基于分布式戰(zhàn)術(shù)云的下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)架構(gòu)*

賈明權(quán)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

?

基于分布式戰(zhàn)術(shù)云的下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)架構(gòu)*

賈明權(quán)**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

通過(guò)分析復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)軍事電子信息系統(tǒng)能力的需求，以航空電子系統(tǒng)集成的發(fā)展歷程為牽引，從信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、平臺(tái)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了基于分布式戰(zhàn)術(shù)云平臺(tái)的下一代通用信號(hào)處理架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)功能軟件與硬件平臺(tái)的解耦、任務(wù)模式和實(shí)現(xiàn)方式的解耦為目標(biāo)，進(jìn)而從異構(gòu)處理資源虛擬化、包分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸和基于藍(lán)圖建模的感知部署等方面探討了技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，最后總結(jié)了新平臺(tái)技術(shù)特征，并給出了發(fā)展建議。

軍事電子信息系統(tǒng)；信號(hào)處理；分布式戰(zhàn)術(shù)云；資源虛擬化；感知部署

1 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、高性能實(shí)時(shí)計(jì)算、軟件無(wú)線電等技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事電子信息系統(tǒng)集成由傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)備級(jí)綜合集成向模塊級(jí)綜合集成方向轉(zhuǎn)變[1]，進(jìn)而在開(kāi)發(fā)模式上，從傳統(tǒng)“以硬件平臺(tái)為中心，面向?qū)Ｓ霉δ堋钡脑O(shè)計(jì)思路，向“以軟件服務(wù)為中心，面向應(yīng)用需求”的設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)變[2]。

在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下，要求軍事電子信息系統(tǒng)快速適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境和任務(wù)需求，對(duì)抗不斷出現(xiàn)的新威脅。因此，傳統(tǒng)相對(duì)松散的系統(tǒng)級(jí)集成越來(lái)越難以滿足需求，如何構(gòu)建更緊耦合的模塊級(jí)綜合集成系統(tǒng)，使具備可擴(kuò)展、可升級(jí)的硬件重組和軟件可重構(gòu)能力，通過(guò)注入不同的軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能；如何通過(guò)對(duì)軟硬件資源的配置和管理，使其具備需求可定義的能力，滿足當(dāng)前和未來(lái)裝備任務(wù)擴(kuò)展的需求,這些都是需要解決的問(wèn)題。

針對(duì)以上難題，本文開(kāi)展了下一代通用信號(hào)處理架構(gòu)技術(shù)研究，采用開(kāi)放式軟硬件架構(gòu)，在硬件上采用通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，使硬件資源易于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和升級(jí)，滿足功能算法的需求；軟件上采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)，平臺(tái)提供資源配置接口實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，各種先進(jìn)功能算法以構(gòu)件為單元進(jìn)行集成，使各種新算法易于開(kāi)發(fā)和集成到系統(tǒng)中，通過(guò)軟件定義實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)功能，從而使系統(tǒng)性能快速提升。在此基礎(chǔ)之上，架構(gòu)具有強(qiáng)大的系統(tǒng)性能、靈活的流程定義和實(shí)時(shí)的功能重構(gòu)能力，支持環(huán)境感知、機(jī)器學(xué)習(xí)等各種智能算法的即插即用[3]，適應(yīng)系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展的需求。

