Результат интеллектуальной деятельности: Система передачи информации в реальном времени на базе полностью оптической спектрально-уплотнённой бортовой сети реального времени

Изобретение относится к области передачи информации в виде пакетов, без коммутации каналов, с организацией между оконечными системами распределенной памяти, возможностью проведения динамической реконфигурации и может быть использовано в различных областях науки и техники для передачи информационных сообщений между электронными устройствами различной степени интеллекта для обеспечения гарантированного времени доставки и повышенной надежности условиях динамически изменяющегося трафика в особо ответственных системах управления, работающих в режиме реального времени, в частности, предлагаемое изобретение может быть использовано на борту летательного аппарата.

Так известен «Способ передачи информации в реальном времени с использованием локальных сетей ограниченного размера на базе модификации протокола FC-AE-ASM» (патент РФ №2536659, дата приоритета от 01.07.2013). При реализации способа определяют количество необходимых оконечных станций и коммутаторов с определением необходимой топологии связи между ними, определяют количество и приоритеты виртуальных каналов и их топологии, накладываемых на физическую топологию сети, с относительно равномерным потоком сообщений по каждому виртуальному каналу. Интенсивность и равномерность передачи по каждому виртуальному каналу задают в терминах максимального размера сообщения, идущего по каналу, и длительности скользящего интервала времени, в течение которого допускается либо одно, либо два сообщения, с предварительным расчетом времени доставки сообщений по различным виртуальным каналам, сформированным с возможностью удовлетворять заданным требованиям по своей величине. Конфигурируют сеть, сообщая узлам перечень и характеристики затрагивающих их виртуальных каналов, а коммутаторам сообщая дополнительно таблицы маршрутизации. Дополнительно используют физическое удвоение числа коммутаторов и линий связи и синхронизацию при приеме на оконечных станциях дубликатов сообщений, приходящих по дублирующим физическим каналам за счет нумерации сообщений индивидуально на каждом виртуальном канале.

К недостаткам известного способа относятся:

- необходимость заблаговременного определения приоритетов виртуальных каналов и их топологии, накладываемых на физическую топологию сети;

- вычисление, по специальному алгоритму, обеспечиваемого времени доставки сообщений по различным виртуальным каналам и сравнение его с требованиями по этим параметрам. При неудовлетворении требований должен происходить либо пересмотр проектируемой сети, либо понижение требований;

- выравнивание по времени (или сглаживание) исходящих потоков, т.е. их приведение к требуемому равномерному виду;

- планирование отправки сообщения, состоящее в арбитраже между конкурирующими виртуальными каналами, у которых есть сообщения, подготовленные соответствующими регуляторами к отправке, для помещения выбранного сообщения в передатчик;

- применение коммутатора, работа которого вносит задержки в передачу данных:

- на входном порту коммутатора сообщения подвергают контролю по целостности, принадлежности к числу сконфигурированных каналов, а также по соблюдению зарезервированной за виртуальным каналом интенсивности, а при обнаружении ошибки или нарушении квоты интенсивности в случае неисправности подключенного к входному порту узла осуществляют прореживание потока, все это приводит к потере времени и потере информации;

- маршрутизация сообщения на выходной порт (или выходные порты в случае наличия нескольких приемников у виртуального канала) приводит потеря времени.

Известна «Двунаправленная линия передачи данных между несколькими источниками данных и узлом обработки данных на платформе авионики» (патент США №8032032 В2 от 14.11.2008), содержащая массив пар оптических передатчиков/приемников соединенных с интегрирующей сетью платформы. Модули данных соединены с некоторыми из источников данных и включают в себя приемник для обнаружения управляющих данных и модулятор для модуляции светового сигнала в соответствии с сигналами из источников данных модуля. По меньшей мере одно оптическое волокно соединяет пару оптических передатчиков/приемников массива и соответствующим модулем данных. Источник излучения, связанный с каждым передатчиком, подает световой сигнал с данными управления в соответствующий модуль данных ниже по потоку по оптическому волокну. Световой сигнал модулируется сигналами от модуля данных, при этом смодулированный световой сигнал возвращается в массив приемников выше по потоку по оптическому волокну.

