学位论文简介

时间敏感网络（Time-Sensitive Networking, TSN）满足实时关键系统高带宽和低时延的数据传输需求。流量调度和时延分析是优化网络通信的关键技术。因此，本文聚焦于TSN流量调度与时延分析，针对IEEE 802.1Qbv协议中保护带引起的带宽浪费、不同类型流的实时性需求差异与传输冲突、多因素干扰下流的时延不确定性且难以量化等问题，提出了一系列TSN通信优化方法，并以汽车为应用场景，搭建车载TSN平台以验证这些方法的有效性，主要创新性研究成果如下：

（1）针对IEEE 802.1Qbv协议中保护带引起的带宽浪费问题，提出了一种基于TSN保护带的实时高带宽优化调度方法。该方法通过将AVB（Audio-Video-Bridging）流传输到保护带中，有效减少保护带引起的带宽浪费，同时保持硬实时TT（Time-Triggered）流的确定性传输。实验表明，与现有方法相比，所提出的方法有效提高了AVB流的接受率和带宽利用率。

（2）针对TSN中不同类型流的实时性需求差异与传输冲突问题，提出了一种增强混合流实时调度的GCL（Gate Control List）综合设计和优化方法，主要包括混合流的实时调度设计和GCL综合优化。该方法在保证TT流实时性的同时增强AVB流的调度和带宽利用。实验证明，与现有方法相比，所提出的方法有效提高了AVB流的传输和带宽利用。

（3）针对多因素干扰下AVB流的时延不确定性且难以量化问题，提出了一种优先级队列下AVB流的WCD（Worst-case Delay）分析方法，分析流在传输过程中受到的不同类型流量、整形器、排队算法等因素造成的干扰时延，以计算其WCD。实验表明，所提出的WCD分析方法提供了AVB流的延迟上界，并可以验证调度算法的有效性。

（4）本文设计并搭建了车载TSN平台，符合当前汽车多域E/E架构的需求，且能够提供高精度的时间同步，为上述方法提供应用场景。基于该平台，进一步验证保护带优化调度方法和混合流实时调度方法的有效性。

主要学术成果

[1] Libing Deng, Guoqi Xie, Hong Liu, Yunbo Han, Renfa Li, and Keqin Li. 2022. A Survey of Real-Time Ethernet Modeling and Design Methodologies: From AVB to TSN. ACM Comput. Surv. 55, 2, Article 31 (February 2023), 36 pages. (SCI 1区，第一作者)

[2] Libing Deng, Gang Zeng, Ryo Kurachi, Renfa Li, Guoqi Xie. Design Synthesis and Optimization Strategy for Low-delay and High-bandwidth Utilization in Time-Sensitive Networking; IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD), 2024 , Early Access. (CCF A类，第一作者)

[3] Libing Deng, Xiongren Xiao, Hong Liu, Renfa Li, Guoqi Xie. A low-delay AVB flow scheduling method occupying the guard band in Time-Sensitive Networking. Journal of Systems Architecture, 2022, 129: 102586. (SCI 2区，第一作者)

[4] Libing Deng, Gang Zeng, Ryo Kurachi, Hiroaki Takada, Xiongren Xiao, Renfa Li, and Guoqi Xie. 2024. Enhanced Real-time Scheduling of AVB Flows in Time-Sensitive Networking. ACM Trans. Des. Autom. Electron. Syst. 29, 2, Article 33 (March 2024), 26 pages. (CCF B类，第一作者)