2 信號(hào)處理平臺(tái)的發(fā)展歷程

信號(hào)處理平臺(tái)的綜合集成演進(jìn)以航空電子系統(tǒng)為最典型的代表，其綜合集成結(jié)構(gòu)的演變先后經(jīng)歷了3代發(fā)展[4]，即分立式結(jié)構(gòu)、聯(lián)合式結(jié)構(gòu)、綜合模塊化航空電子結(jié)構(gòu)，正向著大型化和無(wú)人化方向邁進(jìn)。其中，分立式結(jié)構(gòu)模式的整個(gè)航空電子系統(tǒng)由一系列獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)僅依靠其自身設(shè)備完成獨(dú)立的功能，沒(méi)有數(shù)據(jù)總線，不同子系統(tǒng)的設(shè)備基本上以獨(dú)立的形式出現(xiàn)，系統(tǒng)靈活度差、專(zhuān)用性強(qiáng)、信息交換困難，代表機(jī)型為F-4。聯(lián)合式結(jié)構(gòu)包括集中式架構(gòu)和集中分布式架構(gòu)。集中式架構(gòu)的機(jī)載導(dǎo)航和火控計(jì)算等開(kāi)始大量使用數(shù)字計(jì)算機(jī)，形成中央控制計(jì)算機(jī)，其典型的代表機(jī)型有F-111D。集中分布式架構(gòu)采用時(shí)分多路傳輸數(shù)據(jù)總線(MIL-STD-1533B)，實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)集中控制和統(tǒng)一顯示，其典型的代表機(jī)型有F-15、F-16等。綜合模塊化航空電子(Integrated Modular Avionics,IMA)結(jié)構(gòu)的信息處理功能采用了許多現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用這種體系的典型代表機(jī)型是F-22。隨著開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了射頻部分和信號(hào)、信息處理部分的完全模塊化，其典型的代表機(jī)型是F-35。

當(dāng)IMA結(jié)構(gòu)應(yīng)用于功能強(qiáng)大的多乘員大型飛機(jī)時(shí)，帶來(lái)了對(duì)信息綜合核心處理器要求高、機(jī)上布線復(fù)雜、系統(tǒng)生存力下降等諸多問(wèn)題。分布式IMA或分布式模塊化電子(Distributed IMA/Distributed Modular Electronics,DIMA/DME)結(jié)構(gòu)結(jié)合了聯(lián)合式和綜合模塊化航空電子的優(yōu)點(diǎn)，共享處理器、內(nèi)存和傳感器接口等系統(tǒng)資源，利用分布式系統(tǒng)架構(gòu)將所有綜合化模塊分散在整個(gè)飛行器中，并通過(guò)實(shí)時(shí)且容錯(cuò)的通信網(wǎng)絡(luò)將所有模塊相連，從而獲得了更短的響應(yīng)時(shí)間。

隨著傳感器、武器和通信技術(shù)的進(jìn)步，可能從根本上改變了空戰(zhàn)的性質(zhì)。一方面，未來(lái)空戰(zhàn)平臺(tái)的屬性在具備隱身的同時(shí)，可能更傾向于遠(yuǎn)程情報(bào)監(jiān)視偵察(Intelligence,Surveillance and Reconnaissance,ISR)/打擊平臺(tái)，而不是極致的速度和機(jī)動(dòng)性；另一方面，服役或升級(jí)改造一型先進(jìn)的航空系統(tǒng)需要耗時(shí)數(shù)十年和投入數(shù)十億美元，導(dǎo)致這些復(fù)雜平臺(tái)子系統(tǒng)的現(xiàn)代化程度跟不上飛速發(fā)展的電子技術(shù)，以至于所配裝的電子部件在服役時(shí)便已過(guò)時(shí)。因此，作為遠(yuǎn)程打擊平臺(tái)，未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)可能會(huì)擁有與未來(lái)轟炸機(jī)相似或相同的外形，或成為攜帶更適合空戰(zhàn)任務(wù)有效載荷的戰(zhàn)斗機(jī)。作為遠(yuǎn)程ISR節(jié)點(diǎn)，發(fā)展更低成本和更短研發(fā)周期的小型化無(wú)人系統(tǒng)，能將大型飛機(jī)作戰(zhàn)能力分散給多樣化的功能可重構(gòu)的平臺(tái)，在整體上具有更強(qiáng)的魯棒性和可靠性。

