一种基于时间触发通信业务的调度优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间触发通信业务的调度优化方法，该方法基于分布式综合模块化航空电子系统的业务特性，将其与时间触发机制结合，使得其同时支持时间触发和事件触发两种业务，从而提升系统的时效性和稳定性。为了进一步提高系统资源的利用率，本方案提出了时间触发业务的静态调度表生成算法，优化目标是使得时间触发业务尽可能的分散排布，从而得到数目最大的空闲时隙数，为后续事件触发业务提供均匀的时间资源来提升系统的稳定性。本发明专利技术提出了一种新的二维装箱算法，引入约束条件来达到优化时间触发业务均匀分散排布的目的，从而提升了系统的时延性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间触发通信业务的调度优化方法
本专利技术涉及信息控制与航空电子
，具体涉及分布式综合模块化航空电子(DistributedIntegratedModularAvionics,DIMA)中的一种基于时间触发通信混合安全关键的业务调度方法。
技术介绍
现代航空电子系统正在完成从电子机械密集形态向软件密集形态的过渡，其体系结构也从集中式向分布式过渡，DIMA航空电子系统应运而生并成为该领域的主流发展方向。在DIMA系统中，通讯业务包含具有周期性、对时效性要求高的关键安全类数据业务，和基于事件触发、时效性要求较低的数据业务。SAEAS6802标准中所定义的时间触发以太网(Time-TriggeredEthernet,TTE)则是同时支持周期性时间触发(Time-Triggered,TT)业务和非周期性事件触发(EventTriggered,ET)业务的以太网体系，其网络特性可以很好的满足DIMA系统对数据通信的要求。时间触发以太网中，通过预先设置业务调度时间表来保证TT业务的时效性和无冲突传输，调度表中空闲的时间段则是供给后续的ET业务。由此可见，TT业务调度时间表排布的情况，直接影响TT业务和ET业务传输的时间资源分布，所以优化TT业务调度算法具有非常重要的意义。传统的调度表是由SMT解决器对与命题相关的布尔变量进行搜索得到可行解的方式生成的，其优化程度较低且运算复杂度较高，并且只考虑TT单一业务特性，并没有考虑TT时间调度表编排结果对ET业务的影响，从而导致TT业务调度时间表编排处理复杂，ET业务传输延迟和抖动大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种混合安全关键的业务调度方法，在保证TT业务的时效性和无冲突的前提下，又使得后续ET业务的传输时延更低，性能更加稳定。为了实现上述任务，本专利技术将TT业务的调度问题转换为二维装箱问题。一种基于时间触发通信业务的调度优化方法，包括以下步骤：将TT业务调度问题转化为装箱问题，其中，TT数据帧的传输时间作为装箱问题中的空箱子，将TT数据帧作为装箱问题中的物块；对网络拓扑结构进行区域划分，并对TT数据帧进行分组；对不在分组内的全局的TT数据帧进行装箱，然后对分组后的每一组TT数据帧依次进行装箱，并对装箱结果求解。进一步地，所述的空箱子的大小LCM为所有TT数据帧发送周期的最小公倍数或为最小公倍数的整数倍；所述的空箱子的长为所有TT数据帧周期的最大公约数或其他公约数；所述的物块的长为LCM/period，物块的高为length/Rate，其中period为TT数据帧的周期，length为TT数据帧的帧长，Rate为网络传输系统的处理速率。进一步地，所述的对网络拓扑结构进行区域划分的过程包括：对网络拓扑结构中的交换机进行编号，然后将网络拓扑结构按照交换机进行区域的划分，每个区域由交换机和交换机上直连的终端组成。进一步地，所述的对TT数据帧进行分组的过程包括：对于所有只在一个区域内传输且只需要一个交换机服务的TT数据帧，将这些TT数据帧作为一组，并以所述交换机的编号进行组别命名；将不满足上述分组条件的TT数据帧记为全局的TT数据帧。进一步地，所述的对不在分组内的全局TT数据帧进行装箱之前，先通过TT数据帧的帧长来设定两个不同的层高来限制装箱过程；其中第一个层高为最大层高Ht，其数值不小于所有TT数据帧中的最大帧长；第二个层高为平均帧长层高Ha，其数值等于所有TT数据帧的平均帧长。进一步地，所述的对不在分组内的全局TT数据帧进行装箱的过程包括：步骤2.2，根据最大层高Ht和平均帧长层高Ha对全局的TT数据帧进行装箱操作，过程如下：步骤2.2.1，对于待装箱的一个TT数据帧，首先在箱子的第一层中找到符合TT数据帧空间且堆叠高度最低的一处位置，验证此位置的高度是否已经超过平均帧长层高Ha，如果超过平均帧长层高Ha则执行步骤2.2.2，否则执行步骤2.2.3：步骤2.2.2，验证将TT数据帧装在此位置是否会使得高度超过最大层高，如果没有超过最大层高，那么则将TT数据帧装在此位置，并进行记录，然后开始对下一个TT数据帧进行装箱；步骤2.2.3，如果没有超过平均帧长层高Ha，则：继续寻找除了当前位置之外符合TT数据帧空间且高度最低的一处，按照步骤2.2.2相同方法继续验证，如当前层位置不足，则在下一层中寻找位置，直至TT数据帧完成装箱。进一步地，所述的对分组后的每一组TT数据帧依次进行装箱的过程包括：依次对每个分组的TT数据帧按照步骤2.2.1-步骤2.2.3相同的方法分别进行装箱，因为分组的TT数据帧彼此可以同时进行传输，所以可以对之前保存的装箱结果进行重复装箱以达到时域复用的效果。进一步地，所述的对装箱结果求解的过程包括：将所有的TT数据帧随机排列生成N个不同个体，对每个个体分别进行装箱，并对装箱的结果进行性能检测，并计算个体的适应度；从N个个体中选择适应度较好的N/2个为优质群体，对优质群体进行选择、交叉操作，生成N/2个子代新个体，将新个体与优质群体合成新的群体，对新群体进行循环，直至循环到指定代数或优质群体的适应度不再变化为止，从最后一代群体中选出最优个体作为结果。