试论轨道车辆MVB通信网络的实时特性

试论轨道车辆MVB通信网络的实时特性

赵志航,李雨生,段一凡

中车唐山机车车辆有限公司河北唐山064000

摘要:现如今，MVB即多功能车辆总线被广泛应用于轨道交通车辆的车厢级通信网络，这已成为新一代列车通信网的发展趋势。应用MVB就必须满足轨道车辆对数据传输提出的实时性要求。MVB网络的端到端传输延迟主要分为报文分组在缓存器内的平均等待延迟、发送报文分组延迟、介质传播延迟等。而影响发送报文分组延迟的主要因素是报文分组的平均等待延迟受介质访问控制方式的约束;主设备消息事件请求帧的到达过程服从泊松分布,影响消息数据报文延迟的重要因素是多消息事件并发引发的事件仲裁延迟。根据多次仿真实验结果可以得出结论,MVB网络的过程数据具有报文分组传输时间确定、报文分组长度对网络延迟影响小等实时特性,但消息数据的报文延迟受网络负载的影响较大。运用排队理论分析主从轮询方式下过程数据的延迟与MVB的轮询周期、通信速率的关系;分析数据表明,该方法可以取代以往的国外经验值来配置网络,而且配置指标更符合实际运行的要求,并已经成功应用于实际设备的测试分析中。

关键词:MVB网络;实时性;延迟;性能仿真;车辆总线

一、前言

在轨道交通列车上存在着用以进行设备控制和旅客服务的大量信息,由于这些信息的数量和种类在不断增长,迫切需要一种大容量、高速度的信息传输系统。随着车载微机技术的发展,集列车内部测控和信息处理任务于一身的列车通信网络应运而生。1999年6月,由国际电工委员会制定的列车通信网络正式成为国际标准。国际上TCN成功应用的项目已经很多,如瑞典的斯德哥尔摩地铁列车,捷克的布拉格地铁列车,挪威的Gardemon等。国内也正在加紧研发列车通信网络以及各种车载设备,并且取得了很大的进步。但相对国外而言，我国研究起步较晚,所以相比之下我国仍需要有所提升。

二、MVB的网络特点

TCN中的多功能车辆总线(MVB)是一种便于传感器和执行机构连接的现场总线,可连接车辆内的各个设备。车辆设备是各种信息的发源地,它接受通信节点的命令,将各种信息(如过程数据与消息数据)按一定的格式送往通信节点。通信节点按功能可分为主节点与从节点,从节点将各设备送来的信息重新编排,按照主节点的命令,将信息按顺序送往主节点。通信节点的功能类似于网关,通过它们,列车总线与车辆总线之间才能交换信息,完成对整列车的控制、检测和诊断等信息的传输。在MVB的设计和实施过程中，准确地预测和分析该总线网络的性能非常重要。因此对MVB网络的性能进行分析研究，对下一步深入研究MVB技术有着重要的意义。

三、网络实时性计算模型

1、过程数据的延迟分析

从网络控制系统方面讲,轨道交通车辆的通信网引入MVB总线后成了真正意义上的分布式实时

控制系统,系统行为的正确性既与计算结果的正确性有关,也与产生结果的时间长短有关。为保证任务的执行性能以及应用层的对象需求,过程数据需要采用高效的方式在各个任务间及时地发送和接收,保证任务间的数据在一定延迟时间内及时地传输。

MVB网络的端到端传输延迟如图1所示。

图1MVB网络的端到端传输延迟

1)报文分组在缓存器内的平均等待延迟Tq从报文分组到达缓存器后开始排队到获得传输之间的延迟,该延迟由通信网络的介质访问控制方式决定。

2)发送报文分组的延迟Ts发送节点在传输链路上开始发送报文分组的第一个比特到发送完该报文分组的最后一个比特所用的时间,该延迟由报文分组的长度和网络传输速率决定。设报文分组长度为Lm，网络的传输速率为V,则即可求出发送报文分组的延迟为Ts。

3)介质传播延迟Tj发送节点在传播介质上发送第一个比特到该比特到达接收节点所用的时间,该延迟由传播介质的距离与传播介质的速度决定。

4)报文处理延迟Tp接收节点对收到的报文进行处理到提交给应用任务的时间延迟,其中包括协议拆分、报文拼装以及与应用任务通信等所用的时间,该延迟取决于通信节点的CPU对报文到达的中断响应机制以及实时内核的任务调度算法。这里涉及的端系统处理延迟与CPU的性能、操作系统等因素有密切关系,分析网络延迟时可暂时不予考虑。

于是过程数据的报文分组传输延迟Dp可表示为,报文分组到达发送节点缓存器开始排队至离开网络到达接收节点缓存器所用的时间,即为Dp=Tq+Ts+Tj。针对MVB网络来说，报文分组在缓存器内的平均等待延迟Tq主要受介质访问控制方式的制约，其是影响报文分组延迟不确定的主要因素。而在该网络中报文分组的长度是给定的，所以发送报文分组的延迟Ts也是唯一确定的。列车通信网的传输介质是双绞线,而且距离较短，传播时间非常小，几乎可以忽略不计。

2、过程数据的延迟计算

MVB采用主从轮询的方式进行介质访问，在轮询周期内,主控节点发送主帧数据依次轮询各从节点;从节点根据预选设定,发送不同数据格式的响应帧。设各从节点的报文分组到达时间间隔在统计上服从负指数分布,报文分组的平均到达率均为δ(分组s-1);节点间的漫游时间w为常数,且邻节点间的漫游时间w均相等。当主帧到达某一个从节点时,该节点获得网络传输速率为V的共用信道,设该节点停留的平均报文分组数(即报文分组的长度为L)为N,则发送节点缓存器内的全部报文分组所用的时间为NL/V。当从节点把缓存器内的所有报文分组发送完毕后,它在漫游时间w内将信道转移给下一个节点。

3、消息数据的延迟计算

MVB的基本周期包括周期相和偶发相。在偶发相中,主节点发送一般事件请求帧轮询各从节点报告事件。一旦出现多个从节点同时有消息事件报告出现冲突的情况,主节点就会启动事件仲裁机制,只询问一个从节点,即主节点通过发送组事件请求,最后收到一个正确的消息事件响应。之后,主节点进行事件巡回,依次解决所有的消息事件请求。主节点消息事件请求帧的到达过程可作如下约定。

四、实验结果与分析

通过上述结果中可以看出,用实验分析值可以代替经验参考值设置总线的通信速率、轮询周期等,从而可以进一步研究设计MVB网络的通信速率、轮询周期以及测控数据的实时要求,从而为MVB网络的深入研究打下坚实的基础。

五、结束语

当下，MVB网络是最新的轨道交通车辆通信网络。本文主要对MVB网络的通信体系，影响报文分组实时传输的因素以及该网络的总线轮询周期进行了分析。MVB网络的报文分组的延迟内涵和通信机制也是重点的研究对象，建立了报文分组实时传输的数学分析模型,在不同通信速率下仿真了报文分组的延迟情况。此类方法在当下已投入具体设备的测试分析中。

参考文献：

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