總之，從航空電子系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)的發(fā)展背景和趨勢(shì)可以看出，采用DIMA結(jié)構(gòu)的大型平臺(tái)和具備分布式協(xié)同處理的無(wú)人系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 下一代處理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足未來(lái)一體化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化軍事作戰(zhàn)需求，下一代信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)上提供功能應(yīng)用服務(wù)適應(yīng)各種功能任務(wù)的部署和執(zhí)行，對(duì)下采樣通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，使其具備可擴(kuò)展、可升級(jí)、可演進(jìn)的能力。下一代通用信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 下一代通用信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of the next generation general signal processing system

采用面向服務(wù)的功能構(gòu)件化設(shè)計(jì)和任務(wù)自適應(yīng)部署設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升平臺(tái)的通用性和靈活性，支持信號(hào)處理平臺(tái)在相關(guān)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而演進(jìn)為分布式協(xié)同處理的無(wú)人系統(tǒng)，形成分布式戰(zhàn)術(shù)云處理平臺(tái)，通過(guò)空域、時(shí)域聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)各分布平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成自組織、自康復(fù)的聯(lián)合體。

下面分別從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 硬件架構(gòu)

下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)硬件架構(gòu)如圖2所示，由以FPGA處理資源為主的通用信號(hào)預(yù)處理池、以DSP處理資源為主的通用信號(hào)處理池、以CPU處理資源為主的通用信息處理池以及以磁盤(pán)為主的磁盤(pán)冗余陣列(Redundant Arrays of Inexpensive Disks,RAID)存儲(chǔ)4類(lèi)資源池組成。各資源池之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol,IP)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)控制時(shí)間總線進(jìn)行監(jiān)控和時(shí)序控制。資源池內(nèi)采用全交換方式，分別包括高速光交換網(wǎng)絡(luò)、高速RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)。在功能應(yīng)用上可以靈活組成陣列處理、并行處理、流水處理等不同特點(diǎn)的架構(gòu)。

圖2 下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of the next generation general signal processing platform

(1)通用信號(hào)預(yù)處理池

由FPGA密集型通用信號(hào)預(yù)處理模塊和高速光交換網(wǎng)絡(luò)組成，具備低時(shí)延和低抖動(dòng)的信號(hào)同步能力，通過(guò)對(duì)預(yù)處理資源、高速光交換網(wǎng)絡(luò)靈活配置和功能程序動(dòng)態(tài)加載，可以運(yùn)行數(shù)字上下變頻、寬帶信號(hào)通道均衡處理、數(shù)字波束形成和高速數(shù)傳信號(hào)捕獲等預(yù)處理功能軟件。

(2)通用信號(hào)處理池

由DSP密集型通用信號(hào)處理模塊和高速RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)組成，具備多路高速信號(hào)緩存和處理能力，通過(guò)對(duì)處理資源、高速RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)通信中間件的靈活配置和功能程序動(dòng)態(tài)加載，可以運(yùn)行雷達(dá)探測(cè)、微波成像、電子偵察和調(diào)制解調(diào)等信號(hào)處理功能軟件。

(3)通用信息處理池

由CPU密集型通用信息處理模塊和以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)組成，具備綜合信息處理能力和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)能力，通過(guò)對(duì)CPU資源虛擬化、功能程序動(dòng)態(tài)加載，可以運(yùn)行參數(shù)測(cè)量、信息提取、情報(bào)融合和編譯碼等信息處理功能軟件。

(4)RAID存儲(chǔ)陣列

由大容量存儲(chǔ)磁盤(pán)和RAID存儲(chǔ)機(jī)制組成，為系統(tǒng)提供高性能高可靠訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間，用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)陣列數(shù)據(jù)的讀取控制等功能。

因此，4類(lèi)資源池之間通過(guò)控制測(cè)量總線和高速I(mǎi)P網(wǎng)絡(luò)連接為一體。架構(gòu)同時(shí)支持緊密和松散的互聯(lián)特征，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和環(huán)境的需求，資源池之間的互聯(lián)可以通過(guò)多路高速、低時(shí)延的有線互聯(lián)形成強(qiáng)大的集中式處理系統(tǒng)，也可通過(guò)遠(yuǎn)距離、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形成靈活的分布式處理系統(tǒng)。

