潘樂(lè)炳,劉琪琪 ,袁永瓊 ,文 明 ,葉 峻
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海 200331;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司數(shù)據(jù)鏈技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710068)
數(shù)據(jù)鏈將消息、協(xié)議和傳輸設(shè)備緊密耦合,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、聲納、電子戰(zhàn)、敵我識(shí)別、自動(dòng)上報(bào)、可視化監(jiān)控等系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)交互,是戰(zhàn)場(chǎng)指控平臺(tái)、武器平臺(tái)、傳感器平臺(tái)和作戰(zhàn)人員的信息“紐帶”,是獲得戰(zhàn)場(chǎng)信息優(yōu)勢(shì)、提高協(xié)同作戰(zhàn)能力和縮短決策時(shí)間的關(guān)鍵。
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)內(nèi)涵的發(fā)展,戰(zhàn)爭(zhēng)樣式逐漸從以平臺(tái)為中心轉(zhuǎn)向以網(wǎng)絡(luò)為中心[1],數(shù)據(jù)鏈實(shí)體逐漸從單機(jī)設(shè)備演進(jìn)到多功能系統(tǒng),傳輸層面上需要具備多信道協(xié)同、多鏈信息融合和傳輸自適應(yīng)切換[2-5]。傳統(tǒng)的多鏈系統(tǒng)信息共享主要在消息層面以通用消息標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn),難以滿足高機(jī)動(dòng)平臺(tái)對(duì)時(shí)敏信息的交互,同時(shí)由于各個(gè)數(shù)據(jù)鏈之間傳輸設(shè)備和波形采用獨(dú)立使用和處理的方式,造成具備多鏈接入能力的節(jié)點(diǎn)體積龐大,波形開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證工作量龐大。
以美國(guó) DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)開(kāi)展的 DyNAMO(Dynamic Network Adaptation for Mission Optimization)項(xiàng)目[6]為例,為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)鏈之間的互操作,采用了基于C2E (Communications in Contested Environments)項(xiàng)目研發(fā)的平臺(tái),C2E項(xiàng)目通過(guò)建立信息系統(tǒng)參考架構(gòu)和開(kāi)發(fā)環(huán)境,將波形功能在硬件和波形層面分解為可重用的處理元素,使得在硬件平臺(tái)上協(xié)同實(shí)現(xiàn)CDL、MADL、Link 16、TTNT 和 IFDL 等多種數(shù)據(jù)鏈波形。
本文的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)將多路數(shù)據(jù)鏈波形相似的模塊進(jìn)行統(tǒng)一參數(shù)化設(shè)計(jì),每個(gè)波形模塊的輸入為數(shù)據(jù)和參數(shù)兩部分,模塊的輸出為處理數(shù)據(jù)和傳遞到下一模塊的參數(shù)。通過(guò)參數(shù)化波形傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn):1)充分發(fā)揮射頻前端靈活配置能力,實(shí)現(xiàn)多鏈之間在傳輸不中斷情況下的連續(xù)切換;2)在現(xiàn)有平臺(tái)能力的基礎(chǔ)上,支持通過(guò)異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)來(lái)改進(jìn)通信服務(wù);3)在統(tǒng)一的通信系統(tǒng)構(gòu)架下,支持對(duì)現(xiàn)有通信設(shè)備的性能升級(jí),支持第三方技術(shù)的介入來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速更新。
在復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的任務(wù)是保證信息的可靠交互[7],如圖1所示,復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)系統(tǒng)以多種異構(gòu)武器平臺(tái)和傳感器為載體,協(xié)同完成聯(lián)合防空、聯(lián)合偵查、協(xié)同作戰(zhàn)、協(xié)同監(jiān)控等任務(wù),對(duì)數(shù)據(jù)鏈的輸入信息包含了多鏈控制信息和情報(bào)、監(jiān)視、偵查等數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)鏈傳輸單元根據(jù)傳輸需求,映射到波形處理過(guò)程,完成波形重構(gòu)操作,為傳輸平臺(tái)輸出硬件天線等的配置信息和處理后的波形數(shù)據(jù)。
