星载SpaceWire网络备份容错协议设计

在航天领域,可靠性是所有仪器设备的关键性能;采用冗余备份是保证设备可靠性最直接有效的一种办法;SpaceWire因其灵活性好、可扩展性强在航天领域被越来越多地应用;文章介绍了一种SpaceWire网络备份的方式以及在此种结构中时间码(timecode)保留位的使用方法;通过timecode的使用,区分出两种工作状态;在正常工作状态时保证系统高效率,而当网络中出现链路故障时通过应对措施保证可靠性;实例分析结果证明在合理的单链路故障率范围内,此网络备份容错协议明显提高了系统的可靠性。     

关于SpaceWire总线接口可靠性的研究

为满足航天器有效载荷间高速数据传输的发展需求,提出了两种SpaceWire总线可靠性的改进方案;在SpaceWire总线描述的基础上,分析了字符的正确性校验和传输过程中的错误及检测恢复机制等提高可靠性的方法;针对通信链路发生物理性故障的问题,提出了两种基于硬件冗余机制的SpaceWire可靠性改进方案,一种是在系统间建立两个相独立的协议装置,另一种是使用多路输出选择器进行切换将数据传输给目的节点;通过实验验证,两种方案能够处理通信链路出现物理故障的问题。     

基于多链路故障的网络切片生存性算法

为了保证当底层网络的多条物理链路发生故障时用户业务能够不间断,提出一种基于多链路故障的网络切片生存性算法。通过区分切片上承载的业务类型,当高可靠低延迟切片请求到达后,将物理节点按节点重要度排序后进行映射,再对故障链路采用多备份路径算法,选取带宽资源消耗最少的路径依次对故障链路进行重映射,当高带宽切片请求到达后,采用广度优先搜索的节点映射算法,再通过多备份路径对故障链路进行恢复。仿真结果表明,该算法能够提高切片平均映射成功率、长期平均收益开销比、物理链路利用率和故障恢复率,缩短平均故障恢复时延。     

基于业务类型的网络切片可靠性映射算法

网络切片是5G网络的基础架构技术,为在多个切片共享同一底层网络资源的同时保证切片的可靠性,提出一种区分业务类型的网络切片可靠性映射算法,解决底层网络链路故障、网络切片可靠性与资源利用率相互矛盾的问题。通过区分切片承载业务类型,对高可靠低时延切片请求的链路提前构建备份路径,并采用基于最大生成树链路的备份资源共享保护方法,对高带宽切片请求则采用基于链路可靠性的重映射算法恢复故障链路。仿真结果验证了该算法的有效性,与SVNE1+1和DPS-VNRA算法相比,其在切片成功运行率、长期收益开销比、物理链路利用率和故障恢复率方面均具有优势。     

BFD技术实现分层VPLS系统

针对IP网络在设计上无法在少于1s的时间内从故障中恢复,BFD技术提供了一种简单的检测链路或系统转发传输流能力的方法,保证了小于50ms的故障检测,大大提高故障检测与恢复速度。为了简化网络管理和提高网络的扩展性,提出了分层VPLS的组网方式。利用BFD技术对分层VPLS系统进行链路故障的检测,指导主备PW的切换,大大减少了链路检测时间,减少报文丢失。     

面向IP快速路径切换的OSPF冗余路径算法

在IP网络中,当某链路或者节点发生故障时,通过路由协议的收敛来绕开故障的链路或节点.对OSPF路由协议,这个时间至少为5秒,期间经过故障节点或链路的流量将会被丢弃,绝大多数的应用可以承受这种程度的延迟.但是,对延迟敏感的应用如VoIP而言,这种量级的延迟是很难为用户所接受的.基于现有的OSPF路由协议的最短路径树(SPT)算法,提出一种支持IP快速重路由的多冗余路径树计算算法.算法计算除最短路径外至少一条不相交无环备份路径,保证在最短路径的链路或节点故障时,通过快速切换到备份路径,以提高IP网络的故障收敛时间.     