3.2 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)的核心思想是對(duì)功能軟件進(jìn)行構(gòu)件化管理，將功能軟件作為可調(diào)度的資源，通過(guò)平臺(tái)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)配置、分布式部署、動(dòng)態(tài)加載和業(yè)務(wù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軟件定義一切(Software Defines Everything,SDX)功能。圖3給出了下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)的軟件架構(gòu)。

圖3 下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of the next generation general signal processing platform

按軟件的層次劃分，軟件架構(gòu)分為4層結(jié)構(gòu)，分別是任務(wù)層，智能感知層，資源構(gòu)件層和系統(tǒng)平臺(tái)層,其中，系統(tǒng)平臺(tái)層由平臺(tái)管理層、通信中間件層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層等與硬件平臺(tái)相關(guān)軟件組成。

相較于傳統(tǒng)IMA系統(tǒng)軟件架構(gòu)的4層結(jié)構(gòu)(功能應(yīng)用層、系統(tǒng)平臺(tái)層、通信中間件層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層)，該軟件架構(gòu)一方面更加清晰地突出了系統(tǒng)平臺(tái)軟件和功能應(yīng)用軟件的界限，另一方面突出了功能構(gòu)件化資源與物理模塊化資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí)，該軟件架構(gòu)增加了智能感知層，通過(guò)資源配置管理、功能部署和任務(wù)服務(wù)等功能，達(dá)到對(duì)下層實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和功能資源的虛擬化管理，對(duì)上層實(shí)現(xiàn)任務(wù)可感知配置的智能服務(wù)能力。

4 技術(shù)途徑

下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)架構(gòu)，除了需要目前基本解決的硬件模塊化通用化、功能軟件構(gòu)件化等技術(shù)外[1]，還需要從架構(gòu)層面解決異構(gòu)處理資源虛擬化技術(shù)、包分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和基于藍(lán)圖建模的感知部署技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 異構(gòu)處理資源虛擬化技術(shù)

嵌入式云處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括底層硬件設(shè)備、云計(jì)算虛擬化管理平臺(tái)以及綜合應(yīng)用服務(wù)3個(gè)部分。

圖4 嵌入式云處理平臺(tái)分層結(jié)構(gòu)Fig.4 Hierarchical structure of embedded cloud processing platform

(1)硬件平臺(tái)層

最底層是利用高性能FPGA、DSP、PPC等處理器件和存儲(chǔ)設(shè)備為云計(jì)算平臺(tái)提供統(tǒng)一可靠的計(jì)算、存儲(chǔ)和高速互聯(lián)資源，用戶可以忽略底層的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的管理工作，類(lèi)似于云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS)功能[5]。

(2)虛擬平臺(tái)層

云計(jì)算的虛擬化管理平臺(tái)主要是通過(guò)硬件虛擬化和軟件虛擬化技術(shù)將云計(jì)算平臺(tái)的底層硬件設(shè)施進(jìn)行抽象化，是底層服務(wù)器存儲(chǔ)計(jì)算資源和上層應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理平臺(tái)，通過(guò)資源虛擬化和虛擬化管理系統(tǒng)提供給一個(gè)云平臺(tái)的管理接口，類(lèi)似于云計(jì)算的平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service,PaaS)功能。

(3)綜合應(yīng)用層

基于嵌入式云平臺(tái)的應(yīng)用可以允許用戶選擇各種軟件定義無(wú)線電通信、雷達(dá)、電子偵察、ISR等服務(wù)，類(lèi)似于云計(jì)算的軟件即服務(wù)(Software as a Service,SaaS)功能，同時(shí)也允許開(kāi)發(fā)者自己開(kāi)發(fā)并提供各種云服務(wù)，這個(gè)功能在云計(jì)算中屬于PaaS[6]。

