AFDX在航空通信系統(tǒng)中的應(yīng)用*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

新一代航空通信系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的話音通信擴展為高速數(shù)據(jù)、圖像、多媒體以及話音在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)，如此多元化的通信業(yè)務(wù)在航空通信系統(tǒng)中的集成和傳輸作為航空通信領(lǐng)域的關(guān)鍵專題技術(shù)，受到研究人員的廣泛關(guān)注。成本低、可靠性高、擴展性強、技術(shù)完備的航空通信系統(tǒng)統(tǒng)一信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計關(guān)系到航空通信系統(tǒng)的成敗。原來廣泛應(yīng)用的ARINC 429 總線技術(shù)正逐漸被Mil-STD-1553總線、光纖通道(Fiber Channel)、航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)/ARINC664等技術(shù)所取代，采用光纖通道、AFDX/ARINC664等技術(shù)所構(gòu)建的航空通信系統(tǒng)統(tǒng)一信息傳輸網(wǎng)絡(luò)在新一代航空通信系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

2 航空通信系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

目前，在民航飛機的航空電子系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的信息傳輸總線包括ARINC429總線、Mil-STD-1553 總線、光纖通道(Fibre Channel)和航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX/ARINC664)等[2]。

ARINC 429總線在空客340、波音767、麥道MD-11等大型民航飛機上廣泛應(yīng)用，是目前使用最廣泛的商用機載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有極強的穩(wěn)定性和可靠性。但該技術(shù)基于單向傳輸總線，所采用的單發(fā)射機式組網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)將會導(dǎo)致使用點對點的解決方案，這就需要通過大量的布線把位于飛機不同位置的各分系統(tǒng)連接起來，無形中增加了飛機的載荷重量。同時，其較低的數(shù)據(jù)率(高速為100 kbit/s，低速為12.5 kbit/s)也限制了該技術(shù)在當(dāng)今信息世界中的應(yīng)用前景。

美國軍方1973年制定的Mil-STD-1553 總線標(biāo)準(zhǔn)是一種在軍用航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的、實時性和可靠性很強的通信總線標(biāo)準(zhǔn)。Mil-STD-1553 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)所特有的實時特性使其在航空、航天等實時性要求較高的軍事領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。但Mil-STD-1553 總線要求專用且造價昂貴的硬件設(shè)備支撐，主要包括總線控制器(Bus Control，BC)、終端(Remote Terminal，RT)和監(jiān)視器(Monitor)。因此，Mil-STD-1553在民航飛機中尚未推廣應(yīng)用。

光纖通道(Fibre Channel)是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(ANSI)制定的關(guān)于計算機之間以及計算機與I/O設(shè)備之間的一種開放式高速數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。光纖通道技術(shù)是一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議采用光纖(支持銅纜)作為物理介質(zhì)，實現(xiàn)了高速串行I/O和網(wǎng)絡(luò)通信功能。光纖通道技術(shù)不僅滿足軍用航空電子較高速度和較低延遲的要求，而且可提供多種上層協(xié)議、多種拓?fù)?、多種類型的服務(wù)，非常適合用于替代1553總線。

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Dup lex Switched Ethernet，AFDX)是由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信協(xié)議經(jīng)過適應(yīng)性改進形成的，具有相對更高的可靠性、對惡劣環(huán)境更強的適應(yīng)性和更高的實時性，其傳輸速率可以達(dá)到100 Mbit/s，目前已經(jīng)應(yīng)用于先進的大型客機項目(A380、B787以及A400M軍用運輸機)。AFDX屬于分布式體系結(jié)構(gòu)，其成本低、擴展性好、技術(shù)完備等顯著特點決定其將成為構(gòu)筑新一代大型民航和空中作戰(zhàn)飛機航空電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3 AFDX在航空通信系統(tǒng)中的發(fā)展與應(yīng)用

縱觀航空電子系統(tǒng)的發(fā)展歷程，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來看航空電子系統(tǒng)分別經(jīng)歷了以下階段：

