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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。
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[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)
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溶酶体是细胞内具有单层膜囊状结构的酸性细胞器，其功能的稳定对细胞内环境稳定、代谢平衡以及免疫应答过程的正常进行具有重要作用。溶酶体基本理化性质的改变会导致其功能障碍，进而引发各种疾病，例如恶性肿瘤、动脉粥样硬化、神经退行性疾病、溶酶体贮积症等。因此，在活细胞水平上实现对溶酶体基本理化性质的实时监测对了解各种生理过程以及由溶酶体功能障碍引起相关疾病的早期诊断和及时干预具有重要意义。我们设计并合成了多种等离激元纳米探针，用于实时监测活细胞溶酶体在各种生理过程以及疾病模型中的理化性质。本论文的主要研究内容主要分为以下几个方面：
(1)吞噬是先天免疫的主要机制之一，巨噬细胞在吞噬各种致病物质后会将其储存在新形成的吞噬小体中，继而在吞噬小体成熟过程中被降解清除。酸化是吞噬小体成熟的关键特征。我们利用多层Au@MnOX@SiO2纳米颗粒作为pH敏感的等离激元纳米传感器，用于在暗场显微镜下监测巨噬细胞中单个吞噬小体的动态酸化特征。
(2)不同形式的应激会诱导溶酶体膜通透化（LMP），导致溶酶体内容物释放到细胞质中。大量的溶酶体泄漏会导致胞质酸性的增加，细胞成分不受控制的分解和坏死，严重情况会造成细胞死亡。我们将金纳米颗粒（AuNPs）作为LMP探针，利用单颗粒平动示踪技术对由氯喹引起的LMP以及后续修复过程进行了动态监测与分析。
(3)巨噬细胞来源的泡沫细胞在动脉粥样硬化斑块的形成和发展以及不稳定斑块的演化中起着关键作用。脂质的大量摄入是泡沫细胞的形成条件之一，溶酶体作为转运脂质的中间体，在巨噬细胞泡沫化进程中既发挥降解脂质作用，又发挥储存脂质作用。评估溶酶体粘度水平是衡量细胞脂质含量，进而实现泡沫细胞检测的可行方法。针对单颗粒平动示踪技术的缺点，我们开发了单颗粒旋转微流变学策略。该策略通过收集与分析金纳米棒（AuNRs）探针在垂直于焦平面的旋转扩散所引起的散射亮度波动，确定旋转弛豫时间，以分析泡沫细胞的溶酶体粘性特征，从而实现在活细胞水平上对泡沫细胞的检测。
(4)对于巨噬细胞泡沫化，已有许多研究利用各种生物学技术揭示了泡沫细胞中脂质代谢、信号通路和炎症反应紊乱的分子机制和生物学后果。这些研究为理解泡沫细胞的形成和特征提供了关键信息，极大地促进了动脉粥样硬化疾病治疗策略的发展。然而，泡沫细胞的演变动力学和潜在的调控机制仍不清楚。在上一章的基础上，我们利用单颗粒旋转微流变学策略对巨噬细胞泡沫化进程中溶酶体脂质积累的特征以及潜在的调控机制进行了探索。
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[1] Jinhui Shang, Qian Yang, Wenjun Fan, Yancao Chen, Decui Tang, Haowei Guo, Bin Xiong*, Shuangyan Huan* and Xiao-Bing Zhang. Probing dynamic features of phagosome maturation in macrophage using Au@MnOX@SiO2 nanoparticles as pH-sensitive plasmonic nanoprobes. Chemistry - An Asian Journal, 2021, 16, 1150-1156.
[2] Jinhui Shang#, Yuan Ma#, Xixuan Liu, Shijie Sun, Xiayun Pang, Rui Zhou, Shuangyan Huan, Yan He, Bin Xiong* and Xiao-Bing Zhang*. Single–particle rotational microrheology enables pathological staging of macrophage foaming and antiatherosclerotic studies. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2024, 121, e2403740121.
[3] Jinhui Shang, Huiwen Li, Xixuan Liu, Shijie Sun, Shuangyan Huan* and Bin Xiong*. Single–particle rotational sensing for analyzing the neutralization activity of antiviral antibodies. Talanta, 2024, 279, 126606-126615.
[4] Jinhui Shang, Mingdi Gao, huiwen Li, Shijie Sun, Shuangyan Huan* and Bin Xiong*. Single–particle rotational tracking for dynamically monitor and analyze of lysosomal membrane permeabilization. (In preparation)
[5] Qian Yang#, Jinhui Shang#, Yancao Chen, Decui Tang, Yuzhi Ouyang, Bin Xiong* and Xiao-Bing Zhang. Plasmonic imaging of dynamic interactions between membrane receptor clusters beyond the diffraction limit in live cells. Analytical Chemistry, 2021, 93, 16571-16580.
[6] Yuan Ma#, Jinhui Shang#, Liuhui Liu, Menghuan Li, Xinyu Xu, Hui Cao, Li Xu, Wei Sun, Guosheng Song* and Xiao-Bing Zhang*. Lipid-unlocked photoacoustic probe for the precise imaging of cathepsin B in atherosclerotic plaque. Journal of the American Chemical Society, 2023, 145, 17881-17891.
[7] Jiayu Liu, Jinhui Shang, Yancao Chen, Yueyue Tian, Qian Yang, Mei Chen, Bin Xiong* and Xiao-Bing Zhang. A surface-engineered NIR light-responsive actuator for controllable modulation of collective cell migration. Journal of Materials Chemistry B, 2019, 7, 5528-5534.
来源 | 湖南大学研究生院