因此，相較于桌面系統(tǒng)相對(duì)通用CPU計(jì)算資源，嵌入式系統(tǒng)由大量的異構(gòu)處理資源組成，包括擅長(zhǎng)邏輯處理的FPGA資源、擅長(zhǎng)浮點(diǎn)運(yùn)算的DSP資源和擅長(zhǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算的PPC資源。目前,虛擬化在桌面系統(tǒng)的發(fā)展相對(duì)成熟，如何在眾多異構(gòu)處理器的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化是支撐下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

虛擬化技術(shù)是將服務(wù)獲得與實(shí)際提供服務(wù)的物理資源的一種簡(jiǎn)單邏輯分離。具體而言，虛擬化技術(shù)允許應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)或者系統(tǒng)服務(wù)位于邏輯上不相同的系統(tǒng)環(huán)境中獨(dú)立運(yùn)行。對(duì)應(yīng)大型DIMA平臺(tái)和小型分布式集群平臺(tái)，嵌入式計(jì)算資源虛擬化分為兩種形態(tài):在DIMA處理中心，主要使用建模技術(shù)將其虛擬為一個(gè)大型對(duì)稱(chēng)多處理系統(tǒng)，并通過(guò)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)的方式為使用方提供定制的計(jì)算能力；小型分布式集群處理中，分散在網(wǎng)絡(luò)中不同物理位置的獨(dú)立計(jì)算設(shè)施，將其抽象為單個(gè)的計(jì)算資源，以整體計(jì)算能力的形式接入云計(jì)算體系使用。

4.2 包分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

射頻數(shù)字化功能與后端信號(hào)處理的分離是實(shí)現(xiàn)分布式戰(zhàn)術(shù)云平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)基于流數(shù)據(jù)的系統(tǒng)連接方式需要用到若干個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣，設(shè)備連接關(guān)系復(fù)雜，可擴(kuò)展性差。IP網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和傳輸速率的不斷提高，使得包分組交換技術(shù)應(yīng)用在射頻數(shù)字前端成為可能。因此，研究基于通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行包分組的數(shù)據(jù)傳輸方式，采用射頻數(shù)字化+基于包分組的池式系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可利用標(biāo)準(zhǔn)商用交換機(jī)將各個(gè)部分連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)硬件架構(gòu)中設(shè)計(jì)的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。隨著萬(wàn)兆以太網(wǎng)在嵌入式系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)高速射頻信號(hào)的交換與傳輸更具現(xiàn)實(shí)可行性[7]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將射頻數(shù)字化功能與后端信號(hào)處理部分剝離開(kāi)來(lái)，射頻數(shù)字化功能作為一個(gè)獨(dú)立模塊置于天線中心體內(nèi)，射頻信號(hào)經(jīng)放大后直接進(jìn)行面向IP包的射頻數(shù)字化處理，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖送ㄓ锰幚碣Y源池，原理框圖如圖5所示。

圖5 包分組交換傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 Illustration of packet switch and transport network

包數(shù)據(jù)傳輸相較于傳統(tǒng)的流數(shù)據(jù)傳輸，更有利于實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)和信號(hào)處理的去耦合，增加了系統(tǒng)的靈活性。對(duì)于單路IP傳輸，IP包分組傳輸技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠、低時(shí)延傳輸。使得接收端復(fù)原信號(hào)的保持時(shí)間和頻率特性不變。TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重傳確認(rèn)機(jī)制使得時(shí)延過(guò)高而不可預(yù)測(cè)，不適合包分組所需的準(zhǔn)確低時(shí)延傳輸。具有低開(kāi)銷(xiāo)、低時(shí)延的UDP協(xié)議需要克服偶爾出現(xiàn)的丟包和無(wú)序發(fā)送問(wèn)題，可以采用包前向糾錯(cuò)碼算法克服丟包現(xiàn)象，如果一個(gè)包數(shù)據(jù)丟失，可以從相鄰包提取糾錯(cuò)碼信息從而恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。

