浅谈列车通信网络协议栈的实时性论文

　　引言

　　由于列车的高速化、智能化、信息化和运行密度的提高，常规列车网络控制系统已很难满足高速列车实时运行控制的安全性需求。列车通信网络(train communication network，TCN)保证列车牵引、供电、制动、监控、管理等大量信息安全、快速、准确、可靠地在整个列车上传输，达到列车高速安全稳定运行，已经成为现代高速列车网络控制系统的关键技术。IEC61375 提出TCN 具有两级通信总线层次结构，即多功能车辆总线(multifunction vehicle bus，MVB)和绞线式列车总线(wire train bus，WTB)及共享的上层实时协议(real-time protocols，RTP)。

　　抽象的标准框架、高度的复杂性、开放性实现方法和垄断厂商的关键技术壁垒给TCN 设备协议栈的设计、实现、验证、一致性测试带来诸多挑战。

　　国内外学者基于不同的关注点对TCN 中相关协议做了大量的研究。现有研究成果中3 种平台下的TCN 设备协议栈的设计验证，AweSim+VC6.0[10]、C和Petri 网，主要存在3 个方面的缺点：①硬实时性指标论证不足;②结论缺乏严格的事实基础，仿真场景多停留在单一MVB 总线或WTB 总线的分析与研究，忽略了跨总线数据传输和上层应用功能;③验证平台存在一定的局限性，如AweSim设计和研究网络协议专业性不够，C语言仿真程序分析结果不够直观，扩展性差，Petri 网在完整表达模型内涵方面显得不足。鉴于此，本文依据硬实时指标，建立了一种综合MVB、WTB和RTP在内的完备的TCN 设备协议栈模型，并针对当前仿真验证平台中的不足，基于OPNET+VC6.0 搭建了仿真场景，实现了协议栈模型的实时性分析和可行性论证。

　　1 理论基础

　　1.1 硬实时系统的特点

　　硬实时系统是指系统的正确性不仅依赖于其逻辑结果，还依赖于所有已接受的硬实时任务完成的时间。在硬实时通信中，报文带有明确的时间限制，这些时限必须满足，否则任务未能及时完成将导致灾难性后果。高速列车对速度、行车密度和安全性有苛刻的要求，其网络控制系统也是一种典型的硬实时系统。

　　1.2 TCN 硬实时指标

　　TCN 采用MVB+WTB 层次结构的两级通信总线，。两级总线均为周期性主从协议，提供过程数据、消息数据和监控数据3 种服务。

　　TCN 中报文的成功传输不仅取决于收到报文的完整性，还依赖于收到报文的时间。其中t_m为主帧传输时间，t_s 为从帧传输时间，t_ms 为总线主发送完主帧到开始接受响应从帧间的时间间隔。

　　2 TCN 设备协议栈总体架构

　　在Jimenez J 研究成果的基础上，借鉴OSI 七层参考模型分层而治的思想自顶向下设计TCN 协议体系结构。TCN系统中TCN网关设备功能最复杂，以TCN 网关设备为例， (MVB 设备协议栈类似，但不包括WTB 协议，且各层协议支持较少的功能)。基于硬实时指标，TCN 必须具备强实时性和高可靠性，这对设备协议栈的构建提出了更高的要求。由于MVB 和WTB 总线的通信速率固定，分别为1.5Mbit/s 和1Mbit/s，线路传输时延固定，只能限制报文大小和改进协议机制减小数据帧传输时延、排队时延和处理时延来提高实时性。其中MVB 协议和WTB协议位于协议栈的数据链路层，提供高效的底层介质分配和轮询机制，保证实时高效的数据交换;RTP 协议则根据实时性指标和应用需求，尽量减少排队时延和处理时延，为两级总线提供变量和消息两种通信服务;用户层实现上层应用配置和网络管理。

　　3 协议模型设计

　　3.1 MVB 协议模型设计

　　MVB 总线管理设备和WTB 网关设备均提供MVB 总线管理功能，包括过程数据周期轮询、消息事件仲裁、设备状态定期扫描和主权转移功能， MVB 总线上设备主要用来采集列车实时运行状态，设备功能相对简单，但通信设备数量较多。按硬实时指标，数据链路层必须采用周期性主从协议保证介质的高效分配和变量的快速交换。兼顾总线周期尽可能短和总线上各MVB设备过程数据均能够实时轮询，实现中采用短过程数据报文。主设备周期性广播仅带8bit 源端地址的主帧，响应从帧可根据应用装载8bit、16bit、32bit 或64bit 的过程数据，保证高效的小数据交换。实现中MVB 总线基本微周期取1ms，其中周期相占60%，随机相占40%。即在短至0.6ms 内，MVB总线主完成多个设备的过程数据周期轮询，在短至0.4ms 内完成设备状态定期扫描和MVB 中消息事件仲裁。同时，为提供可靠性保证，在MVB 总线上配置了多个总线管理设备(BA) 作为冗余备份，MVB 总线在总线管理主权转移宏周期中的最后一个微周期按令牌传递算法在所有BA设备间执行主权转移。