基于RabbitMQ 的軟件化雷達(dá)通信中間件的設(shè)計與仿真

孟承 王 建

(中國船舶重工集團 第七二四研究所，江蘇 南京211100)

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)面對日益復(fù)雜多變的目標(biāo)和電磁環(huán)境，需要具備多種工作模式，且能根據(jù)環(huán)境、目標(biāo)特性等快速調(diào)整自身參數(shù)和資源配置以適應(yīng)不同的探測任務(wù)。但是，傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)耦合性強，主要采用定制研發(fā)的機制，當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)功能需求改變時，需要重新設(shè)計雷達(dá)系統(tǒng)底層的軟硬件，這導(dǎo)致了雷達(dá)系統(tǒng)研制周期長，雷達(dá)類型繁雜，難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的多功能探測需求。因此推動了現(xiàn)代雷達(dá)在設(shè)計理念、系統(tǒng)實現(xiàn)方法和裝備研制模式上的創(chuàng)新發(fā)展，“軟件化雷達(dá)”的概念應(yīng)時而生[1-3]。文獻(xiàn)[3]嘗試提出了一個“軟件化雷達(dá)”定義，并描述了其特點和定位。文獻(xiàn)[4]將軟件構(gòu)件技術(shù)引入到雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)過程中，生成了軟件化雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)和層次化的軟件體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]分析和論述了軟件化雷達(dá)的需求、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、內(nèi)涵及技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展設(shè)想等方面。文獻(xiàn)[6-7]研究了軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。為了解決軟件化雷達(dá)中軟件和硬件分層解耦帶來的跨層銜接和軟硬件鉸鏈的難題，中間件技術(shù)是軟件化雷達(dá)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。軟件化雷達(dá)中的中間件主要分為通信中間件和計算中間件兩類。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一套通信中間件，并實現(xiàn)了一套兼容DDS 的API。目前有很多較為成熟的消息中間件，比如RabbitMQ、RocketMQ、Kafka 等。本文利用開源中間件RabbitMQ，對軟件化雷達(dá)進行了通信中間件的設(shè)計和仿真，通過通信中間件實現(xiàn)了軟件化雷達(dá)系統(tǒng)各模塊間的消息傳遞。

1 問題描述

在傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中，往往采用專用的硬件和軟件模塊來實現(xiàn)信息處理功能，信息處理各環(huán)節(jié)軟硬件處于緊耦合狀態(tài)，僅適應(yīng)于單一的雷達(dá)探測功能。體制和工作模式變化的靈活度很小，也限制了雷達(dá)系統(tǒng)性能進一步的提升的空間。

軟件化雷達(dá)系統(tǒng)采用可擴展、可重構(gòu)、可升級的軟硬件解耦分層處理結(jié)構(gòu)，其中，中間件是實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)中軟件和硬件分層解耦的關(guān)鍵，起到了跨層銜接和軟硬件鉸鏈的橋梁作用。針對如何在軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中使用中間件，怎么基于RabbitMQ 對軟件化雷達(dá)系統(tǒng)通信中間件進行具體相關(guān)的設(shè)計以及數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)等問題，下面給出解決方案。

2 解決方案

2.1 通信中間件的使用

通信中間件是目前計算機和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的概念之一，特指在分布式計算節(jié)點之間，通過軟件封裝的方式對通信接口的操作，簡化多節(jié)點應(yīng)用程序的開發(fā)復(fù)雜度，便于系統(tǒng)規(guī)模的彈性擴展和維護。雷達(dá)信號處理系統(tǒng)持續(xù)接收前端的回波數(shù)據(jù)，且回波數(shù)據(jù)大多為脈沖結(jié)構(gòu)，能夠作為數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)中傳輸，適合數(shù)據(jù)流驅(qū)動計算模式。由于單個芯片性能不足以實現(xiàn)整個算法，不同算法處理環(huán)節(jié)分布在不同節(jié)點上，因此給雷達(dá)信號處理系統(tǒng)中不同節(jié)點之間的通信帶來非常多的障礙。不同的通信接口不僅為算法調(diào)試人員的開發(fā)帶來了困難，也不利于頂層應(yīng)用的通用性。通信中間件主要解決的問題就是簡化通信接口的開發(fā)[9-11]。傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)各組件間耦合性強的原因是因為各組件間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，通過在系統(tǒng)中使用通信中間件，各組件間的數(shù)據(jù)傳遞都通過通信中間件來進行，即可實現(xiàn)解耦。

2.2 基于RabbitMQ 的軟件化雷達(dá)通信中間件的設(shè)計

由于雷達(dá)數(shù)據(jù)是持續(xù)、有序、以脈沖為節(jié)拍的輸出，有明顯的數(shù)據(jù)包的概念且雷達(dá)信號處理有很強的實時性需求，并行要求較高，所以本文選擇訂閱發(fā)布模式的消息中間件RabbitMQ來設(shè)計通信中間件。

下面對消息發(fā)送和消息消費模塊進行設(shè)計。消息生產(chǎn)者和消息消費者的核心流程如下圖1、2 所示。

圖1 生產(chǎn)者核心流程

圖2 消費者核心流程

3 仿真分析

3.1 功能性分析

按照以上設(shè)計對軟件化雷達(dá)中間件進行搭建。首先在linux系統(tǒng)上安裝好RabbitMQ 搭建好服務(wù)器。

然后按照上述核心流程編寫消息生產(chǎn)者和消息消費者的代碼，并進行相關(guān)的參數(shù)配置。最后模擬雷達(dá)系統(tǒng)中組件間的消息傳遞。組件1 給組件2 發(fā)送測試消息，仿真結(jié)果如圖3、4 所示。

當(dāng)雷達(dá)功能需求發(fā)生改變導(dǎo)致組件1 的消息需要發(fā)送給組件3 時，此時只需改變組件1 交換機綁定規(guī)則即可完成發(fā)送對象的轉(zhuǎn)變。仿真結(jié)果如圖5、6 所示。

從仿真結(jié)果可看出，借助通信中間件進行消息傳遞，雷達(dá)系統(tǒng)各組件間實現(xiàn)了解耦。

3.2 傳輸速率分析

RabbitMQ 提供了一個管控臺插件，安裝后可以在web 頁面登陸進入后臺，可對服務(wù)器上的交換機、隊列等進行相應(yīng)的操作，同時還可查看隊列中消息傳輸情況。本設(shè)計的消息速率如圖7 所示。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)各組件間耦合度太強的問題，按照軟件化雷達(dá)的理念，基于RabbiMQ 消息中間件對軟件化雷達(dá)系統(tǒng)通信中間件進行了設(shè)計和仿真。仿真結(jié)果表明該設(shè)計滿足雷達(dá)系統(tǒng)的解耦仿真。

但是由于硬件設(shè)備的問題，本設(shè)計的消息傳遞速率不夠高，后續(xù)可通過硬件設(shè)備的升級以及程序的優(yōu)化進行提升。另外，RabbitMQ 還提供了消息確認(rèn)機制，消費者在聲明隊列時，可指定noAck 參數(shù)，當(dāng)noAck=false 時，RabbitMQ 會等待消費者顯式發(fā)回ack 信號后才從內(nèi)存或者磁盤中移除消息否則RabbitMQ 會在隊列中消息被消費后立即刪除它。同時在代碼方面有部分重復(fù)的部分，還可通過使用SpringBoot 來簡化程序。后續(xù)工作可在這些方面展開。

圖3 組件1 消息發(fā)送測試

圖4 組件2 接收測試

圖5 組件1 消息發(fā)送測試

圖6 組件3 接收測試

圖7 消息速率