К недостаткам указанного аналога можно отнести применение коммутатора, что приводит к временным задержкам, а в некоторых случаях и потери информации, а также то, что указанная в аналоге линия передачи данных может работать в одном или нескольких диапазонах, выбранных из числа 850 Нм, 980 Нм, 1300 Нм и 1500 Нм.

Известен Международный стандарт SAE AS5659-2, в котором определены требования к организации бортовой сети базе технологии WDM и задач их применения в оборонных и аэрокосмических приложениях.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности при выполнении обмена информации между бортовыми системами в режиме реального времени с гарантированной доставкой сообщений, а также при реализации процедуры реконфигурации комплекса бортового оборудования при отказах, что приводит к повышению безопасности полета.

Указанный технический результат достигается за счет того, что система передачи информации в реальном времени на базе полностью оптической спектрально-уплотненной бортовой сети реального времени содержит по меньшей мере два вычислительных модуля, в которых функционируют программные приложения, оптическую линию связи, оптический мультиплексор и оптический демультиплексор и отличается тем, что вычислительный модуль, связан по системной интерфейсной шине со спектральным сетевым оконечником, содержащим передающий и принимающий оптические модули. Передающий оптический модуль состоит из передающего контроллера, по меньшей мере одного оптического приемника, оптического мультиплексора, а принимающий оптический модуль состоит из принимающего контроллера, по меньшей мере одного оптического приемника и оптического демультиплексора, также система передачи информации в реальном времени на базе полностью оптической спектрально-уплотненной бортовой сети реального времени содержит сетевой спектральный мультиплексор, состоящий из оптических усилителей, сетевого оптического мультиплексора и оптического разветвителя, причем передающий контроллер, в котором организована выходная область памяти и выходной кольцевой буфер, своим выходом последовательно связан с каждым оптическим передатчиком и оптическим мультиплексором. Выход оптического мультиплексора последовательно связан с первым оптическим усилителем, сетевым оптическим мультиплексором, оптическим разветвителем и вторым оптическим усилителем сетевого спектрального мультиплексора, а выход второго оптического усилителя сетевого спектрального мультиплексора связан с оптическим демультиплексором принимающего оптического модуля, выход которого связан последовательно с по меньшей мере одним оптическим приемником, принимающим контроллером, причем принимающий контроллер связан с вычислительным модулем, в котором организована входная область памяти и входной кольцевой буфер.

На вход каждого принимающего и передающего контроллера поступают сигналы управления от вычислительного модуля по системной интерфейсной шине, причем выход каждого передающего контроллера соединен с входами оптического передатчика и оптического мультиплексора линией связи, по которой передаются сигналы управления, а выход каждого принимающего контроллера соединен с входами оптического приемника и оптического демультиплексора линией связи, по которой передаются сигналы управления.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 - Структурная схема системы передачи информации в реальном времени на базе полностью оптической спектрально-уплотненной бортовой сети реального времени.

На фиг. 1 представлены:

1 - бортовые системы, входящие в комплекс бортового оборудования (КБО);

2 - вычислительные модули бортовых систем (количество определяется структурой бортового комплекса), в рамках которого функционируют программные приложения;

3 - спектральные сетевые оконечники;

4 - датчики, представляющие множество элементов бортового комплекса, реализующие отдельные функциональные задачи по управлению или/и контролю за самолетными системами, в отличии от бортовых систем имеет только одну оптическую длину волны λ^Д для связи с другими бортовыми системами или датчиками;

5 - сетевой спектральный мультиплексор, формирующий общий информационный оптический спектрально-уплотненный поток данных λ_О из множества отдельных частных информационный оптический спектрально-уплотненный потоков данных, сформированных каждой бортовой системой.

Фиг. 2 - Структурная схема спектрального сетевого оконечника.

