解决方案被称为TSN-Lite，基于IEEE 802.1AS/ASrev同步和IEEE 802.1Qbv调度标准。它们的应用通过构建根据指定时间表发送消息的队列，确保通过交换网络的调度流量具有定义的最大延迟。本文的主要贡献如下：

• 定义了TSN-Lite的两个不同版本，TSN-Lite-v1基于IEEE 802.1AS/ASrev和IEEE 802.1Qbv标准，以及TSN-Lite-v2在TSN-Lite-v1的基础上增加了对IEEE 802.1Q标准中优先级代码点字段管理的更改；
• 定义了用于评估TSN-Lite-v1和TSN-Lite-v2消息调度时间的优化问题；
• 在使用意大利航天局（ASI）开发的VEGA发射器的真实网络环境中评估了TSN-Lite-v1和TSN-Lite-v2，并与FTTE和TTEthernet等现有解决方案进行了比较，特别是对优化问题的结果进行了对比。

       本文的结构如下：第II部分描述了相关工作；第III部分概述了发射器网络；第IV部分介绍了实时以太网解决方案的现状；第V部分描述了TSN-Lite解决方案；第VI部分提出了消息调度优化问题；第VII部分展示了数值结果；第VIII部分报告了结论。

II.相关工作

       航天发射器或卫星的航空电子子系统通常基于诸如广为人知的 MIL-STD-1553B 协议的总线。尽管这种总线确保了航空航天应用所需的确定性和可靠性，但其有限的 1 Mbps 带宽已不敷使用。随着航空航天网络如今需要处理包括图像、语音和视频流在内的更大数据量，迫切需要通过提高数据传输速率和增强整体性能来升级解决方案。设计基于以太网的解决方案可以在可用带宽方面提升性能。一些基于以太网的解决方案已被提出，以使以太网标准能够具备处理实时特性。
       一个引人注目的解决方案是时间触发以太网（TTEthernet），它因能够提供具有可预测延迟的实时通信而在航空航天应用中受到关注。TTEthernet 提供了同步和高关键性数据流的时间分区，但它是一种与单一供应商市场和高成本相关的专有技术。
       为满足时间要求，一种用于下一代发射器的创新通信系统**灵活时间触发以太网（FTTE）已在文献中提出。这种解决方案使用传统以太网交换机，并定义了一种调度算法，用于在终端系统中运行的消息，能够避免网络链路中的带宽资源争用。FTTE 是一种有前景的解决方案，但短期内尚不成熟。
       时间敏感网络（TSN）小组任务是在电气和电子工程师协会（IEEE）802.1 工作组中成立的，旨在研究支持以太网网络中实时服务的新解决方案。
       TSN 重点关注基于 IEEE 802.1Qcr 的异步流量整形器（ATS）和基于 IEEE 802.1Qbv 的时间感知整形器（TAS）。ATS 是一种基于令牌桶的方法，应用于终端系统和交换机，但不适合发射器网络，因为它无法为周期性流量流提供确定性延迟。相反，TAS 定义了一种数据帧的时间驱动控制和调度机制。它为每个 TSN 设备提供了将多达 8 个流量整形器与每个端口的多达八个传输队列关联的机会；时间感知整形器允许根据周期性时间表定义可以发送帧的时间窗口。在这里需要指出的是，时间表是在流量类级别定义的，而不是像 TTEthernet 那样在单个帧级别定义。与调度单个帧相比，调度整个流量类为那些在流级别上严格时间约束和确定性不是最重要方面的用例提供了更大的灵活性。由于流量类是在帧的 VLAN 标签的 PCP 代码中定义的，仅使用 IEEE 802.1Qbv 无法实现对流级别的细粒度识别和控制。如果我们希望达到与 TTEthernet 相同的确定性水平，就需要诸如基于流的识别和过滤（在 IEEE 802.1Qci/802.1CB 中定义）等额外机制，这些机制可以根据流标识符识别帧，并覆盖 PCP 代码中编码的流量类。
       为避免使用 IEEE 802.1Qci/802.1CB 标准，我们提出了一种实时以太网解决方案，称为基于 IEEE 802.1AS/ASrev 和 IEEE 802.1Qbv 两个标准的 TSN-Lite。**性能评估以完成时间（即交付一个基本周期内所有消息所需的时间）为指标。其他论文已经评估和最小化了 TSN 的完成时间，例如，但没有一项被引用的工作对轻量级版本的 TSN（如本研究中提出的 TSN-Lite）进行最小化完成时间的评估。我们将在一个真实的航空电子应用案例中对 TTEthernet、FTTE 和 TSN-Lite 进行比较。

