[发明专利]一种时间触发以太网无线光传输终端及系统

说明书

技术领域

本发明涉及时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTEthernet)技术，具体为一种时间触发以太网无线光传输终端及系统。

背景技术

时间触发以太网是在标准以太网基础上实现时间触发网络协议，在网络系统中建立一个全局统一的时钟，终端之间的通信基于全局时间来进行，其数据传输率最高可达1000Mbit/s。由于时间触发以太网采用基于时间触发的报文发送方式，数据传输过程中不会有报文冲突和丢帧，因此其带宽利用效率是普通以太网的至少5倍。时间触发以太网支持从系统级对系统进行所有计算和网络资源的分区，支持减少终端系统的数量，能够整合分布在多个控制单元的多个功能。使得任何电子控制单元(ECU)可以整合实时控制功能，且每一个ECU可以不相冲突地集成许多不同的控制功能。这需要所使用的主干通信网络带宽必须可以确定地分配给不同的分布式控制功能，同时不会引起系统网络整体负载的波动。这是标准以太网无法做到的。

时间触发以太网交换机支持TT、RC和BE三种类型消息的通信。

TT消息应用时间触发机制。所有的TT消息在网络中按特定的时间发送，优先级高于其它所有类型消息。TT消息适用于分布式实时控制系统，典型应用如线控制动和线控转向等快速闭环控制系统。TT消息用于设计和测试确定性分布式系统，所有系统组件的时间特性都是确定的、可分析和测量的，且时间精度小于1μs。

RC消息相对时间触发消息，适用于实时性要求不那么严格的系统。RC消息保证系统中对应每个物理链接的消息带宽是确定的，时间延迟不超过预期的限制范围。RC消息可用于车辆和航空领域等需要可靠通信和对时间确定性有一定需求的安全关键系统，通常RC消息还用于多媒体系统。

BE消息采用众所周知的普通以太网方式，传输过程中无法保证是否或何时成功发送了消息，延迟以及消息是否被接收节点成功接收。BE消息优先级低于TT和RC消息，且使用网络的剩余带宽。BE消息的典型应用是互联网服务，所有对传输质量要求低的消息(如因特网协议消息)都可以映射到这一网络功能级别。

时间触发以太网已在航天器中应用，其主要具有以下优势：

(1)兼容性：该技术兼容了时间触发协议和以太网技术的优势，能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流和时间触发以太网数据流；

(2)高速型：其1000Mbit/s的数据传输速率可以满足未来大容量通信卫星、遥感卫星、侦察卫星的总线需求；

(3)确定性：时间触发在设计阶段就将总线资源的使用与任务调度计划制定完毕，每个节点都在系统预先定义的时间段使用资源，不仅可以解决信息传递延迟不确定性问题，而且使系统的设计和验证变得简单、充分；

(4)高可靠性和安全性：时间触发以太网失效率小于1×10^-9h^-1，达到了航空/航天领域D0254安全性认证的最高等级。此外，其总线上的节点与总线具有可靠的故障隔离边界，系统中某个节点失效从时间上和空间上都难以影响系统中其他节点的正常运行，能有效避免故障的扩散。

但时间触发以太网系统的传输介质为电缆、光纤，只能应用于固定的有限范围内，如飞机、火箭、战车、舰船等固定封闭的舱体内。

无线光FSO(Free Space Optical)传输技术是一种以自由空间为传输信道的光传输技术，其经过激光束实现信号的发射和接收。FSO以红外激光束为载体传输数据，红外波段比微波波段更小，更加灵活和方便。FSO系统的工作频段在300GHz以上，该频段的应用在全球不受管制，可以免费使用。FSO系统可传输数据、视频、语音等的信息，具有保密性强、传输速率高、机动性强、抗干扰能力强、带宽极高、安装简便快捷、安全及成本低的特点。它同光纤通信一起可以构建高质量的通信系统，广泛应用于军事保密通信、城域网路由保护和接入、基站连接等。但目前时间触发以太网尚未能用于无线光传输系统。

发明内容

本发明的目的是设计一种时间触发以太网无线光传输终端，其包括时间触发以太网单元，光电/电光变换单元，光放大器和无线光收发单元，时间触发以太网单元产生符合时间触发以太网格式的电信号，由光电/电光变换单元将电信号转换为光信号，经光放大器放大后，由无线光收发单元转换为无线光信号并发送，接收时，无线光收发单元接收无线光信号并转换为有线光信号，经光电/电光变换单元将光信号转换为电信号，再送入时间触发以太网单元进行处理。