為了解決多路信號(hào)間同步問(wèn)題，傳統(tǒng)流數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)同步傳輸協(xié)議(如JESD204B)建立確定延遲實(shí)現(xiàn)同步，但協(xié)議所需的數(shù)字電路復(fù)雜、時(shí)序要求高，基本不適合遠(yuǎn)距離傳輸。同理，當(dāng)高速采樣數(shù)據(jù)需要多路IP同時(shí)傳輸時(shí)，還需要考慮多路包數(shù)據(jù)的同步傳輸問(wèn)題。包分組數(shù)據(jù)可以在分組包中打上時(shí)間戳，在接收端通過(guò)對(duì)齊時(shí)間戳進(jìn)行包對(duì)齊。

4.3 基于藍(lán)圖建模與感知部署技術(shù)

基于藍(lán)圖建模技術(shù)建立平臺(tái)系統(tǒng)硬件層抽象模型、通用構(gòu)件抽象模型、功能應(yīng)用抽象模型，分別生成硬件藍(lán)圖、應(yīng)用藍(lán)圖和功能部署藍(lán)圖。其中，硬件藍(lán)圖描述系統(tǒng)中每種硬件模塊類(lèi)型、功能、內(nèi)存、通信能力、處理器種類(lèi)及運(yùn)算速度等，各實(shí)體通過(guò)資源池內(nèi)部高速交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。應(yīng)用藍(lán)圖描述每個(gè)應(yīng)用的模塊化通用組件構(gòu)成，“虛”通道連接關(guān)系，對(duì)內(nèi)存的需求、對(duì)處理能力的需求、對(duì)通信帶寬的需求、對(duì)實(shí)時(shí)性的需求等；應(yīng)用藍(lán)圖建模時(shí)需結(jié)合實(shí)際功能應(yīng)用，設(shè)定各類(lèi)需求的統(tǒng)一接口規(guī)范。部署藍(lán)圖描述應(yīng)用藍(lán)圖與硬件藍(lán)圖之間的映射關(guān)系，映射的資源包含硬件組件資源與功能構(gòu)件資源，以及功能線程與鏈路的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

開(kāi)放式綜合處理平臺(tái)已經(jīng)具備功能動(dòng)態(tài)加載和卸載能力，信號(hào)處理平臺(tái)智能感知部署的目標(biāo)是要通過(guò)智能算法進(jìn)一步解決功能自適應(yīng)加載/卸載和資源負(fù)責(zé)均衡問(wèn)題。因此，智能感知?jiǎng)討B(tài)部署技術(shù)進(jìn)一步拓展了軟件定義功能的部署模式。在SDX的開(kāi)放式綜合處理平臺(tái)中，一方面，基于虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)條件下處理資源的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡；另一方面，引入需求驅(qū)動(dòng)、環(huán)境驅(qū)動(dòng)下的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)不同資源條件下功能自適應(yīng)加載和卸載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)工作模式的最優(yōu)匹配。

4.3.1 處理資源動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)

多任務(wù)并發(fā)條件下，復(fù)雜應(yīng)用的計(jì)算負(fù)載隨時(shí)間而變化并且其變化趨勢(shì)較難預(yù)測(cè)，從而引起負(fù)載不均衡。這類(lèi)應(yīng)用往往會(huì)有一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)調(diào)度器或者負(fù)載均衡器，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)處理負(fù)載不均衡的情況。主流的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略包括集中式動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略、分布式動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略和混合式動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略。

混合式動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略克服了集中式和分布式策略的缺點(diǎn)，把進(jìn)程劃分到不同的組，然后為每個(gè)組選擇一個(gè)根進(jìn)程。不同的是，一個(gè)組內(nèi)的進(jìn)程將采用分布式策略交換負(fù)載信息，而每個(gè)組的根進(jìn)程之間則采用集中式策略進(jìn)行負(fù)載信息的交換。

4.3.2 任務(wù)工作模式的自適應(yīng)匹配技術(shù)