III. 发射器通信系统

       首先，我们对发射器通信系统进行一般性概述，下一部分将描述针对特定航天应用考虑的实时以太网选项。图1展示了一个发射载具通信系统的整体架构。发射器执行多个阶段，任务的主要高层操作如下：

• 地面阶段：在此阶段，发射载具为发射活动做准备。发射器组件通电，所有系统和有效载荷组件（如推进系统和航空电子设备）在发射台上进行验证，燃料箱加注并增压，地面活动一直持续到控制权移交到机载计算机（OBC）。

• 起飞和飞行阶段：当发动机启动且电机点火后，脐带脱落，发射载具开始起飞并进入上升阶段，在此阶段，它主要通过推力矢量控制系统（TVC）来遵循理想轨迹剖面。

       飞行本身的划分表明，航空电子架构被分解为与各个阶段紧密相关的模块。发射器需要使用全面的航空电子系统来执行任务。因此，每个阶段都有其自身的航空电子系统，包括由制导、导航与控制（GNC）子系统、机载软件、数据处理子系统（负责收集传感器数据、操作阀门和格式化遥测数据）以及其他子系统组成。GNC负责通过TVC保持发射器的任务轨迹和姿态。为了获取GNC所需的发射器状态，导航功能从惯性传感器接收测量数据，惯性传感器测量的角速率和加速度直接集成到导航算法中。因此，发射通信系统在上面级配备了导航单元（NAVU）。为了遵守任务操作和时间表，发射器必须保持由制导功能计算的参考姿态和参考角速度。控制功能根据导航和制导系统接收的信息，计算TVC和姿态与速率控制系统（ARCS）的姿态控制。制导提供参考推力方向和参考姿态。火箭每个阶段的执行机构（ACTUs）从位于上面级的OBC接收这些数据。最后，位于上面级的主阶段在整个任务期间运行并监督其他阶段，因此它还配备了遥测主单元（TMU）。

       总体而言，航空电子内部通信系统支持两种类型的消息：

• 时间触发（TT）消息：它们代表周期性的GNC消息和偶发消息。GNC必须实时且无错误地传输，因为预定义的轨道精度性能由周期性GNC机制保证。GNC算法专门处理已转换为工程格式的姿态、速度和位置数据，并计算执行器的新命令数据，以遵循最优轨迹。此外，还有一些命令仅用于触发关键事件，因此偶发消息必须在未指定预定时间间隔的情况下发布（例如，阶段分离、发动机点火）。然而，由于它们与重要事件相关，即使这些偶尔的信号也必须具有确定性延迟地传输。

• 遥测消息：它们允许地面实时查看和监督机载活动；这通过TMU实现。一些遥测数据可以在可能的情况下简单地提供，而其他遥测数据可能需要及时发送，以便识别异常并确定发射进展。TMU和地面将管理两类数据：i）即时视觉控制（CVI）消息，传输到地面并立即在屏幕上提供给任务控制；ii）延迟视觉控制（CVD）消息，尽快发送到地面并存储以供后续处理。

       大多数发射器将消息传输组织成称为基本周期（EC）的时间块，持续时间为TEC。例如，由ASI开发的VEGA发射器定义了持续时间为5毫秒的EC。交换GNC消息的两个终端提供周期为TEC的整数倍的周期性消息流。同一消息流的GNC消息必须以相同的网络延迟传输，因为所有GNC进程都是同步的，因此它们需要零抖动的服务。发射器网络中流量的确定性性质导致准入控制程序仅在初始发射阶段使用，在此阶段，带宽资源静态分配给每个GNC流，以确保确定性延迟，而遥测消息仅验证最大延迟约束。

IV.发射装置通信系统的实时以太网解决方案

V. 时间敏感网络的Lite版本

VI.消息调度的Tsn - Lite优化问题

VII.数值结果

VIII.结论

       FTTE的成本无疑低于TTEthernet和TSN。这是因为现在可以使用速度更高且成本较低的传统以太网交换机。然而，目前市场上尚无实现FTTE协议的产品。另一方面，TTEthernet已经成熟，其实施已经成为现实。尽管如此，当涉及到为其终端系统和交换机添加新功能时，TTEthernet缺乏适应性，更重要的是，由于其市场单一供应商的特性，与之相关的成本极高。最后，由极具声望的机构（IEEE）定义的TSN标准，不仅在航天领域，还在自动化和车辆领域得到了应用，这促成了多供应商市场的形成，这将使成本显著低于TTEthernet。因此，定义了基于动态优先级代码的TSN-Lite-v2。TSN-Lite-v2提供了简单的配置和实现，同时在保持与补充了IEEE802.1Qci标准的TSN相同的带宽效率的同时，提供了出色的性能。最后，与现有技术的性能对比表明，在考虑的航天应用中，TSN-Lite-v2的性能等同于久经考验的TTEthernet。