MVB非周期信息的通信帶寬分配策略研究*

曾秋芬,陳特放，劉毅斌

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

多功能車(chē)輛總線MVB(Multifunction Vehicle Bus)是由國(guó)際電工委員會(huì)IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)定義的用于連接車(chē)輛或固定編組的車(chē)輛單元內(nèi)部各種設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線[1]。它支持兩類(lèi)信息的通信：周期信息和非周期信息，前者主要包括控制命令、速度、流量等，后者則包括故障信息、旅客信息等。周期信息的傳輸有嚴(yán)格的時(shí)間限制要求,是一個(gè)具有確定響應(yīng)時(shí)間的實(shí)時(shí)通信過(guò)程[2]；非周期信息是基于特定需求產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，其傳輸不定時(shí)，信息長(zhǎng)度、到達(dá)時(shí)間不確定。由于非周期信息存在諸多的不定因素，所以對(duì)它的研究分析相對(duì)較復(fù)雜。

針對(duì)其他現(xiàn)場(chǎng)總線的非周期通信，部分學(xué)者在調(diào)度性能及算法方面作了大量的研究工作，取得了一定的成果[3,4]。為了更加有效地利用通信帶寬，本文對(duì)MVB總線通信帶寬分配的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析,以期為MVB的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 MVB通信的帶寬分配

MVB總線通信由單一的總線管理器控制，根據(jù)兩類(lèi)信息各自通信的特點(diǎn)，采取不同的介質(zhì)訪問(wèn)方式保證兩類(lèi)信息的傳輸，以協(xié)調(diào)不同MVB設(shè)備對(duì)總線的需求。MVB的宏周期由 2n個(gè)(n=1...10)基本周期組成，如圖1所示，每個(gè)基本周期分為周期相和偶發(fā)相兩個(gè)時(shí)間片。在周期相中，總線管理器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的周期掃描表依次輪詢(xún)各個(gè)設(shè)備的周期信息，以保證信息的及時(shí)更新，確保其實(shí)時(shí)性；非周期信息的通信則在偶發(fā)相中完成，由于這類(lèi)信息的到達(dá)具有隨機(jī)性，無(wú)法事先給定一個(gè)輪詢(xún)表來(lái)有效地管理，故采用事件觸發(fā)的方式，由總線管理器對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行事件的巡回、仲裁和調(diào)度。

圖1 MVB基本周期

周期和非周期信息通信帶寬的分配是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的過(guò)程。由于MVB的通信帶寬是固定的，基本周期默認(rèn)為1 ms，因此周期信息通信帶寬的增加將導(dǎo)致非周期信息通信帶寬的減少，反之亦然。周期信息的數(shù)據(jù)量固定，傳輸時(shí)延短而確定，且在信息的截止期內(nèi)必須完成通信活動(dòng)，所以可以對(duì)周期信息的通信帶寬進(jìn)行精確計(jì)算并預(yù)先分配，總線管理器必須嚴(yán)格保證對(duì)周期信息通信的帶寬分配；非周期信息可分為高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)兩種級(jí)別，對(duì)具有高優(yōu)先級(jí)的非周期信息，例如危及列車(chē)安全運(yùn)行的故障信息，如果傳輸不及時(shí)，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。為保證這類(lèi)時(shí)間限制嚴(yán)格的非周期信息通信，需要分配足夠的通信帶寬，通常所分配的帶寬要比實(shí)際需求高。然而，在非周期信息通信所占比例很小的情況下，這樣的帶寬分配會(huì)限制周期信息的最大傳輸量，造成通信帶寬的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，為提高整個(gè)MVB的通信帶寬利用率，研究MVB非周期信息的通信帶寬分配策略具有重要意義。

2 兩種非周期信息帶寬分配策略的分析與比較

MVB非周期信息通信可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種帶寬分配策略，結(jié)合非周期信息的高低優(yōu)先級(jí)別，上述兩種策略采用不同的帶寬分配方式。靜態(tài)分配策略是在每個(gè)基本周期的偶發(fā)相中，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)別的非周期信息預(yù)先劃分固定比例的帶寬，例如高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)非周期信息帶寬的分配比例為5:5。動(dòng)態(tài)分配策略是在滿足所有高優(yōu)先級(jí)非周期信息通信需求后，將剩余可用的帶寬分配給低優(yōu)先級(jí)信息通信。