(1)“獨立設(shè)備”階段：該階段的航空電子系統(tǒng)每種設(shè)備均由各自獨立的傳感器、處理器和終端顯示操作設(shè)備等完成該設(shè)備的獨立功能，采用點對點的導(dǎo)線連接相關(guān)聯(lián)的獨立設(shè)備；

(2)“聯(lián)合式”階段：該階段的航空電子系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理器來完成通信、導(dǎo)航、飛行控制等諸如此類的管理功能，處理器之間用時分多路總線(MIL-STD-1553B)相連接，逐步實現(xiàn)了航空電子系統(tǒng)的集中控制和統(tǒng)一顯示，該階段在信息流的最后環(huán)節(jié)實現(xiàn)了資源共享；

(3)“綜合化”階段：采用現(xiàn)場可更換模塊完成各種信號處理和信息處理功能。這種開放式、模塊化的結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)容錯和系統(tǒng)重構(gòu)，同時，由于集成度增高、電路密度增加和實時數(shù)字處理增加，對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求也明顯增高。

信息化時代的航空電子系統(tǒng)對信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的綜合化、可擴展性、帶寬、傳輸實時性、可靠性等的要求越來越高，傳統(tǒng)的以ARINC 429或 Mil-STD-1553總線構(gòu)架的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)不足以達(dá)到如此高的帶寬和速率等要求。20世紀(jì)90年代末期，為了滿足民用航空電子系統(tǒng)對具有穩(wěn)定性能和更高數(shù)據(jù)率的需求，同時，確保系統(tǒng)兼容性、發(fā)揮商用現(xiàn)貨(COTS)硬件優(yōu)勢、減少設(shè)計開發(fā)成本、縮短研制周期，研究人員開始基于IEEE 802.3以太網(wǎng)技術(shù)研制新一代機載航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，ARINC664應(yīng)運而生。

ARINC664是由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)經(jīng)過適應(yīng)性改進而成的，其適應(yīng)性改進主要針對抵抗大中型飛機上相對惡劣環(huán)境、提高系統(tǒng)可靠性、保證信息傳輸實時性等方面。該技術(shù)使用IP尋址技術(shù)和傳輸協(xié)議(TCP/UDP)的IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)。

隨著2005年4月27日歐洲空中客車公司(Airbus)的A380在法國圖盧茲進行首次飛行，以及2007年10月首架A380交付新加坡航空公司[2]，標(biāo)志著AFDX在大型飛機中得以成功應(yīng)用，第一次在大型航空電子系統(tǒng)上實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的分立式電纜連接或共享介質(zhì)的總線構(gòu)架信息傳輸網(wǎng)絡(luò)向交換式網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，率先在大中型航空電子系統(tǒng)中擴大了互連信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，有效提高了信息帶寬，從而加強了航空電子系統(tǒng)的綜合化程度，克服了傳統(tǒng)航空電子系統(tǒng)布線復(fù)雜，維護、改型困難的缺點。

AFDX在A380和波音787的成功應(yīng)用促使航空電子系統(tǒng)進入新的高度綜合化的時代，歐美著名廠商掌握著AFDX關(guān)鍵技術(shù)并已實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機和端系統(tǒng)。而我國目前正處于大力發(fā)展大中型飛機的關(guān)鍵時期，深入研究AFDX對我國航空電子系統(tǒng)的發(fā)展及自主研究具有極其深遠(yuǎn)的意義[3-6]。

4 AFDX關(guān)鍵技術(shù)

AFDX網(wǎng)絡(luò)是一種通過虛擬鏈路通信的，具有最大延時的能夠確保帶寬、最大抖動和丟失概率的確定性網(wǎng)絡(luò)。AFDX技術(shù)基于IEEE 802.3和 TCP/IP，但是該技術(shù)采用了特殊強制實時傳輸策略以達(dá)到數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)奶匦?，從而滿足了航空電子系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃院痛_定性需求。該技術(shù)的特點主要體現(xiàn)在絕對尋址策略、傳輸定時約定、冗余管理、帶寬控制、實時性保證策略、聲音/圖像和二進制代碼同時高效傳輸?shù)确矫妗?/p>