На фиг. 2 представлены:

6 - принимающий оптический модуль;

7 - принимающий контроллер;

8 - оптический приемник;

9 - оптический демультиплексор;

10 - передающий оптический модуль;

11 - передающий контроллер;

12 - оптический передатчик;

13 - оптический мультиплексор.

Фиг. 3 - Структурная схема реализации спектрального сетевого мультиплексора.

На фиг. 3 представлены:

14 - оптический усилитель;

15 - сетевой оптический мультиплексор;

16 - оптический разветвитель (сплиттер).

При проектировании системы передачи информации в реальном времени для летательного аппарата необходимо заранее сформировать перечень всех бортовых систем 1 комплекса бортового оборудования (КБО), участвующих в обменных операциях и подключаемых к системе передачи информации в режиме реального времени.

Далее формируют перечень программных приложений, функционирующих в каждом из вычислительных модулей 2 бортовых систем из состава КБО, участвующих в обмене информации, с разделением их на две группы: первая группа включает общее количество программных приложений передающих информацию , вторая группа включает общее количество программных приложений, принимающих информацию (в общем случае ).

После формируют общий перечень программных приложений, передающих информацию по всему КБО - L_out.

На основании сформированных ранее перечней устанавливают истинность соотношения L_out≤λ, где λ - максимальное число спектрально-уплотненных каналов в оптической сети системы передачи информации в режиме реального времени. В случае, если соотношение L_out≤λ^О истинно, то переходят к установлению соответствия (распределению) между конкретными (отдельных систем) и λ. Если соотношение L_out≤λ^О ложно, то переходят к временному уплотнению, которое заключается в сборке сообщений от различных программных приложений, функционирующих в вычислительных модулях бортовых систем из состава, КБО в последовательность передаваемых данных по одному λ-каналу.

В спектральном сетевом оконечнике (ССО) 3 каждой бортовой системы КБО определяют суммарное количество выходных λ-каналов. Например, для бортовой системы А спектрально-уплотненная группа каналов определяется как:

,

со своим набором длин волн, свойственному только для данного ССО, данной бортовой системы КБО и данному перечню программных приложений. Возможны два подхода к формированию λ_out.

Первый подход базируется на заранее подобранной готовой компонентной базе системы передачи информации в реальном времени, а именно на подобранных передающих оптических модулях соответствующих, например, спектрально-уплотненной группе каналов λ^A_out, а также на оптических мультиплексорах, формирующих спектрально-уплотненный поток как для каждой бортовой системы например λ^A_out, так и объединяющих в общий канал, со спектрально уплотнением всех выходных каналов от каждой бортовой системы: .

Второй подход базируется на возможности программной настройки каждой группы оптических компонент в каждой составной части КБО на собственную выходную группу длин волн (например, λ^N_out). Это значит, что для реализации необходимо, чтобы на уровне устройства, отвечающего за формирование оптического сигнала (трансмиттера), имелась возможность программного управления значением выходной оптической длины волны.

Первый подход имеет реальную технологическую, компонентную базу. Второй подход, более перспективный, но на данном этапе существенно ограничен из-за невозможности произвести настройки по всем диапазонам длин волн требуемого для покрытия всего множества выходных каналов λ_out, при больших количествах λ_out.

Далее определяют в ССО каждой бортовой системы КБО суммарное количество входных , со своим набором длин волн, свойственному только для данной оконечной системе, данной составной части КБО и данному перечню программных приложений. Возможны три подхода определению λ_inp-каналов:

- первый подход базируется на приеме всего множества λ-каналов каждого ССО и в этом случае , но данный подход требует больших затрат по компонентной базе;

- второй подход базируется на заранее подобранной готовой компонентной базе оптической сети, а именно оптического демультиплексора, принимающего и демультиплексирующего спектрально-уплотненный канал λ^O_out с получением на своем выходе группы отдельных оптических λ_inp каналов, необходимых для работы данной системы (например, λ^H_inp);

- третий подход базируется на возможности программной настройки каждой группы оптических компонент, в каждой составной части КБО, на собственную входную группу длин волн (например, λ^A_inp). Что обеспечивается возможностью программного управления приема значением входной оптической длины волны, на уровне приемника оптического сигнала (ресивера).

