基于TTE网络的NCS端到端延迟问题研究

摘要

网络控制系统(Networked Control System，NCS)是借助于实时通信网络而构成的闭环实时反馈控制系统。NCS深度融合了计算过程和物理过程，具有易扩展、高可靠性、布线少等优点，已经成为国际控制理论界的一个学术热点问题。随着该系统对满足时间约束和无差错通信的要求越来越高，TTE(Time-Triggered Ethernet)等确定性协议在该领域的应用越来越广泛。但由于在反馈回路中引入通信网络，存在信息冲突、重传等现象，出现了如网络时延、传输抖动及数据包丢失等许多待研究问题。
　　本文通过对NCS中端到端延迟特征进行分析，设计了准确的端到端延迟分析算法和网络缓冲区分配策略，研究了使用仿真工具对系统进行建模并对端到端延迟进行仿真分析的方法。论文的主要工作包括:
　　1.结合NCS的结构和特点，以及TTE等确定性协议在该领域应用的趋势，分析了使用TTE协议进行通信存在的问题:端到端延迟计算、缓存分配和基于TTE网络的NCS的仿真建模。同时，整理了近年来针对这些问题的研究进展，并从中总结出具有研究意义和应用价值的研究方向。
　　2.分析了网络控制系统中端到端延迟的组成。通过分析网络时延的组成，定义了端到端延迟的概念，并详细分析了端到端延迟各个部分的形成原因。
　　3.提出了FWA(Flow-grained Worst-case end-to-end delay Analysis)端到端延迟计算方法。该方法以流为粒度，计算流从源节点传输到目的节点产生的延迟，考虑相同和不同链路上的时间触发流与速率约束流交互产生的延迟。最后对比实验表明，FWA分析方法可以明显提高计算的精确度，且时间复杂度较低。
　　4.提出了FBD(Forward Buffer Dimensioning)缓存分配方案。首先，总结节点缓冲区占有率什么时候出现最坏情况。为了计算该最坏情况下节点缓冲区的占有率，提出了计算到达速率最大时帧数量的方法和最小化发送帧速率的类LPT服务算法。最后，通过实验与其他分配方案进行比较，证明了该方法的有效性。
　　5.扩展TrueTime以对基于TTE的NCS进行仿真建模。使用TrueTime库和扩展模型对示例TTE配置进行建模和仿真。最后，将仿真结果与数学分析算法的结果进行比较和分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1．网络延迟的分析和控制方法

1．2．2．系统建模相关研究

1．3 本文研究内容

1．4 论文组织结构

第2章 网络控制系统中的端到端延迟分析

2．1 端到端延迟定义及组成

2．2 网络协议对端到端延迟的影响

2．2．1．事件触发通信协议

2．2．2．时间触发通信协议

2．3 TTE网络相关概念

2．4 本章小结

第3章 FWA端到端延迟计算方法

3．1 引言

3．2 FA方法介绍

3．3 具体问题描述

3．4 TTE网络结构形式化模型

3．5 FWA端到端延迟分析模型

3．5．1．RC帧之间的互相影响

3．5．2．TT帧以及网络整合传输模式的影响

3．5．3．其他因素的影响

3．5．4．时间复杂度分析

3．6 案例分析

3．6．1．洗牌模式下FWA计算过程

3．6．2．抢占／及时阻断模式下FWA计算过程

3．7 实验与结果分析

3．7．1．FWA实现和测试案例选择

3．7．2．精确度比较

3．7．3．计算开销比较

3．8 本章小结

第4章 网络交换机缓存分配策略

4．1 引言

4．2 缓冲区分配方案

4．2．1．最大化帧到达速率

4．2．2．最小化帧服务速率

4．2．3．FBD算法缓冲区分配计算

4．3 案例分析与实验

4．3．1．测试案例选择

4．3．2．案例计算过程

4．3．3．实验结果对比与分析

4．4 本章小结

第5章 系统仿真模型设计

5．1 引言

5．2 TrueTime工具介绍

5．3 TrueTime上TTE网络模型设计

5．3．1．时钟模型

5．3．2．交换机模型

5．3．3．主机模型

5．4 TrueTime上TTE网络模型具体实现

5．4．1．TTE主机模型

5．4．2．TTE交换机模型

5．5 端到端仿真结果与分析

5．5．1．模拟设置和方法

5．5．2．仿真模型的开销

5．5．3．TTE仿真模型与FWA端到端分析比较结果与分析

5．6 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果