进一步地，所述的对装箱的结果进行性能检测的过程包括：步骤3.2.1，根据装箱结果，得到TT数据帧的时间调度表，从而得知空闲时间段和TT数据帧在箱子中占用的时间区域；步骤3.2.2，模拟仿真装箱结果应用于实际通信环境中的情况，假设每个时隙都有随机概率出现ET消息，该ET消息帧长也是随机的；步骤3.2.3，统计每个ET消息出现时，系统中的排队长度，即排队时延；完成模拟仿真，仿真的运行时间为所述集群周期LCM的整数倍；步骤3.2.4，按照下面的公式计算个体的适应度：Fit＝ω1·Fit1+ω2·Fit2上式中，Fit表示适应度，blanki表示调度表中的空闲时间段，表示空闲时间段的平均值，n表示空闲时间段的个数，queuei表示非空闲时间段，m表示非空闲时间段的个数，ω1、ω2表示算子，其中ω1+ω2＝1。进一步地，所述的交叉操作的过程包括：选取优质群体中的2个个体，从所有的TT数据帧中选出总体数量的25％和25％的不同的A、B两组，并分别在选出的2个个体中找到A、B两组TT数据帧的位置，生成子代新个体，将所述的A、B两组TT数据帧放在新个体的对应位置，对剩余的50％数量的TT数据帧进行随机排列。本专利技术与现有技术相比具有以下技术特点：1.提升了通信资源利用率：对时间触发TT业务的编排效率，在同等调度周期分布的条件下可以编排更多的TT消息；2.具有更好的全局优化性能：充分考虑了TT业务编排结果对ET业务的影响，在保证TT业务的时效性的同时，使得ET业务的传输时延更低，抖动更小；3.计算复杂度低：将业务编排转换为典型的装箱问题，降低了计算复杂。附图说明图1为网络拓扑结构；图2为将TT业务调度问题转化成二维装箱问题的过程；其中(a)为按照排序A-B-C-D依次对TT帧进行装箱的示意图，(b)为将物块化的TT数据帧按照周期分开的示意图，(c)为将装箱结果转化回调度表的示意图，(d)为TT数据帧视域复用时的示意图(B、E复用，可同时传输)。在图中，A-E为TT数据帧，T1-T8为箱子层数。图3为综合考虑事件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：将TT业务调度问题转化为装箱问题，其中，TT数据帧的传输时间作为装箱问题中的空箱子，将TT数据帧作为装箱问题中的物块；对网络拓扑结构进行区域划分，并对TT数据帧进行分组；对不在分组内的全局的TT数据帧进行装箱，然后对分组后的每一组TT数据帧依次进行装箱，并对装箱结果求解。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：将TT业务调度问题转化为装箱问题，其中，TT数据帧的传输时间作为装箱问题中的空箱子，将TT数据帧作为装箱问题中的物块；对网络拓扑结构进行区域划分，并对TT数据帧进行分组；对不在分组内的全局的TT数据帧进行装箱，然后对分组后的每一组TT数据帧依次进行装箱，并对装箱结果求解。2.如权利要求1所述的基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，所述的空箱子的大小LCM为所有TT数据帧发送周期的最小公倍数或为最小公倍数的整数倍；所述的空箱子的长为所有TT数据帧周期的最大公约数或其他公约数；所述的物块的长为LCM/period，物块的高为length/Rate，其中period为TT数据帧的周期，length为TT数据帧的帧长，Rate为网络传输系统的处理速率。3.如权利要求1所述的基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，所述的对网络拓扑结构进行区域划分的过程包括：对网络拓扑结构中的交换机进行编号，然后将网络拓扑结构按照交换机进行区域的划分，每个区域由交换机和交换机上直连的终端组成。4.如权利要求1所述的基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，所述的对TT数据帧进行分组的过程包括：对于所有只在一个区域内传输且只需要一个交换机服务的TT数据帧，将这些TT数据帧作为一组，并以所述交换机的编号进行组别命名；将不满足上述分组条件的TT数据帧记为全局的TT数据帧。5.如权利要求1所述的基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，所述的对不在分组内的全局TT数据帧进行装箱之前，先通过TT数据帧的帧长来设定两个不同的层高来限制装箱过程；其中第一个层高为最大层高Ht，其数值不小于所有TT数据帧中的最大帧长；第二个层高为平均帧长层高Ha，其数值等于所有TT数据帧的平均帧长。6.如权利要求5所述的基于时间触发通信业务的调度优化方法，其特征在于，所述的对不在分组内的全局TT数据帧进行装箱的过程包括：步骤2.2，根据最大层高Ht和平均帧长层高Ha对全局的TT数据帧进行装箱操作，过程如下：步骤2.2.1，对于待装箱的一个TT数据帧，首先在箱子的第一层中找到符合TT数据帧空间且堆叠高度最低的一处位置，验证此位置的高度是否已经超过平均帧长层高Ha，如果超过平均帧长层高Ha则执行步骤2.2.2，否则执行步骤2.2.3：步骤2.2.2，验证将TT数据帧装在此位置是否会使得高度超过最大层高，如果没有超过最大层高，那么则将TT数据帧装在此位置，并进行记录，然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红春，赵冶，刘晓平，王国栋，程德玉，张家超，
申请(专利权)人：西安云维智联科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61