Готовым для реализации является второй подход.

На физическом уровне в предлагаемом изобретении используется полностью оптическая бортовая информационная сеть обмена на базе технологии спектрального уплотнения оптических каналов (WDM - wavelength-division multiplexing), а на информационном уровне - распределенная общая память (DSM - Distributed Shared Memory), при использовании которой каждому вычислителю системы предоставляются копии памяти всех остальных вычислителей.

Спектральное мультиплексирование с разделением по длинам волны (WDM) позволяет передавать информацию по множества независимых каналов, на оптических волнах разной длины, по одному оптическому волокну.

Общая логика работы системы передачи информации в реальном времени на базе полностью оптической спектрально-уплотненной бортовой сети реального времени поясняется далее (фиг. 1).

Предлагаемая система передачи информации в реальном времени обладает суммарным количеством длин оптических волн λ_i, способных мультиплексироваться в единый канал λ^O=Uλ_n. Каждому из множеств программных приложений бортовых систем 1, формирующих выходные данные P^out ставится в соответствие одна фиксированная длина волны λ_i по которой данное программное приложение будет передавать информацию, и область памяти передающего контроллера 11 (фиг. 2) ССО 3 для данного программного приложения, то есть . Любое программное приложение любого вычислительного модуля 2 бортовой системы 1, готовое к передаче информации, осуществляет передачу сформированных сообщений в область памяти передающего контроллера 11 ССО 3.

Каждый ССО 3 представляет собой спектральное сетевое устройство и обеспечивает доступ КБО к системе передачи информации по принципу распределенной памяти (DSM - памяти) и состоит из передающего оптического модуля (ПОМ) 10, включающего в себя: передающий контроллер 11, оптический передатчик 12, оптический мультиплексор 13, а также из принимающего оптического модуля (ПрОМ) 6, включающего в себя: принимающий контроллер 7, оптический приемник 8, оптический демультиплексор 9. Каждый ССО 3 по системной интерфейсной шине связан с вычислительным модулем 2.

Каждый передающий контроллер 11 осуществляет формирование пакета данных для передачи, кодирование пакета данных, передачу пакета данных в выходную область памяти, построенную по принципу кольцевого буфера FIFO (англ. first in - first out, «первым пришел -первым вышел»).

Передающий оптический модуль 10 спектрального сетевого оконечника 3 осуществляет разбивку сообщения на кадры, производит необходимую кодировку выходного сообщения и последовательно передает полученные кадры в выходной кольцевой буфер на базе FIFO , установленный в контроллере 11 ПОМ 10. Кольцевой буфер на базе FIFO на фиг. не представлен.

Последовательный код с выхода кольцевого буфера передающего контроллера 11 передается на оптический передатчик 12, формирующий оптический сигнал λ_i, и через него осуществляет циклическую передачу данных по соответствующему выходному оптическому λ_out каналу.

Данный оптический сигнал поступает на оптический мультиплексор 13, который включает λ_i в формируемый им частный спектрально-уплотненный оптический канал λ^C данной бортовой системы. Кольцевой буфер циклически передает полученное сообщение в оптический канал λ^C, до момента смены информации.

Оптический канал λ^C с выхода оптического мультиплексора 13 поступает на вход оптического усилителя 14 спектрального сетевого мультиплексора (ССМ) 5. ССМ 5 состоит из: оптических усилителей 14, сетевого оптического мультиплексора 15, оптического разветвителя (сплиттера) 16. ССМ 5 из всех приходящих ему на вход частных оптических каналов формирует общий информационный оптический спектрально-уплотненный поток данных - λ^O. В составе λ^O данные канала λ_i поступают на все оптические демультиплексоры 9 всех бортовых систем 1 КБО. Оптический демультиплексор 9, входящий в состав ПрОМ 6 спектрального сетевого оконечника 3, в зависимости от настроек может либо формировать на своем выходе полный набор оптических сигналов, входящих в единый канал λ^O=Uλ_n, то есть все n-длин волн, либо производить выборочный прием группы λ, на которые настроен данный оптический демультиплексор 9. Далее в случае прохождения λ_i через демультиплексор 9 происходит преобразование оптического сигнала в цифровой, его декодирование, формирование кадра и ввод кадра во входной кольцевой буфер FIFO - принимающего контроллера 7.