由于任務(wù)需求和設(shè)計(jì)條件的不同,數(shù)據(jù)鏈在通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、傳輸信道等多個(gè)方面有較大的差異,作戰(zhàn)平臺(tái)的異構(gòu)性為信息交互帶來(lái)較大的挑戰(zhàn),在多軍種、多維空間的聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)上,各種數(shù)據(jù)鏈之間的互操作性是有效實(shí)施網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的基礎(chǔ),直接制約了體系化作戰(zhàn)能力。
圖1 異構(gòu)軍事系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈波形重構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖1所示,數(shù)據(jù)鏈要支持多任務(wù)協(xié)同和異構(gòu)平臺(tái)加載,一般在系統(tǒng)架構(gòu)的約束下,通過(guò)通用軟件無(wú)線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈傳輸單元的異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈信息共享、感知自適應(yīng)、跨平臺(tái)互操作等能力。異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈波形重構(gòu)在傳輸需求的約束下,形成多數(shù)據(jù)鏈波形重構(gòu)、傳輸波形自適應(yīng)、通用軟件化波形控制等重構(gòu)設(shè)計(jì)需求,具體處理操作包含模塊設(shè)計(jì)、波形驗(yàn)證和平臺(tái)映射,傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)器頻率功率、天線波束的重配置能力。與一般的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)不同,要完成這些功能和需求,對(duì)波形處理單元和硬件平臺(tái)提出了較高的要求。
在目前的現(xiàn)役數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,波形的基本結(jié)構(gòu)相似,但是在實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能時(shí),根據(jù)具體的波形參數(shù)來(lái)重新設(shè)計(jì),從而導(dǎo)致需要大量的時(shí)間和精力在FPGA/DSP/GPP上進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。以美軍的CDL、Link 16、TTNT等常用數(shù)據(jù)鏈為例,波形處理單元都包含了信道編碼、調(diào)制解調(diào)、數(shù)字變頻、脈沖成形等模塊,每個(gè)模塊使用的算法技術(shù)又有許多相似的地方,因此,通過(guò)參數(shù)化配置每個(gè)模塊,減少重用模塊的重復(fù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作,可以大大提高波形重構(gòu)速度,同時(shí)硬件資源不是與整個(gè)波形匹配,而是與波形子模塊匹配,便于實(shí)現(xiàn)硬件資源共享。因此,研究參數(shù)化波形重構(gòu)架構(gòu)對(duì)解決復(fù)雜任務(wù)中的傳輸需求具有實(shí)戰(zhàn)意義。
參數(shù)化波形設(shè)計(jì)將整個(gè)波形的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)化為模塊的調(diào)用和參數(shù)配置,設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)化為模塊的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和波形參數(shù)的設(shè)計(jì),波形模塊和波形參數(shù)的獨(dú)立設(shè)計(jì),便于設(shè)計(jì)人員專注自己擅長(zhǎng)的工作,同時(shí)波形與硬件以模塊形式進(jìn)行匹配,容易實(shí)現(xiàn)資源精細(xì)化使用。本節(jié)提出多平面分離波形重構(gòu)架構(gòu),將參數(shù)控制、數(shù)據(jù)處理、硬件平臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)分離為參數(shù)控制面、數(shù)據(jù)處理面和資源映射面,各功能單元的獨(dú)立處理,實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)鏈波形的快速重構(gòu)。