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用AFDX技術(shù)，結(jié)合飛機內(nèi)部的各航電子系統(tǒng)物理分布和功能劃分，用多個交換機互聯(lián)構(gòu)成系統(tǒng)骨干交換網(wǎng)絡(luò)，每個交換機鏈接不同的航電設(shè)備作為端系統(tǒng)接入統(tǒng)一信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)為分布式系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 統(tǒng)一信息傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

AFDX網(wǎng)絡(luò)采用AFDX交換機替代傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的集線器、網(wǎng)橋和路由器,克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于傳輸鏈路共享造成的信道沖突，主要由終端系統(tǒng)(End System,ES)、虛擬鏈路(Virtual Link)和AFDX交換機(Switch)組成。

(1)虛擬鏈路

定義為邏輯上的單向連接，即從一個源終端向一個或多個確定的目的終端的傳輸連接。每個虛擬鏈路都設(shè)計了一個最大帶寬，而每個虛擬鏈接的最小包間隙(BAG) 和最大幀長( Lmax)參數(shù)決定了該虛擬鏈路的最大帶寬。

(2)終端系統(tǒng)

終端系統(tǒng)是需要植入各實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的航空電子系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部的子系統(tǒng)，其主要功能是完成AFDX系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流量整形。終端系統(tǒng)首先按照定義好的配置表將AFDX系統(tǒng)數(shù)據(jù)流整形后形成各個虛擬鏈路中定義的參數(shù)(最小包間隙和最大幀長)，再經(jīng)過調(diào)度混合器疊合后發(fā)送到交換機中。

(3)交換機

交換機的主要功能是完成AFDX系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。按照ARINC664 PART7的要求, 交換機應(yīng)該具有配置表、交換功能、監(jiān)控功能和仲裁過濾等功能。其虛擬鏈路允許一個發(fā)送端和多個接收端之間建立相互獨立的數(shù)據(jù)傳輸鏈接，應(yīng)用層的數(shù)據(jù)在終端系統(tǒng)里通過流量整形后形成虛擬鏈接上的數(shù)據(jù)。每一個虛擬鏈接的數(shù)據(jù)通過終端系統(tǒng)傳輸?shù)浇粨Q機網(wǎng)絡(luò),再靜態(tài)路由傳輸?shù)綄?yīng)的目的終端系統(tǒng)[7-13]。

系統(tǒng)連接框圖如圖2所示。

圖2 AFDX系統(tǒng)連接框圖

4.3 AFDX幀協(xié)議

AFDX數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其幀協(xié)議是在IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)開發(fā)的。與以太網(wǎng)幀協(xié)議不同的是：以太網(wǎng)協(xié)議中占6字節(jié)的目標(biāo)地址被進一步劃分為4字節(jié)的常數(shù)域和2字節(jié)的虛擬連接；以太網(wǎng)協(xié)議中的46～1 500字節(jié)的有效載荷(Payload)部分被進一步劃分為20 字節(jié)的IP頭、8 字節(jié)的UDP頭、1～1 472字節(jié)的有效載荷部分和1字節(jié)的序列號等4個部分，詳細(xì)內(nèi)容參見ARINC 664 Part 7[14-15]。

圖3 AFDX幀協(xié)議

5 結(jié)束語

信息化時代的航空通信系統(tǒng)要求尋求一種帶寬高、性能穩(wěn)定、傳輸可靠的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，而傳統(tǒng)的總線很難滿足系統(tǒng)的需求。AFDX網(wǎng)絡(luò)作為一種新型適合機載環(huán)境的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，以其成本低、可靠性高、擴展性強、技術(shù)完備等顯著優(yōu)勢在民航飛機的航電系統(tǒng)中得以成功應(yīng)用，深入研究AFDX在航空通信系統(tǒng)中的應(yīng)用對我國大型軍用和民用航空技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

參考文獻：

[1] 羅克強. 航空電子綜合化系統(tǒng)[M].北京: 航空航天出版社, 1990.