Каждый принимающий контроллер 7 осуществляет декодирование входного пакета данных, контроль правильности принятой информации, формирование пакета принятых данных, который укладывается в область памяти принимающего контроллера 7 для передачи в программное приложение вычислительного модуля 2. Для программного приложения принимаемый пакет данных определяется как сообщение .

Пример функционирования ССМ 5 представлен на примере ниже (фиг. 3). ССМ 5 осуществляет прием частных спектрально-уплотненных оптических выходных каналов от каждого ССО 3, каждой бортовой системы 1. На фиг. 3 представлены каналы, начиная с по . Далее входные оптические каналы проходят через оптические усилители 14 и поступают на оптический мультиплексор 15. На выходе последнего формируется общий информационный оптический спектрально-уплотненный поток данных - λ^O_(1…64). Далее посредством оптического разветвителя 16 происходит размножение потока λ^O_(1…64) на восемь линий (частный случай, количество выходных оптических каналов разветвителя 16 определяется структурой системы передачи информации в реальном времени), по которым информация передается в ССО 3 вычислительных модулей 2 бортовых систем 1 КБО.

В добавление к описанной логике работы ССО 3 ниже приведено назначение управляющих сигналов Сλ. Данные сигналы обеспечивают возможность настройки работы оптических приемников 8, оптических передатчиков 11, оптического мультиплексора 12 и оптического демультиплексора 9 на работу с различными длинами волн λ_i, циркулирующих в системе передачи информации в реальном времени. Необходимость настройки оптических компонент ССО 3 на различные длины волн определяется:

- ограниченным количеством длин волн, используемых при спектральном уплотнении (эта цифра колеблется от 96 до 128, хотя есть публикации, где сообщается о работе с 256 длинами волн);

- особенностями режима динамической реконфигурации бортовых систем КБО при отказах.

Каждый ПОМ 10 каждого ССО 3 в зависимости от состояния управляется вектором:

C^т_CCO = {Cλ^T1_out, Cλ^T2_out, Cλ^T3_out… Cλ^Tn_out},

где: Сλ^T1_out - сигнал управления первым оптическим передатчиком 12;

Cλ^Tn_out - сигнал управления n-оптическим передатчиком 12.

Так как каждый компонент вектора управления ССО 3 определяет выходную длину волны λ_i для данного одного из выходного λ-канала, то для данного вектора недопустимо равенство значений его компонент. Также необходимо соблюдать требование, чтобы пересечение (логическое «И») множеств векторов управления, передающих компонент различных ССО 3, было пустым:

где g - количество ССО.

Несоблюдение данного требования приведет нарушению режима работы спектрального уплотнения.

Допустимое множество управляющих векторов C_CCO образуют матрицу управления формирования выходными каналами оптических передатчиков 8 (трансмиттеров), каждая строка которой определяет один из возможных наборов оптических длин волн для одного из ССО 3 вычислительного модуля бортовой системы, входящей в КБО.

Соответственно для передающего оптического модуля дополнительно вводится вектор управления передающего оптического модуля:

C^R_CCO = {Cλ^R1_out, Cλ^R2_out, Cλ^R3_out… .Cλ^Rn_out},

где Cλ^R1_out - сигнал управления оптическим первым оптическим приемником 8;

Cλ^Rnout - сигнал управления оптическим n оптическим приемником 8.

На данный вектор распространяются те же ограничения:

где g - количество ССО.