如圖2所示,以設(shè)計(jì)兩種異構(gòu)波形為例,選取典型的信道編碼、交織、調(diào)制和數(shù)字變頻處理流程,常規(guī)的多波形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)處理上各波形獨(dú)立操作,即使數(shù)據(jù)鏈波形結(jié)構(gòu)相似,在數(shù)據(jù)流處理時(shí)進(jìn)行的是單獨(dú)處理操作,在進(jìn)行FPGA/DSP/GPP硬件綜合時(shí),波形與硬件進(jìn)行波形級(jí)別的大顆粒度映射驗(yàn)證。
毛澤東在建構(gòu)和完善矛盾學(xué)說(shuō)體系方面作了杰出的工作?!睹苷摗肥邱R克思主義哲學(xué)史上系統(tǒng)地闡述矛盾規(guī)律的哲學(xué)專著,其論述緊密結(jié)合中國(guó)革命的實(shí)踐和中國(guó)傳統(tǒng)辯證法思想,因而具有鮮明的中國(guó)作風(fēng)和氣派。在《矛盾論》中,毛澤東從對(duì)立統(tǒng)一的觀點(diǎn)出發(fā)建構(gòu)了一個(gè)完整的矛盾學(xué)說(shuō)體系,從而譜寫了馬克思主義矛盾觀的新樂(lè)章。
圖2 參數(shù)化多平面分離波形設(shè)計(jì)架構(gòu)
以數(shù)據(jù)鏈波形自適應(yīng)設(shè)計(jì)為例,一般在約束條件Con下,以數(shù)據(jù)鏈速率R為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)制指數(shù)Qm,編碼因子Rc和擴(kuò)頻因子Gp:
以上參數(shù)在求解完成后,獲得最佳的設(shè)計(jì)參數(shù),將{Qm,Rc,Gp}與數(shù)據(jù)處理面的模塊相匹配,即可得到參數(shù)設(shè)計(jì)平面的參數(shù)集合S,約束條件Con不只是系統(tǒng)需求約束,也包含現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈模塊庫(kù)的約束。參數(shù)設(shè)計(jì)平面的重點(diǎn)是滿足系統(tǒng)傳輸性能,不需要充分考慮數(shù)據(jù)鏈平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的因素。
在數(shù)據(jù)處理面,首先將波形模塊(編碼器、交織器、調(diào)制器…)參數(shù)化,模塊調(diào)用只需提供相應(yīng)的參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)。模塊設(shè)計(jì)只關(guān)注輸入的數(shù)據(jù)和參數(shù),不關(guān)注波形性能,在模塊庫(kù)搭建完成以后,設(shè)計(jì)工作主要是模塊參數(shù)的設(shè)計(jì)。各波形制定參數(shù)集合S={P1、P2、P3…},其中集合 Px為具體模塊的配置參數(shù)集合,每個(gè)模塊輸入數(shù)據(jù)Dx和參數(shù)Px。
在進(jìn)行FPGA/DSP/GPP硬件綜合時(shí),在資源映射面,波形與硬件進(jìn)行的是模塊級(jí)別的小顆粒度映射驗(yàn)證,在操作上與整個(gè)波形的功能性能相獨(dú)立。
參數(shù)化多平面分離波形設(shè)計(jì)架構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)波形參數(shù)控制、波形數(shù)據(jù)處理和硬件平臺(tái)驗(yàn)證3個(gè)操作平面獨(dú)立進(jìn)行,易于實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈模塊重用、硬件資源共享和波形自適應(yīng)控制,各個(gè)控制處理平面的獨(dú)立研發(fā)設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)高效的工程實(shí)現(xiàn);
2)模塊的調(diào)用減少了數(shù)據(jù)鏈波形相似結(jié)構(gòu)的重復(fù)設(shè)計(jì)工作,由于硬件映射的驗(yàn)證以模塊驗(yàn)證為主,大大減少了驗(yàn)證和調(diào)試的工作量,具有較好的可擴(kuò)展性;
3)硬件資源的使用以波形模塊級(jí)別的小顆粒度映射,提升了資源的使用效率,容易實(shí)現(xiàn)不同波形和芯片的資源共享。
以常用的數(shù)據(jù)鏈波形 CDL、MADL、Link 16、TTNT和IFDL為基礎(chǔ)波形集合,可得到如下頁(yè)表1所示的基礎(chǔ)模塊集合,包含數(shù)字處理、擴(kuò)頻編碼、糾錯(cuò)編碼等,每種模塊包含了常用的多個(gè)實(shí)例,如信道編碼包含了卷積碼、RS編碼、LDPC編碼等,表1擬定了數(shù)據(jù)鏈波形主要使用的模塊,可作為參數(shù)化波形設(shè)計(jì)的模塊庫(kù)。
表1 參數(shù)化波形模塊集合表
對(duì)于每個(gè)模塊,首先設(shè)定實(shí)例類型屬性,在類型屬性的基礎(chǔ)上,以實(shí)例的處理算法為核心,制定具體實(shí)例涉及的參數(shù),參數(shù)的數(shù)量以滿足可擴(kuò)展性和可實(shí)現(xiàn)性為目標(biāo),以信道編碼模塊為例,相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。
