一种基于时间敏感网络的TDMA仿真方法与流程

本发明涉及时间敏感网络和tdma仿真领域，特别是指一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，适用于多优先级、低时延、低抖动要求的无人组网tdma仿真。

背景技术：

1、时间敏感网络(time-sensitive networking，tsn)定义于ieee 802.1q标准，属于以太网上提供确定性传输的技术。tsn工作在osi二层，数据载荷可以是任何内容，不局限于ip包，适合任意工业应用的数据承载。tsn要求从发送端到接收端的时敏业务以周期、确定性延迟的方式传输，同时不影响低优先级非时敏业务的传输。tsn移除了关键业务通信与非关键业务通信的物理隔离，支持it与ot的开放数据交换。

2、tsn标准以ieee 802.1标准扩展的形式定义和发布，描述了添加到标准以太网的一系列特性，例如时钟同步、流量整形、网络配置等内容，其中802.1qbv和802.1as是保证时间敏感流确定性通信的关键子标准，ieee 802.1qbv定义了一种可编程的门控机制，使用时间传输门和门控列表来确定交换机及终端的出端口的当前时刻哪些队列用于传输，又称为时间感知整形器(time-aware shaper，tas)。值得注意的是，为了保证tas部署成功，所有设备需要基于ieee 802.1as实现时钟同步。由于无人自组网仿真过程节点的高速移动性，会影响各节点间的连通关系，增加网络链路断开的概率，进而会导致数据包的传输时延增大，同时在非实时操作系统中tdma仿真又无法满足低抖动要求，因此，尽可能保证实时消息传输的低时延、低抖动要求是设计无人机自组网tdma仿真的关键。在诸多新兴领域的创新融合，与其相关的网络技术已成为一个新的研究热点。利用新的网络技术，亟需设计具有低成本、低时延、低抖动、支持多优先级无人组网tdma仿真模型，以满足无人网络数字仿真、半实物仿真性能和协议验证。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，解决上述背景技术中的不足之处而提供一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法。本发明具有支持tdma仿真低时延、低抖动、多优先级等优点。

2、本发明所要解决的技术问题由以下技术方案实现：

3、一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤1，在仿真服务器中生成无人组网容器节点，部署mac协议、路由协议和应用，搭建无人组网仿真验证系统，并完成仿真信息的初始化；

5、步骤2，两个仿真计算机节点基于802.11as完成时间同步，使两个仿真节点具有同一个时间基准；

6、步骤3，在时钟同步的基础上，初始化tsn网卡信息，完成消息队列初始化和队列时隙划分；

7、步骤4，接收mac协议发送的节点不同频段时隙占用表，接收业务数据，根据业务优先级、不同频段节点时隙占用情况，将业务数据放在tsn网卡的消息队列的时隙中；

8、步骤5，采用时间感知整形方法优化不同优先级帧的传输性能，利用门控列表决定当前优先级的消息队列能否进行传输；

9、步骤6，在tsn网卡接收端接收业务数据，完成消息分发；根据消息头中的目的节点id判断消息是单播消息还是广播消息，如果是单播消息，则根据目的节点id映射出节点ip信息，发送到对应节点容器中；如果是组播消息，则生成簇内信息，对簇内节点进行组播发送。

10、进一步地，步骤2的具体方式为：

11、步骤201，主时钟周期性向从时钟发送同步报文，同步报文中的时间戳为预发送时间点；

12、步骤202，同步报文发出后，精确记录该同步报文的真正发出时间点t1，并通过一个跟随报文将t1发送给从时钟；从时钟记录下同步报文的到达时间点t2；

13、步骤203，从时钟发送时延请求响应报文并记录发送时间点t3；

14、步骤204，主时钟记录时延请求响应报文的到达时间点t4，然后通过延时响应报文将t4发送给从时钟，此时从时钟获取到4个确定的收发时间t1、t2、t3、t4；

15、步骤205，根据时间关系：

16、t2＝t1+时延+偏差

17、t4＝t3+时延-偏差

18、计算出时延和偏差，然后修改本地时钟，实现时间同步。

19、进一步地，步骤3的具体方式为：

20、步骤301，设置定向波形和群内全向波形两个频段的消息队列，群内全向波形频段消息队列的优先级大于定向波形频段消息队列的优先级；此外，设置一个优先级最低的消息队列；

21、步骤302，利用时间感知流量调度方法对流量进行基于时间约束的传输调度，在时间感知调度中增加时间维度，利用时分多址协议，把时间分割为固定周期长度的帧，每一帧又分割为更细粒度的时间片，即时隙，在每个时隙上设置默认发送的包数量；为每个时隙分配以太网优先级，不同优先级的时隙构成一个虚拟信道，用于在非实时流量负载中交替传输实时流量。

22、进一步地，步骤4的具体方式为：

23、步骤401，接收mac协议发送的节点不同频段时隙占用表，同时生成簇内消息并发送到接收模拟器，用于簇内广播；根据时隙占用表，对于不存在的节点直接保存，对于已存在的节点进行更新，更新完后记录没有被占用的时隙号；

24、步骤402，接收mac协议发送的业务消息，根据消息头中的源节点id以及该节点占用的时隙号，把业务放在对应时隙号的消息队列中，其中，高优先级的业务能够优先出队；

25、步骤403，不同频段采用循环方式依次从各对应时隙号的消息队列中取出默认发送的包数，如果消息队列不够包数，则构造伪消息放入对应的消息队列中，并在接收模拟端进行丢弃处理。

26、进一步地，步骤5的具体方式为：

27、步骤501，在各消息队列中，利用tas方法将流量划分成8种类型，每个端口关联各个消息队列；每个消息队列定义一个queuemaxsdu参数，用于表示该队列的最大服务数据单元大小，长度超过queuemaxsdu的数据帧将被丢弃；

28、步骤502，对于多个队列同时打开的情况，通过严格优先级传输选择方法来决定调度哪一个队列中的数据帧，严格优先级传输选择方法每次选择优先级最高的队列进行传输，必要时在时隙内暂停低优先级流量的传输，只允许时间敏感的高优先级流传输，从而降低普通流量对时间敏感流的影响。

29、本发明与背景技术相比，具有以下优点：

30、1.本发明具备连接仿真服务器，支持容器间时隙分配算法多频段同时仿真验证能力。

31、2.本发明具备同频率下作战业务多优先级传输和不同频率间多优先级的传输仿真能力。

32、3.本发明具备能够保证时间敏感流传输的低时延、低抖动，保证信息传递的时效性。

技术特征：

1.一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，其特征在于，步骤2的具体方式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，其特征在于，步骤3的具体方式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，其特征在于，步骤4的具体方式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的tdma仿真方法，其特征在于，步骤5的具体方式为：

技术总结
本发明提出一种基于时间敏感网络的TDMA仿真方法，属于时间敏感网络和TDMA仿真领域。本发明为每个输出端口的优先级队列设置了一个门，通过执行GCL中的事件来控制门的开关状态，从而实现在指定的时隙调度对应优先级队列的流量，只要保证路径上的每一跳交换机或TSN网卡能够在预先规划的时隙调度时间敏感流且不受到其他类型流量阻塞，就能够保证时间敏感流传输的低时延、低抖动。本发明特别适用于多优先级、低时延、低抖动要求的无人组网的TDMA仿真。

技术研发人员：赵菁伟,陈丛,葛洪武,杜龙海,杨凯,张亚伦
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24