一種機(jī)載傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展構(gòu)想

顧生輝

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

一種機(jī)載傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展構(gòu)想

顧生輝

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

機(jī)載傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總是隨著系統(tǒng)架構(gòu)一起發(fā)展的，本文給出了一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展的構(gòu)想，并分析了這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)為系統(tǒng)性能可能帶來(lái)的影響，最后分析了實(shí)現(xiàn)過(guò)程中潛在的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。

航空電子系統(tǒng)機(jī)載傳感器光交換網(wǎng)絡(luò)

1 引言

航空電子信息系統(tǒng)的綜合化經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和高度綜合式4個(gè)階段[1]，同樣的機(jī)載傳感器系統(tǒng)的綜合化也經(jīng)歷了這幾個(gè)階段，對(duì)此[2][3]等文獻(xiàn)均進(jìn)行了詳細(xì)論述。在具體工程化實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，目前的系統(tǒng)架構(gòu)正在經(jīng)歷綜合化的階段，并向高度綜合化遞進(jìn)，而高度綜合化之后，或者高度綜合化到什么程度之后，系統(tǒng)的體系架構(gòu)會(huì)有所變化以及預(yù)計(jì)會(huì)向什么方向進(jìn)行發(fā)展變化，這是目前我們需要進(jìn)行思考的問(wèn)題，而在這一點(diǎn)上，不論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外情況都是一樣的。

作為復(fù)雜電子信息系統(tǒng)的機(jī)載傳感器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)一直都是核心內(nèi)容，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就需要決定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，分析傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型和傳輸帶寬需求等方面內(nèi)容，并結(jié)合上述需求分析來(lái)決定網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型、設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并給出網(wǎng)絡(luò)傳輸能力分析報(bào)告，可以說(shuō)機(jī)載傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型在很大程度上直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的框架。

本文正是基于對(duì)機(jī)載傳感器系統(tǒng)體系架構(gòu)發(fā)展的思考，提出一種分布式的傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析和論述。

2 系統(tǒng)設(shè)備組成

在基于分布式的傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行高度通用化的設(shè)計(jì)，最終使得整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備類(lèi)型將只有三類(lèi)：

（1）前端智能單元

前端智能單元是集合了有源相控陣收發(fā)天線、信道處理、AD采樣、DA變換、實(shí)時(shí)信號(hào)處理、高速傳輸接口等功能的，一體化設(shè)計(jì)的智能化單元，，單元對(duì)外接口為數(shù)字化信息的光纖接口。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，該單元最終可以與飛機(jī)蒙皮進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

（2）交換單元

交換單元是基于全光交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交換單元，該單元的輸入和輸出端口全部是高速光纖接口，為全機(jī)所有的另外兩類(lèi)單元的全互聯(lián)提供通信鏈路支持。

（3）處理單元

處理單元內(nèi)部采用通用的高速信號(hào)處理和信息處理架構(gòu)，為全系統(tǒng)提供通用化的后端信號(hào)和信息處理，其中包括了：圖像處理、協(xié)議處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)資源分配管理、非實(shí)時(shí)的信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)等。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于分布式的傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如下圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

上圖給出了一種分布連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中以16個(gè)前端智能單元（按照通用飛機(jī)布局設(shè)想在前左、前右、后左、后右4個(gè)象限各4個(gè)單元）、6個(gè)交換單元、5個(gè)處理單元為例，在連接設(shè)計(jì)上，每個(gè)前端智能單元同時(shí)與兩個(gè)交換單元連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)端口的1+1備份，每個(gè)處理單元也同時(shí)與兩個(gè)交換單元連接，交換單元之間全連接組成交換網(wǎng)絡(luò)。

這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接關(guān)系對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)的最重要貢獻(xiàn)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，局部的某個(gè)單元的故障將不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成大的影響，以單元故障為例簡(jiǎn)單分析如下：

（1）前端智能單元故障

如果某個(gè)前端智能單元故障，例如圖1中單元1故障，使用該單元各種功能線程（例如：無(wú)源探測(cè)、光電探測(cè)、告警、通信偵察等、通信、導(dǎo)航等）對(duì)載機(jī)后向右側(cè)的探測(cè)感知能力不會(huì)喪失，但是根據(jù)具體的載機(jī)布局和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)，可能會(huì)有一些性能指標(biāo)的下降，例如：如果是多單元拼接覆蓋空域，可能會(huì)造成載機(jī)特定姿態(tài)下局部空域覆蓋問(wèn)題；如果是多單元頻段拼接，可能會(huì)造成特定時(shí)間段的頻段覆蓋問(wèn)題（信號(hào)丟失）。但總的來(lái)說(shuō)，這些都和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)前端智能單元的具體使用方式有關(guān)，而且都可以通過(guò)冗余設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)重構(gòu)等一些系統(tǒng)級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)措施進(jìn)行保證，可以事先將發(fā)生上述影響的可能性降到最低。