表2 參數(shù)化信道編碼模塊
表2列舉了常用的信道編碼以及傳遞的參數(shù),在接收端,根據(jù)信道編碼模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的解碼模塊,由于使用的數(shù)據(jù)鏈波形類型有限,考慮到實(shí)現(xiàn)的具體情況,編碼參數(shù)的值有一定的約束規(guī)范,而非任意取值。同時(shí)對(duì)于部分處理可實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)計(jì),如卷積編碼中的交織單元,既可以調(diào)用參數(shù)化交織模塊,也可以用枚舉方式預(yù)先存儲(chǔ)交織表。
本節(jié)在參數(shù)化多平面分離波形設(shè)計(jì)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出模塊化重構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化硬件平臺(tái)映射方法,制定多平面分離架構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)流程,完成參數(shù)化波形重構(gòu)技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈裝備上的實(shí)現(xiàn)。
圖3 基于模塊的參數(shù)化波形重構(gòu)
數(shù)據(jù)鏈參數(shù)化波形模塊庫(kù)以現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈波形模塊為主,支持?jǐn)U展波形模塊的添加,同時(shí)支持第三方對(duì)模塊庫(kù)的更新升級(jí),如圖3所示的波形重構(gòu)架構(gòu),模塊庫(kù)的可擴(kuò)展性代表了多平面分離波形重構(gòu)架構(gòu)的可擴(kuò)展性。
在參數(shù)控制平面,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、信道檢測(cè)結(jié)果、抗干擾要求、LPD/LPI(Low Probability of Detect/Low Probability of Intercept)約束等波形需求制定對(duì)參數(shù)化模塊的選擇和配置,并先完成理論仿真驗(yàn)證。
在波形處理平面,以建立的參數(shù)化波形模塊庫(kù)為基礎(chǔ),根據(jù)參數(shù)控制平面產(chǎn)生的參數(shù)調(diào)用波形模塊并進(jìn)行配置,最終生成重構(gòu)的波形源代碼。
在資源映射平面,數(shù)據(jù)鏈硬件平臺(tái)以FPGA、DSP、GPP等處理資源和核心,在建立波形模塊庫(kù)時(shí)首先實(shí)現(xiàn)對(duì)各波形模塊的性能驗(yàn)證,在進(jìn)行波形重構(gòu)時(shí)根據(jù)波形數(shù)據(jù)處理平面產(chǎn)生的重構(gòu)波形代碼,完成整個(gè)波形的功能和性能的驗(yàn)證。
3個(gè)平面在設(shè)計(jì)流程中大部分操作是獨(dú)立執(zhí)行的,但是在實(shí)際運(yùn)行中,每個(gè)平面之間需要進(jìn)行反饋信息交互,例如當(dāng)資源映射平面在波形驗(yàn)證不通過(guò)時(shí),需要對(duì)波形處理平面的波形源代碼編譯進(jìn)行修改;當(dāng)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)傳輸功能和性能不滿足要求時(shí),需要參數(shù)控制平面對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。并且在架構(gòu)開(kāi)發(fā)環(huán)境的建設(shè)過(guò)程中,平臺(tái)處理能力、模塊映射方式和參數(shù)配置集合三者之間相互制約,只有3個(gè)平面協(xié)同處理才能有效完成多波形高效快速重構(gòu)。
目前的傳輸波形設(shè)計(jì)一般以基于HDL和C/C++的編譯集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Develop Environment)為主要軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),因此,在建立數(shù)據(jù)鏈波形參數(shù)化模塊庫(kù)時(shí),首先建立C-IDE、HDL-IDE模塊,這樣的模塊對(duì)硬件的支持更好。
同時(shí)隨著基于模型的開(kāi)發(fā)技術(shù)和開(kāi)發(fā)環(huán)境的成熟,基于 Matlab、Simulink[8]等工具的開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境也支持HDL和C/C++代碼的生成,因此,可建立Matlab模塊和Simulink模塊,這些高級(jí)波形模塊開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)開(kāi)發(fā)人員更加友好和簡(jiǎn)單,工作量較小,但是往往占用更多的硬件資源。