基于分时的LEO卫星网络非对称路由算法

提出了一种基于分时的LEO卫星网络非对称路由算法A-DTRA（asymmetric discrete time based routing algorithm）。针对网络节点在各时间片内的链路连接状态,该算法通过中心节点两次广播来获取一跳邻节点信
　　息及其邻节点的邻居节点信息,从而完成了链路检测,得到每个时间片内的有向虚拟拓扑图。通过使用备份路由和路由表压缩机制实现了非对称链路上分组转发的可靠性,失效节点处理的及时性以及星上节点开销的低耗性。通过仿真分析可知,该算法具有较好的数据包转发率和端到端时延性能。此外,利用非对称链路可提高网络的连通性能,该算法适用于存在非对称链路的LEO卫星网络。     

基于软件定义网络的可靠性虚拟网络映射保障机制

在软件定义网络（SDN）虚拟网络映射中,现有研究者主要考虑请求接受率方面,而忽视了SDN中底层资源失效的问题。为此,针对SDN中可靠性虚拟网络映射（SVNE）问题,提出了一种联合先验式保护和后验式恢复的虚拟网络映射保障机制。首先,在虚拟请求接受之前,对SDN物理网络区域性资源进行感知;然后,采用先验式保护机制为映射域内相对剩余资源变小的虚拟网络元素预留备份物理资源,并将此扩展虚拟网络通过D-ViNE算法映射至物理网络中;最后,在未备份虚拟网络元素发生故障时,采用后验式恢复算法完成故障的恢复,对节点和链路分别采用重映射和重路由的方法完成恢复。实验结果表明,与基于SDN的生存性虚拟网络映射算法（SDN-SVNE）相比,在虚拟请求接受率方面提高了21.9%。另外,该保护机制在虚拟级别故障恢复率、物理级别故障恢复率等方面也具有优势。     

基于冗余CAN总线的实时通信系统设计

针对航天现场工业环境对通信系统的可靠性有较高的要求,该文提出了基于冗余CAN总线的实时通信系统设计方法,该方法为系统的CAN网络主节点进行节点冗余设计,同时对CAN网络中的每个节点进行总线冗余设计.当主节点出现故障时系统切换到备份主节点工作,当总线出现故障时系统切换到备份总线上工作.该系统制定了统一的通信协议,系统主控模块FPGA对整个CAN网络中的节点进行实时监控,有效提高了系统数据传输的可靠性.     

一种基于主从机制的认知Ad Hoc网络可靠路由方法

为了解决认知Ad Hoc网络中节点和链接失效问题,提出一种基于主从机制的认知Ad Hoc网络可靠路由构造方法MSMRC。该协议考虑了网络中主用户活动规律,引入链路可靠时长和信道可靠时长的度量来设计主路由和备份路由。当现有路由失效时,通过预先构造的备份路由快速恢复认知用户之间的通信。实验表明,MSMRC协议能够显著降低平均路由开销,而且可以提高网络的数据包投递率和链路修复率,保证了网络端到端通信的服务质量。     

千兆冗余以太网链路状态检测技术

针对千兆以太网冗余备份网卡的链路切换时间较长,难以满足应用要求的问题,提出一种基于“心跳”帧的新型千兆冗余以太}回链路状态检测方法。通过改进MAC控制器,增加网络状态检测模块用于组织“心跳”帧,并根据检测网络延时对以太网络进行分类,得到Delay网络和No—Delay网络,利用“心跳”帧对冗余链路的实时监控以及MAC控制器对“心跳”帧的统计分析,快速检测出断开链路,缩短链路切换时间。测试结果表明,该硬件检测方法能够迅速检测出断开链路,并在20ms之内完成冗余链路切换,保障网络通信的可靠性和稳定性。     