采用觀察 、判斷、計(jì)劃、決策、行動(dòng)和學(xué)習(xí)(Observation,Orient,Plan,Decide,Act and Learn,OOPDAL)循環(huán)模型，外部環(huán)境提供激勵(lì)，通過(guò)感知實(shí)現(xiàn)對(duì)這些激勵(lì)的處理，提取與系統(tǒng)性能相關(guān)的信息[8]。適應(yīng)和計(jì)劃則是對(duì)引入和發(fā)出的信息進(jìn)行分析來(lái)獲得與系統(tǒng)性能相關(guān)的信息，基于上述新判決，按照需求對(duì)系統(tǒng)資源的規(guī)劃分配作出決策，并啟動(dòng)接入控制過(guò)程，開(kāi)始對(duì)外部環(huán)境的刺激作出反應(yīng)。同時(shí)還會(huì)利用學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)信息和規(guī)則進(jìn)行不斷的調(diào)整以使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)性能，然后再開(kāi)始下一輪感知，完成信號(hào)檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別、數(shù)據(jù)及信息處理算法等功能構(gòu)件對(duì)各任務(wù)工作模式的自適應(yīng)匹配。OOPDAL 6個(gè)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)的過(guò)程，利用學(xué)習(xí)機(jī)制將決策的信息反饋到感知，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)新?tīng)顟B(tài)的適應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

面向資源的開(kāi)放式處理系統(tǒng)架構(gòu)在一定程度上解決了功能應(yīng)用開(kāi)發(fā)與硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的解耦，但在面對(duì)復(fù)雜任務(wù)模式時(shí)，還難以滿足環(huán)境復(fù)雜多變、動(dòng)態(tài)協(xié)作、實(shí)時(shí)共享等任務(wù)模式對(duì)信號(hào)處理的需求，需要一種新的更先進(jìn)信號(hào)處理架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)模式與實(shí)現(xiàn)方式的解耦。本文提出的下一代通用信號(hào)處理架構(gòu)技術(shù)迎合了這種需求。該架構(gòu)具備技術(shù)特征如下：

(1)不僅采用了IMA綜合化、模塊化理念，而且架構(gòu)設(shè)計(jì)為更加開(kāi)放的資源池模式，資源池互聯(lián)較模塊間互聯(lián)更加靈活，在硬件上支持模塊化集成的同時(shí)，更有利于硬件資源的擴(kuò)展和升級(jí);

(2)功能軟件采用通用化構(gòu)件設(shè)計(jì)，通過(guò)面向服務(wù)的任務(wù)自適應(yīng)部署模式，不僅在軟件上支持滿足規(guī)范的功能軟件的接入與驗(yàn)證，而且更好適應(yīng)復(fù)雜多變戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)新任務(wù)的在線部署和重構(gòu)；

(3)相對(duì)于IMA/DIMA相對(duì)集中式的設(shè)計(jì)，基于IP包交換網(wǎng)絡(luò)的跨平臺(tái)分布式設(shè)計(jì)使得信號(hào)數(shù)字化、信號(hào)預(yù)處理/處理和數(shù)據(jù)處理物理上可分離，更加靈活地支持陣列處理、并行處理和流水處理等功能應(yīng)用；

(4)相對(duì)于目前綜合化系統(tǒng)相對(duì)固定的功能模式，基于虛擬化和負(fù)載均衡等技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能的智能感知?jiǎng)討B(tài)部署使任務(wù)模式不用關(guān)心具體在處理平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)方式，根據(jù)作戰(zhàn)需要進(jìn)行按需分配，實(shí)現(xiàn)更加智能的SDX功能。

該架構(gòu)充分繼承了現(xiàn)有或正在發(fā)展的開(kāi)放式處理系統(tǒng)架構(gòu)特征，從功能應(yīng)用開(kāi)發(fā)與硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的解耦的理念再出發(fā)，進(jìn)一步向著實(shí)現(xiàn)任務(wù)模式與實(shí)現(xiàn)方式的解耦面向服務(wù)的目標(biāo)邁進(jìn)，最終可實(shí)現(xiàn)具有智能感知能力的嵌入式戰(zhàn)術(shù)云平臺(tái)。