Логика работы ССО 3 будет следующей (фиг. 3). Количество оптических передатчиков 12 в каждом ССО 3 складывается из двух групп:

где:

T_cco - общее число оптических передатчиков в каждом ССО;

- базовый набор оптических передатчиков в каждом ССО;

- избыточные (redundancy) оптические передатчики в каждом ССО.

Суммарное количество оптических передатчиков 12 в рассматриваемом комплексе соответственно равно:

где s - число бортовых систем 1 в КБО.

Общее число каналов λ^к в системе передачи информации в реальном времени может быть сформировано как:

С избыточностью: - в этом случае к необходимому количеству каналов прибавляется дополнительная группа .

Без избыточности: - в этом случае число каналов равно базовому, существующему, заложенному количеству оптических каналов.

Соблюдение принципа открытости архитектуры КБО требует, чтобы значение S бралось с запасом для возможности наращивания компонент КБО.

Благодаря предложенной архитектуре системы передачи информации в реальном времени в полностью оптической спектрально-уплотненной бортовой сети реального времени с избыточностью становится возможной динамическая реконфигурация по сетевым каналам , которая осуществляется следующим образом:

1. По определенному перечню отказавшего оборудования формируется список λ, привязанных к отказавшему оборудованию.

2. Формируется перечень избыточных оптических передатчиков 12, которые должны компенсировать отказавшие каналы.

3. Формируется вектор C^т_CCO = {Cλ^T1_out, Cλ^T2_out, Cλ^T3_out… Cλ^Tn_out} и происходит:

- блокировка оптических передатчиков 12 в отказном оборудовании;

- перенастройка оптических передатчиков 12.

4. Формируется вектор C^R_CCO = {Cλ^R1_out, Сλ^R2_out, Сλ^R3_out…. Сλ^Rn_out}, и происходит:

- блокировка оптических приемников 8 в отказном оборудовании;

- перенастройка оптических приемников 8.

Соответствующим образом происходит реконфигурация программных приложений и DSM памяти, с которыми работают соответствующие программные приложения.

Логика динамической реконфигурации бортового оборудования с формально отсутствующей избыточностью возможна, если допускается работа с «условной» избыточностью. Под «условной» избыточностью понимается тот ресурс КБО (вычислительные, сетевые и пр.), которые могут быть освобождены от выполнения своих функций без ущерба жизненно важным функциям управления летательного аппарата (ЛА). Логика динамической реконфигурации бортового оборудования в сети со спектральным уплотнением с избыточностью по сетевым каналам , проходит следующим образом:

1. По определенному перечню отказавшего оборудования формируется список λ, привязанных к отказавшему оборудованию.

2. Формируется перечень условно избыточных оптических передатчиков 12, которые должны компенсировать отказавшие каналы.

3. Формируется вектор C^т_CCO = {Cλ^T1_out, Cλ^T2_out, Cλ^T3_out… Cλ^Tn_out} и происходит:

- блокировка оптических передатчиков 12 в отказном оборудовании;

- перенастройка выходных оптических передатчиков 12.

4. Формируется вектор C^R_CCO = {CX^R1_out, Cλ^R2_out, Cλ^R3_out… Cλ^Rn_out}, и происходит:

- блокировка ресиверов в отказном оборудовании;

- перенастройка оптических приемников 8.

5. Соответствующим образом происходит реконфигурация программных приложений и областей памяти контроллеров, образующих DSM память, с которыми работают соответствующие программные приложения.

Как видно из приведенного выше описания, сформированная таким образом система передачи информации в режиме реального времени свободна от ряда недостатков:

- обмен информацией между бортовыми системами осуществляется в режиме реального времени с гарантированной доставкой сообщений благодаря использованию в предлагаемом изобретении спектральных сетевых оконечников и спектрального сетевого мультиплексора, формирующих спектрально-уплотненный поток, объединяющий λ-каналы;

- становится возможной реконфигурация комплекса бортового оборудования при отказах за счет использования в предлагаемой системе спектральных сетевых оконечников, реализующих управление формированием λ-каналов как на выдаче так и на приеме.