LUO Ke-qiang.Avionics Integration System[M].Beijing: Aerospace Press,1990.(in Chinese)

[2] 熊華鋼,李峭,黃永葵. 航空電子全雙工交換式從太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008，2(1):25-28.

XIONG Hua-gang, LI Qiao ,HUANG Yong-kui. Study on the Avionics Full-duplex Switched Ethernet Standards[J].Aeronautic Standardization & Quality, 2008,2(1):25-28. (in Chinese)

[3] Francois J, Etienne S. Using AFDX As ARINC429 replacement [R].France：Airbus，2004.

[4] ARINC 664,Aircraft Data Network ,Part7:Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX) Network [S].

[5] 吳建魯，楊福彪，劉煜.等. AFDX 技術(shù)特點及在艦載武器系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].指揮控制與仿真，2010，32(2):112-115.

WU Jian-lu, YANG Fu-biao,LIU Yi，et al. Characteristics of AFDX and Application Analysis in Shipboard Weapon System[J]. Command Control & Simulation,2010，32(2):112-115.

[6] 武華, 馬捷中, 翟正軍. AFDX端系統(tǒng)通信端口的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2009，28(3):56-59.

WU Hua, MA Jie-zhong, ZHAI Zheng-jun. Design and Implementa tion of Commun ica tion Port in AFDX End-System[J]. Measurement & Control Technology,2009，28(3):56-59. (in Chinese)

[7] 熊華鋼，周貴榮，李峭.機載總線網(wǎng)絡(luò)及其發(fā)展[J].航空學(xué)報，2006,27(6):1135-1144.

XIONG Hua-gang,ZHOU Gui-rong,LI Qiao. A Survey on Avionics Bus and Network Interconnections and Their Progress[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2006,27(6):1135-1144.(in Chinese)

[8] AFDX/ARINC 664 Tutorial(1500-049)，AFDX Protocol Tutorial[S].

[9] 任向隆, 馬捷中, 翟正軍.基于FPGA 的AFDX端系統(tǒng)協(xié)議棧虛鏈路層的研究與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2010，18(1):157-160.

REN Xiang-long, MA Jie-zhong, ZHAI Zheng-jun. Research and Implementation of VL Layer in AFDX End System Stack Based on FPGA[J]. Computer Measurement & Control, 2010，18(1):157-160. (in Chinese)

[10] Bus Tool/AFDX Visual Analyzer for AR INC664 /AFDX User′Manual[M].Santa Barbara：Condor Engineering,Inc.，2006.

[11] Rene L Cruz. A calculus for network delay,part I:network elements in isolation[J]. IEEE Transactions on information Theory,1991,37(1):114-131.

[12] 陳琳,汪健甄,安萬先,等.多路數(shù)據(jù)總線任務(wù)調(diào)度和仿真評價技術(shù)[J].電光與控制,2005,12(2):22-26.

CHEN Lin,WANG Jian-zhen,AN Wan-xian,et al. Task scheduling and simulation in multiple accessing data bus[J]. Electronics Optics & Control,2005,12(2):22-26. (in Chinese)

[13] 牛仕奇,嚴(yán)勝剛,任向隆.AFDX終端系統(tǒng)實現(xiàn)方案研究[J].計算機測量與控制,2009,17(12):2507-2520.

NIU Shi-qi, YAN Sheng-gang, REN Xiang-long. Research on Realization of AFDX End System[J]. Computer Measurement & Control, 2009, 17(12): 2507-2520.

[14] 姜震.航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué), 2004.

JIANG Zhen. Study on technologies of avionics unified network[D]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2004. (in Chinese)

[15] 葉佳字, 陳曉剛,張新家. 基于AFDX的航空電子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].測控技術(shù), 2008,27(6):56-60.

YE Jia-zi,CHEN Xiao-gang,ZHANG Xin-jia. Design of Avionics Commuiction Network Based on AFDX[J]. Measurement & Control Technology,2008,27(6):56-60.(in Chinese)