航空航天数据总线技术发展综述二

在上一期的“航空航天数据总线技术发展综述（一）”中，我们主要介绍了MIL-STD-1553B、ARINC429、RS485及CAN等部分航空航天数据总线技术，本期将针对AFDX、TTE、Ethernet及FC总线等通信速率达到百兆以上的高速数据总线技术进行详细介绍。

 

一、AFDX总线技术

航空电子全双工交换以太网（AFDX:Avionics Full-Duplex Switched Ethernet）就是基于标准（IEEE802、3以太网技术与ARINC664 Part7）定义的电子协议规范，主要用于实现航空子系统之间进行的数据交换。AFDX就是通过航空电子委员会审议的新一代机载以太网标准，AFDX允许连接到其他标准总线如ARINC429与MIL-STD-1553B等，并允许通过网关与路由与其他的适应ARINC664但非确定的网络通讯。AFDX就是大型运输机与民用机载电子系统综合化互联的解决方案。

AFDX的传输速率可达1000Mpbs，传输介质为铜制电缆或光纤。AFDX中没有总线控制器，不存在1553B中集中控制的问题。同时，AFDX采用接入交换式拓扑结构，使它的覆盖范围与可支持的节点数目远远超过了1553B总线。

AFDX的主要特点如下：

（1）全双工：物理层的连接介质就是两个双绞线对，一对用于接收，另一对用于发送；

（2）交换式网络：网络连接采用星型拓扑结构，每个交换机最多可连接24个终端节点，交换机可以级联以实现更大规模的网络。

（3）确定性：网络采用点到点网络，通过使用虚连接以保证带宽。

（4）冗余：双重网络提供了更高的可靠性。

（5）网络传输速率可选择10Mbps、100Mbps和1000Mbps

空中客车公司在最新研制的A380飞机上就率先采用AFDX总线，同时波音公司在最新研制的787与747-400ER飞机中也采用了AFDX作为机载数据总线。

 

二、TTE

时间触发以太网（TTE，Time-Triggered-Ethernet），即以时间触发代替事件触发，将通信任务通过合理的调度定时触发发送。时间触发概念的提出，其目的就是在于通过全局时钟精确同步，可有效避免数据帧征用物理链路，保证通信延迟与时间偏移的确定性。时间触发与事件触发相比在系统确定性、资源损耗、可靠性、实时性上有很大优势。

TTE总线技术具有高数据量、高实时性等特点，能适应分布式综合模块化航空电子架构的发展。

TTE网络就是在标准IEEE802、3以太网上实现的时间触发网络协议，可作为完全分布的、严格确定性的安全关键性计算及联网平台，目前支持100Mb/s与1000Mb/s速率，10000Mb/s速率的TTE网络也在开发过程中。

TTE总线技术兼容了时间触发协议与以太网技术的优势，能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流、AFDX数据流与TTE网络数据流，具备更高的安全性与强有力的容错机制，拥有非常广阔的应用前景，有望作为AFDX互连的子集，在大中型飞机的综合化互联中扮演重要角色。目前，美国航天局已将TTE的一些技术应用在了猎户座载人探索飞行器上（Orion Crew Exploration Vehicle）。

 

三、Ethernet

在地面局域网中，以太网就是首选的局域互连技术，速率从百兆到千兆，正向万兆以太网技术发展。Ethernet来源于商业应用，虽没有军品级器件，但商业支持非常强，被NASA推荐为将来可在空间应用的总线之一。国际空间站与一些小卫星上已采用过这种总线。

目前，用于解决地面局域网宽带接入问题的就是无源光网络技术（passive optical network，简称“PON”），近十年来随着光通信技术的成熟，PON技术开始走上了大规模的应用，可解决接入网的带宽瓶颈问题。其传输速率支持上下行对等1.25Gbps或下行2.5Gbps、上行1.25Gbps，目前最高支持上下对等10Gbps的带宽；PON技术就是一种点对点的结构，下行方向（网络到用户）采用TDM广播机制，上行（用户到网络）采用TDMA复用方式，因此下行方向具有共享媒介的特性；并采用单模光纤作为传输介质，传输距离最大可达10km~20km，采用无源光分路器取代了有源复用器或交换机，简化了光纤分配网的设计，提高了传输链路的可靠性，因此便于运行、维护与管理并且成本低廉等特点。

不论在国内还是国外，无源光网络技术因其独特的优势都在大规模商用，中国电信与中国联通以EPON为主进行接入网部署，日本与韩国当前也均以EPON为主，北美与中东以GPON为主。EPON与GPON，尤其就是EPON在商用领域的产业链已经走向成熟。

 

四、FC总线

光纤通道（FiberChannel，简称FC）就是美国国家标准委员会（ANSI）的X3T11小组于1988年开始制定的高速串行传输协议，将计算机通道技术与网络技术有机结合起来，具有全新概念的通信机制。FC采用通道技术控制信号传输，在共享介质时采用基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制与基于信用（Credit）的流量控制策略，信道的传输效率较高，适用于网络负载较重的应用系统中。

光纤通道的高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构与服务类型、支持多种上层协议与底层传输介质以及具有流量控制功能，使得它能够很好地满足未来航空电子系统互连的要求。美国在“宝石台”与“宝石柱”计划的基础上，开展了JAST计划研究，把统一网络引入航电系统，并把FC作为统一网络的总线标准。

目前，光纤通道已应用于美国航空电子的升级换代中，如：AH-64D“阿帕奇”、“长弓”式直升机中用于数字视频接口与飞行试验与任务处理器的互连。B1-B中用于航空电子计算机与数据存储/传输设备间的互连。机载预警与控制系统“扩展哨所”（AWACS Extendsentry）中用于构成交换式网络。美英下一代联合攻击机JSF的飞机管理系统、综合RF与综合核心处理机（ICP）三个子系统间的高速互连也采用了FC-AE作为统一的网络。

 

五、高速数据总线对比

通过对以上高速数据总线的分析，民用航空领域主要就是AFDX，军用航空领域主要以FC为主，同时也就是JAST计划提出的“航空电子统一网络”首选协议之一；基于以太网的无源光网络技术就是正在大规模商用与部署的地面宽带接入技术；而基于以太网的TTE总线技术具有较为广阔的应用前景。具体性能比较如下表所示：

各种总线对比分析

拓扑结构	交换式、星型	点对点、星型、环型	点对点、星型、环型	点对点、仲裁环、交换式
传输速率	10、100、1000Mbps	100Mbps、1Gbps	1、2、5、10Gbps	2、4、8、10Gbps
传输距离	100m	由IEEE802、3规范定义	20km	10km
传输介质	屏蔽双绞线	光纤、屏蔽双绞线	光纤、屏蔽双绞线	光纤、屏蔽双绞线
特点	延迟时间短、服务质量高、成本低、网络拓扑结构灵活	高数据量、高实时性、安全性高、容错机制强	网络简单、可靠性高，运行、维护与管理简单、成本低	高带宽、低延迟、低误码率、拓扑结构灵活

六、结语

本文主要介绍了AFDX、TTE、Ethernet及FC总线等高速航空航天数据总线技术。通过前面对航空航天数据总线技术的简要分析，FC技术由于其高速率、高可靠性、扩展余度大、拓扑灵活等特点，较其他总线技术更加适合航空航天数据通信的发展要求，应该成为我国航空航天用数据总线的研究与关注焦点。