基于主成分分析和奇偶向量的动态检测方法

导航系统中冗余IMU传统故障检测方法由于数学模型过于复杂,计算量大,存在较大延时,难以实现实时故障检测,而主成分分析法仅仅应用于静态情况下的故障检测与隔离,针对主成分分析法无法在动态情况下对冗余IMU进行故障检测的缺点,提出了一种基于奇偶空间法改进主成分分析的故障检测算法,该方法利用奇偶向量隔离车辆的动态变量,以消除动态变量对故障检测的影响,再用PCA方法检测数据以实现对车辆传感器信息的实时检测,通过将原始数据集转置到特征平面来形成图案,实现了IMU传感器正常与故障模式的准确分离,提高了冗余IMU故障检测的结果精确性和可靠性。实验结果表明,该方法能够较好检测动态状态下冗余IMU的故障,提高了主成分分析的故障检测性能,可有效消除导航系统运动的负面影响。     

一种星载强容错SpaceWire总线网络拓扑设计与分析

目前SpaceWire总线应用主要基于单个路由器上连接数个节点设备,构成小型星状网络结构,而对复杂航天器多节点情况下的SpaceWire网络系统应用研究较少。针对航天器高可靠要求,提出一种总线型网络拓扑容错设计方案,对网络工作方式、多层次冗余容错机制、系统可靠度和网络传输性能进行了分析推导,结果表明提出的网络拓扑满足星载应用要求。最后根据分析结果提出了SpaceWire网络系统中数据包长、链路速率和节点布局的设计指导原则。     

基于苯环结构的WSNs单向链路故障检测算法

在无线传感器网络（ WSNs）中提出的许多路由算法因其真实应用场景下存在大量单向链路而使其性能大幅降低,甚至无法正常工作。对此如何在WSNs中实现准确、高效能单向链路故障检测成为一个重要的研究课题。针对这种情况提出了一种基于Hello报文的单向链路故障检测（ ALFD-H）算法,该算法充分利用WSNs组成的苯环网络模型,由苯环中心节点发起周期检测信号来完成单向链路故障检测。通过苯环中心节点处理故障单向链路来控制报文数量降低网络资源的消耗,并且提高了网络的连通性和可扩展性。通过NS2仿真实验结果表明：ALFD-H相较传统检测算法采用了苯环网络模型,减少了用于故障检测的能量消耗,从而大大延长了节点的工作时间和网络的生命周期。     

Ad hoc通信网络的局部路由修复仿真

为了解决Ad hoc通信网络的局部路由中节点或链路失效引起的通信可靠性降低等问题,提出了基于节点能量的Ad hoc通信网络的局部路由修复方法。根据Ad hoc通信网络节点路由链路分析结果,当网络通信数据包传输中发现问题节点时,待传输数据包所在节点通过检测自身所对应的父、子及近邻节点,获取各节点的相关信息,并从中选择有效节点替换故障节点;替换节点的选取过程,采用节点剩余能量与方位角差值相结合的方式;确定替换节点后,结合蚁群算法自适应优化网络链路,完成Ad hoc通信网络的局部路由修复。仿真结果表明,所提路由修复方法能够有效缩短路由修复耗时,减少修复过程的控制开销,提高基站节点的吞吐量,提升网络通信的可靠性与时效性,具有较好的鲁棒性。     

应用SpaceWire网络的智能处理通用平台设计

针对大规模星座的智能处理通用平台高速数据交互的需求,设计应用SpaceWire网络实现外部载荷设备、智能处理通用平台及内部各模块间的互联互通;采用标准物理接口、SpaceWire路由逻辑寻址方式、标准CCSDS协议和RMAP协议,使得用户未知网络连接细节即可实现即插即用;当冷备份的模块故障时可以通过切机操作对系统重构,设计SpaceWire网络自主寻址机制重新规划传输路径;同时对SpaceWire网络应用设计进行硬件防静电、软件状态监测等可靠性设计;与无网络连接的同类型系统进行比较,该设计优势明显,接口种类少、协议标准、支持应用重构且支持系统扩展;设计测试用例对数据传输速率、切机后自主寻址以及应用重构等功能进行验证,测试结果表明功能都满足要求;该设计在大规模卫星设计中具有很好的应用前景.     