圖4 基于模塊的快速波形重構(gòu)
混合模塊的開(kāi)發(fā)方式支持多種開(kāi)發(fā)平臺(tái),容易實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方技術(shù)的支持,同時(shí)也可以對(duì)不同平臺(tái)生成的模塊代碼進(jìn)行優(yōu)化,如圖4建立的快速波形重構(gòu)開(kāi)發(fā),例如首先利用模型開(kāi)發(fā)技術(shù)通過(guò)Matlab、Simulink生成HDL和C/C++代碼,在對(duì)生成的代碼進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),在保證波形性能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件平臺(tái)的支持和資源的有效使用。
以用于聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信信息系統(tǒng)和武器協(xié)同的Link16 數(shù)據(jù)鏈[9]和 TTNT 數(shù)據(jù)鏈[10]為例,兩種波形使用模塊大多相同,主要是調(diào)制和跳頻部分不同,Link16采用MSK調(diào)制,跳頻點(diǎn)數(shù)51個(gè),TTNT采用GMSK調(diào)制,跳頻點(diǎn)數(shù)16個(gè)。兩種波形采樣速率不同,頻帶帶寬也不同。
如圖5所示,以兩種數(shù)據(jù)鏈基帶處理主要模塊為例,都包含了信息校驗(yàn)、信道編碼、交織、數(shù)字?jǐn)U頻、調(diào)制和跳頻模塊。在實(shí)例類型部分,信息校驗(yàn)、信道編碼、數(shù)字?jǐn)U頻使用的實(shí)例類型分別為CRC、RS、CCSK方法,Link16調(diào)制模塊實(shí)例類型采用MSK,TTNT調(diào)制模塊實(shí)例類型采用GMSK,通信系統(tǒng)中的交織和跳頻處理方法一般相似,因此,實(shí)例類型為空。
在控制參數(shù)部分,實(shí)例CRC傳遞的參數(shù)為碼字長(zhǎng)度、信息長(zhǎng)度、生成多項(xiàng)式,實(shí)例RS根據(jù)數(shù)據(jù)和報(bào)頭不同傳遞兩種碼字長(zhǎng)度和信息長(zhǎng)度數(shù)據(jù),交織模塊傳遞交織矩陣維度,實(shí)例CCSK擴(kuò)頻模塊傳遞碼字長(zhǎng)度、信息長(zhǎng)度和擴(kuò)頻映射表,實(shí)例MSK傳遞符號(hào)采樣值、數(shù)據(jù)差分與否和初始相位,GMSK還需要傳遞濾波器滾降系數(shù),跳頻實(shí)例傳遞參數(shù)為頻點(diǎn)編號(hào)和跳頻序列。
從Link16和TTNT數(shù)據(jù)鏈波形處理來(lái)看,兩種波形基帶模塊具有較多的相似性,采用參數(shù)化設(shè)計(jì)可以減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作,同時(shí)在增加新的波形時(shí),通過(guò)模塊和實(shí)例的增加即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性。
圖5 基于參數(shù)化技術(shù)的波形設(shè)計(jì)實(shí)例
隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)和多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)的發(fā)展,需要在多種異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈之間實(shí)現(xiàn)信息共享,對(duì)作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈平臺(tái)提出了快速重構(gòu)波形的要求。本文提出了基于多平面分離的參數(shù)化波形重構(gòu)技術(shù),將傳統(tǒng)的波形設(shè)計(jì)分解為參數(shù)控制、數(shù)據(jù)處理和資源映射,支持模塊級(jí)粒度的設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的可擴(kuò)展,降低重復(fù)設(shè)計(jì)工作和充分共享硬件資源。同時(shí)模塊化的波形設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境到硬件平臺(tái)的映射,容易實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)波形加載,以及對(duì)系統(tǒng)的快速更新和性能升級(jí)。
未來(lái)的研究中,在參數(shù)化波形重構(gòu)架構(gòu)下,還需要進(jìn)一步研究波形參數(shù)的設(shè)計(jì),以及硬件約束、資源重用等問(wèn)題,通過(guò)軟硬件數(shù)據(jù)鏈傳輸平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)本文提出的分平面設(shè)計(jì)思想。
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