2.1 非周期信息模型

假設(shè)某一MVB網(wǎng)段有N個(gè)設(shè)備,參與通信的非周期信息數(shù)為NA個(gè)，則每個(gè)非周期信息可表示為：

2.2 兩種帶寬分配策略的訪問(wèn)延遲分析

如果MVB中高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)的非周期信息平均每毫秒到達(dá)的幀數(shù)分別為 λh和 λl，且信息的到達(dá)服從泊松過(guò)程，則在時(shí)間T內(nèi)出現(xiàn) kh和kl個(gè)高、低優(yōu)先級(jí)非周期信息的概率分別為：

由上述分析可知，兩個(gè)及以上非周期信息的并發(fā)沖突將啟動(dòng)總線管理器進(jìn)行事件仲裁，此時(shí)信息不能順利發(fā)送，即發(fā)生了阻塞[6]，由此可得高、低優(yōu)先級(jí)非周期信息通信的阻塞概率為：

根據(jù)Little公式[7]，得到高、低優(yōu)先級(jí)非周期信息通信的訪問(wèn)延遲：

這里假設(shè)宏周期T為64 ms，MVB總線的通信速率為1.5 Mb/s，高、低優(yōu)先級(jí)信息中幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為256 bit，信息的發(fā)送時(shí)延＜1 μs，傳播時(shí)延與具體設(shè)備有關(guān)，故此處二者均忽略不計(jì)。由于高優(yōu)先級(jí)非周期信息僅包含控制參數(shù)調(diào)整等少數(shù)信息，所占比例較小，因此假設(shè)高、低優(yōu)先級(jí)非周期信息所占比例分別為 30%、70%,即 λh:λl=3：7。同時(shí)考慮非周期信息通信在整個(gè)信息通信中所占的不同比例：20%、30%和40%，可以得到不同比例下高、低優(yōu)先級(jí)非周期信息的訪問(wèn)延遲。

以下對(duì)兩種帶寬分配策略的訪問(wèn)延遲進(jìn)行比較。圖2和圖3分別是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)帶寬分配策略下，高、低非周期信息通信的訪問(wèn)延遲，圖中不同的線型代表非周期信息通信所占的不同比例。圖3(a)中只給出非周期信息通信所占比例為20%的訪問(wèn)延遲，這是因?yàn)楫?dāng)所占比例為30%或40%時(shí)，高優(yōu)先級(jí)非周期信息沒(méi)有明顯的訪問(wèn)延遲。對(duì)比圖2和圖3，可知?jiǎng)討B(tài)帶寬分配策略更好地保證了高優(yōu)先級(jí)非周期信息的通信，例如0.4 frame/ms的非周期負(fù)載，高優(yōu)先級(jí)非周期信息在靜態(tài)分配下延遲達(dá)60 ms以上，而動(dòng)態(tài)分配時(shí)僅為30 ms。值得一提的是，高優(yōu)先級(jí)非周期信息的這種通信保證是以犧牲低優(yōu)先級(jí)信息的通信性能為代價(jià)的。對(duì)比圖2(b)和圖3(b)，在相同的通信負(fù)載下，低優(yōu)先級(jí)信息動(dòng)態(tài)分配的延遲遠(yuǎn)大于靜態(tài)分配的延遲。

圖2 靜態(tài)分配策略訪問(wèn)延遲

圖3 動(dòng)態(tài)分配策略訪問(wèn)延遲

當(dāng)高優(yōu)先級(jí)非周期信息不存在或所占比例很小時(shí)，使用動(dòng)態(tài)帶寬分配策略可以有效減少非周期通信的帶寬比例，分配更多的帶寬給周期通信，從而提高整個(gè)總線的帶寬利用率；當(dāng)高優(yōu)先級(jí)非周期信息量較大時(shí)，靜態(tài)帶寬分配策略能在滿足周期信息通信的同時(shí)，提高低優(yōu)先級(jí)非周期信息的通信性能。可以針對(duì)不同的通信狀況采用相應(yīng)的帶寬分配策略。

MVB非周期信息的通信是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本文在研究MVB非周期信息調(diào)度的同時(shí)，對(duì)非周期信息的通信帶寬分配策略進(jìn)行了分析比較，給出了MVB高、低優(yōu)先級(jí)信息的訪問(wèn)延遲公式，總結(jié)了各種策略的適用范圍，為工程技術(shù)人員提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)。

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