BP神经网络辅助的缓变故障双阈值检测法

针对传统$\chi ^2$检测法对惯性/卫星组合导航缓变故障检测效率不高的问题,提出一种基于BP神经网络辅助的缓变故障双阈值检测法.基于BP神经网络建立位置与速度子预测器,实现对卫星导航量测数据的预测,在此基础上根据预测精度提出双阈值的低检测门限,辅助残差chi^2检测法进行故障检测与系统重构.仿真结果表明,对于缓变故障,所提出方法能有效提高故障期间滤波精度、降低漏警率以及组合导航的可靠性.     

基于RSOPNN的无线传感器网络节点故障诊断算法

针对无线传感器网络节点故障诊断中存在的冗余故障属性、噪声数据以及数据可靠性等问题,提出基于粗糙集-优化概率神经网络的无线传感器网络节点故障诊断算法（简称RSOPNN）。通过粗糙集从故障样本属性集合中求解故障诊断属性约简,从而去除冗余故障属性,降低冗余属性、噪声数据对故障诊断的影响,节省能耗。对于多个属性约简选择,以属性间的相关程度作为度量标准,代替常规的主观选择,从多个约简中确定最优故障诊断属性约简,解决主观选择的不合理性。以最优的故障诊断属性重构故障样本,作为优化概率神经网络的输入,建立故障分类模型,从而对故障进行诊断。实验结果表明,在不同的数据可靠性下,RSOPNN方法能够有效删减样本中的冗余属性和噪声数据,保持高效的故障诊断水平,符合无线传感器网络的需求。     

基于节点演化分阶段优化的事件检测方法

链路预测技术是分析网络演化的有效方法,也为社会网络事件检测提供了一种新思路。当前采用链路预测进行事件检测的方法大多是从宏观的网络演化入手,也有少数结合节点演化的检测方法,但其稳定性不佳,对事件的敏感性也不够高,不能准确检测事件的发生。基于以上问题,提出了一种基于节点演化分阶段优化的事件检测方法(Node Evolution Staged Optimization,NESO_ED)。首先通过分阶段优化的方法加强事件检测的稳定性,并获取节点指标权重数组;然后根据不同阶段按不同规则选取节点的最佳相似性计算指标,使节点能更好地量化网络演化情况,以此提高事件检测的敏感性。此外,分析了网络演化过程中节点选取指标的变化情况,揭示了事件发生对节点演化产生的不同影响。基于真实社会网络VAST进行对比实验,结果显示NESO_ED方法在事件检测敏感性上比LinkEvent方法提高了227%,比NodeED方法提高了63%,NESO_ED方法的稳定性也比NodeED方法提高了66%,这表明NESO_ED方法能更加准确且稳定地进行事件检测。     

面向节点演化波动的社会网络事件检测方法

社会网络特征千差万别,演化规律错综复杂.合理地分析网络演化规律,及时地检测网络事件具有重大意义.基于链路预测的社会网络事件检测方法利用有限的网络拓扑信息,能够有效地发现网络演化的异常波动,准确地检测网络事件.然而,现有方法大多受到链路预测的宏观评价指标的限制,忽略了不同节点演化波动的差异,用相同的相似性计算指标去描述所有节点的演化波动,不利于提升事件检测的表现.为了进一步提升事件检测的精确性和敏感性,提出一种面向节点演化波动的社会网络事件检测方法NodeED,由节点相似性计算指标判定算法SimJudge和网络微观演化波动检测算法MicroFluc组成.主要工作如下：（1）结合粒子群优化算法,提出SimJudge定量地比较不同的相似性计算指标对节点演化波动的描述程度,确定每个节点在不同时段的最佳相似性计算指标;（2）为了量化事件对网络演化的影响,提出了MicroFluc,充分考虑节点演化波动的差异,从节点演化波动的角度对不同时段的网络整体演化波动进行定量评估;（3）在真实社会网络VAST和ENRON中进行对比实验,其结果表明,NodeED在VAST中的事件敏感性提升了100%,在ENRON中的事件敏感性提升了50%,更有利于精确地检测社会网络中发生的事件.