[1] 陳穎. 航空電子模塊化綜合系統(tǒng)集成技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2] 張榮濤,楊潤(rùn)亭,王興家,等. 軟件化雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá),2016,38(10):1-3. ZHANG Rongtao,YANG Runting,WANG Xingjia,et al.System technology of software defined radar[J].Modern Radar,2016,38(10):1-3.(in Chinese)

[3] 王凱,徐展琦,肖永偉,等. 無(wú)線認(rèn)知開(kāi)發(fā)平臺(tái)綜述[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(2):9-11. WANG Kai,XU Zhanqi,XIAO Yongwei,et al.Overview of wireless cognitive development platforms[J].Radio Communications Technology,2016,42(2):9-11.(in Chinese)

[4] 馮飛. DIMA架構(gòu)下的航電系統(tǒng)有效性評(píng)估技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014. FENG Fei. Research on validity evaluation technology of avionics system with DIMA architecture[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2014.(in Chinese)

[5] 程靜. 新一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014. CHENG Jing. An improved network architecture for future large-scale data centers[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2014.(in Chinese)

[6] 方建勇. 一種基于云計(jì)算技術(shù)的軍事信息系統(tǒng)體系架構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013(12):235-239. FANG Jianyong. A military information system architecture based on cloud computing technology[J].Computer Technology and Development,2013(12):235-239.(in Chinese)

[7] 宋宇飛,張俊杰,王凱,等. 基于IP協(xié)議的FPGA萬(wàn)兆可靠互聯(lián)通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,21(5):570-578. SONG Yufei,ZHANG Junjie,WANG Kai,et al. Design and implementation of FPGA 10 Gbit/s reliable interconnect communication based on IP protocol[J].Journal of Shanghai University(Natural Science Edition),2015,21(5):570-578.(in Chinese)

[8] 閆格. 情境感知信號(hào)處理技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2013. YAN Ge. Research on context-avare signal processing technology[D].Tianjin:Tianjin University,2013.(in Chinese)

Next Generation General Signal Processing Platform Architecture Based on Distributed Tactical Cloud

JIA Mingquan

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

This paper analyzes the demand for the capability of military electronics information system in complex combat environment,presents the development process of avionics system integration. First,to achieve the decoupling between functional software and hardware platform,and the decoupling between task mode and implementation,a next generation general signal processing architecture is proposed based on distributed tactical cloud platform,combined with signal processing system architecture,platform hardware architecture and software architecture design. Second,technology implementation approach is discussed in three respects,including heterogeneous processing resource virtualization,packet switching network transmission,and perceptive deployment based on blueprint modeling. Finally,it summarizes the technical characteristics of the new platform,and gives the development suggestions.

military electronics information system;signal processing;distributed tactical cloud;resource virtualization;perceptive deployment

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.010引用格式：賈明權(quán).基于分布式戰(zhàn)術(shù)云的下一代通用信號(hào)處理平臺(tái)架構(gòu)[J].電訊技術(shù)，2017,57(7):789-794.[JIA Mingquan.Next generation general signal processing platform architecture based on distributed tactical cloud[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):789-794.]

2016-12-15；

2017-05-18 Received date:2016-12-15；Revised date：2017-05-18

TN802

A

1001-893X(2017)07-0789-06

賈明權(quán)(1982—)，男，四川合江人，2005年于西華大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2008年和2013年于電子科技大學(xué)分別獲碩士學(xué)位和博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事嵌入式信號(hào)處理技術(shù)、開(kāi)放式處理架構(gòu)等方面的研究。

Email:jiamingquan@163.com

*通信作者：jiamingquan@163.com Corresponding author：jiamingquan@163.com