新一代民用飛機客艙系統通信網絡拓撲結構

朱青

【摘 要】隨著以太網網絡技術在民用飛機客艙系統中日趨廣泛的運用，如果選擇合適的網絡拓撲結構成為了系統網絡的構建基礎。本文通過結合民用飛機客艙系統的需求、功能和性能要求，提出了適用于民用飛機客艙系統的網絡拓撲結構。

【關鍵詞】民用飛機；客艙系統；以太網；網絡拓撲

0 引言

傳統的客艙系統通信架構多用模擬離散線，模擬音頻線以及少量速率低的數據總線，這類通信網絡的特點是連接線纜多，傳輸速率低，適合較小數據量、刷新率要求低的系統。

隨著電子技術的飛速發展，民用飛機客艙內來自客艙乘組和旅客的電子技術應用需求范圍也不斷擴展和攀升。作為民用飛機的直接用戶，航空公司希望提供定制化的和差異化的客艙服務及飛行體驗來吸引乘客爭奪市場。從客艙乘組的角度出發，由于飛機客艙系統日漸多樣復雜，工作負荷也隨之增加。客艙乘組希望客艙系統能夠提供更多的自動化應用，來實現更高效和更便捷的客艙管理。從乘客的角度出發，傳統的飛行體驗已遠遠不能滿足不同用戶群體的需求，乘客希望在幾個甚至是十幾個小時的旅途中獲得更舒適和多樣化的飛行體驗。

客艙電子技術的應用客觀上對飛機客艙內的電子系統架構設計提出了更高的要求。大量音視頻數據的頻繁加載，新興電子技術的應用，客艙電子設備的控制都需求一個高帶寬，數字化的通信網絡平臺的支撐。

1 新一代民用飛機客艙系統通信網絡

新一代民用飛機客艙系統的通信網絡大致可分為以下兩種類型：

1）基于RS232，RS485，ARINC429、CAN等數字總線的通信網絡

2）基于以太網的通信網絡

2 客艙系統通信網絡拓撲結構

網絡拓撲結構是指用傳輸介質互連各種設備的物理布局，是構成網絡的成員間特定的物理的或邏輯的排列方式。總線型拓撲結構，星型拓撲結構和環形拓撲結構是幾種運用廣泛且技術成熟的網絡拓撲結構。

2.1 考慮因素

在設計客艙系統通信網絡的網絡拓撲結構時，通常需要首先考慮以下幾點：

1）對外接口繁多

客艙系統與其他機載系統的接口較多，種類繁多，為了避免數據的重復傳遞和不同數據來源導致的時序不一致等問題，一般采用統一對外接口的方式來處理客艙系統內外部的數據傳遞。

2）同一設備的分布式使用

客艙系統內部不同的功能需要不同的設備來負責實現，而同一功能可能需要多個同種設備分布在全客艙來實現。因此在此類設備之間數據的傳遞是重復的。

3）選裝設備和必裝設備的系統集成

客艙系統本身又分為客艙管理，旅客廣播和客艙內話，機載娛樂和外部通信四大功能模塊。模塊內部又存在選裝和必裝，這就會導致在實現時存在需要對不同供應商的設備完成系統集成。

2.2 網絡拓撲結構在客艙系統通信網絡中的運用

1）采用星型拓撲結構實現對外的統一接口。

用一個中央節點即交換機/路由器來連接內外部通信網絡，將數據集中后再根據要求分發，可以有效的解決對外接口繁多的問題。也可以通過使用星型拓撲結構解決選裝設備和必裝設備的系統集成問題。在交換機內為選裝設備預留好端口可以有效，便捷的解決這一問題，具體將在網絡配置中對這一問題展開討論。

2）采用總線拓撲結構或者環型拓撲結構來實現對同一種/類設備的重復部署。

總線拓撲和環形拓撲同樣可以實現同一設備的重復部署。但總線拓撲的不足在于當總線內有一點出現通信中斷，那么自這一點向后所有的節點都喪失了與頭端設備通訊的功能。因此在客艙系統中，大量了采用一種環型拓撲結構來解決總線拓撲的這一弊端，這一拓撲結構又被稱為環型菊花鏈網絡拓撲。

2.3 環型菊花鏈網絡拓撲的應用技術關鍵點

ARINC628 [1]定義了菊花鏈網絡拓撲結構的原理和在客艙系統中的適用范圍。然而在具體設計的過程中，發現具體實現環型菊花鏈網絡拓撲還需要解決以下問題：

1）環型網絡的廣播風暴問題

廣播風暴是指當廣播數據充斥網絡無法處理，并占用大量網絡帶寬，導致正常業務不能運行，甚至徹底癱瘓。當采用環形菊花鏈網絡時，一個數據幀或包被傳輸到本地網段的每一個節點就是廣播，由于菊花鏈網絡中，每一個節點都在發送幾乎相同的數據幀或包并將上一級或下一級廣播發出的數據幀或包重新再發送出去，因此導致廣播在網段內大量復制，最終形成了網絡風暴。

2）拓撲構造問題

當菊花鏈網絡拓撲技術運用到客艙系統中時，多個同類型設備需考慮如何在網絡中的自動配置和拓撲發現

3 發展趨勢分析

因設備供應商更新換代的研發成本，主制造商的取證成本等問題，現役的許多機型大多還是采用的數字總線的客艙系統通信網絡。隨著客艙系統功能需求的提升，選裝系統設備數量的增加，基于傳統數據總線的通信網絡在數據吞吐量，可傳輸的數據類型上的缺陷逐漸暴露了出來。此類通信網絡在擴展系統規模方面的力不從心迫使主制造商將目光轉向了基于以太網的客艙系統通信網絡，在新機型上開始大范圍的運用以提升系統的復雜度，以此為客戶提供更多的功能和服務。

從拓撲結構上，星型網絡拓撲結構大多被采用在可靠性要求高的客艙系統功能中，天生的冗余特性可以被更好的發揮；而環型網絡則是被大量的運用在數量較多，可靠性要求低的系統功能中，從而起到簡化設計，系統減重的目的。

4 總結

新一代客艙通信網絡的目的是為了為客艙系統各類復雜的應用提供了廣闊的平臺。因此在系統設計過程中，納入拓展性，標準化的設計思想，選擇合理、合適的網絡拓撲結構，是系統構架設計的第一步也是極其重要的一步。

【參考文獻】

[1]ARINC628 CABIN EQUIPMENT INTERFACES.

[2]ARINC664 PART3 INTERNET-BASED PROTOCOLS AND SERVICES.

[責任編輯：張濤]