（2）處理單元故障

某個(gè)特定處理單元的故障可以通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)恢復(fù)原本為該單元分配的處理任務(wù)，因?yàn)橄到y(tǒng)中所有的處理單元都是通用的，只是在網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)不同，而這樣一種分布式系統(tǒng)必然是采用軟件中間件技術(shù)的，以方便系統(tǒng)進(jìn)行任意的重構(gòu)。例如圖1中，處理單元1故障了，而原本前端智能單元1的相關(guān)數(shù)據(jù)處理任務(wù)是在處理單元1中完成，此時(shí)前端智能單元1甚至不需要啟動(dòng)備份的端口，而直接使用原通信端口，在系統(tǒng)資源管理和分配軟件的調(diào)度命令控制下，將數(shù)據(jù)送往處理單元2進(jìn)行處理，當(dāng)然網(wǎng)管軟件需要先通知相關(guān)節(jié)點(diǎn)切換路由。在切換前后，對(duì)整個(gè)傳輸過(guò)程而言，唯一的變化是數(shù)據(jù)通道中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多了一級(jí)，因?yàn)樵黾恿私粨Q節(jié)點(diǎn)②，但是對(duì)與高速光纖交換網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這種變化的影響微乎其微。

（3）交換單元故障

當(dāng)交換單元故障的時(shí)候，前端智能單元和處理單元一般需要啟動(dòng)備份通信端口，例如圖1中當(dāng)交換單元1故障的時(shí)候，前端智能單元需要啟動(dòng)與交換節(jié)點(diǎn)②連接的備份端口，系統(tǒng)網(wǎng)管需要重新配置網(wǎng)絡(luò)路由，原先的路由關(guān)系為：前端智能單元1←→交換節(jié)點(diǎn)①←→處理單元1，此時(shí)由于交換單元1故障被迫中斷，于是重新形成了：前端智能單元1←→交換節(jié)點(diǎn)②←→交換節(jié)點(diǎn)③←→處理單元1，這樣一個(gè)新的通信鏈路配置。

4 架構(gòu)特點(diǎn)分析

（1）系統(tǒng)規(guī)模靈活可裁剪

分布式架構(gòu)的特點(diǎn)之一就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置與實(shí)際裝機(jī)位置無(wú)關(guān)，這個(gè)與傳統(tǒng)的機(jī)載傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大不同。例如本文給出的系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)前端智能單元節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加的時(shí)候，相應(yīng)的處理單元和交換單元相應(yīng)的增加。當(dāng)規(guī)模不需要這么大的時(shí)候，典型的例如無(wú)人機(jī)應(yīng)用，則按照相應(yīng)的比例裁剪三類(lèi)設(shè)備的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜度降低而已。

（2）多平臺(tái)架構(gòu)共用

對(duì)于這樣一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由于采用分布式和通用化設(shè)計(jì)的思路，系統(tǒng)設(shè)備的體積、重量、熱耗、可靠性等裝機(jī)敏感指標(biāo)均大幅優(yōu)化，同時(shí)由于采用全光交換網(wǎng)絡(luò)的原因，設(shè)備的裝機(jī)對(duì)安裝位置不再有很高的要求，除了前端智能設(shè)備需要靠近機(jī)體表面安裝外，其余兩類(lèi)設(shè)備可以在載機(jī)任意位置安裝，對(duì)載機(jī)的安裝空間的要求也將大大降低，整個(gè)系統(tǒng)將適用于戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、無(wú)人機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)等多種載機(jī)平臺(tái)。

（3）集成化與小型化

對(duì)機(jī)載設(shè)備來(lái)說(shuō)，設(shè)備的重量和體積一直是一個(gè)敏感要素，也是系統(tǒng)設(shè)備研制過(guò)程需要控制的重點(diǎn)，尤其對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)等平臺(tái)，因?yàn)橹苯佑绊懙斤w機(jī)的作戰(zhàn)半徑，因此對(duì)設(shè)備重量要求更高。

本文提出的架構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)重量的降低的貢獻(xiàn)主要得益于全光纖網(wǎng)絡(luò)的采用，因?yàn)楦鶕?jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)中的射頻電纜和低頻電纜的總和重量往往與設(shè)備的重量接近甚至相當(dāng)。本系統(tǒng)架構(gòu)中，智能前端與飛機(jī)蒙皮貼合或者進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，信道處理后即進(jìn)行模擬到數(shù)字的變化，其后所有的處理都是基于數(shù)字的，將射頻線纜的長(zhǎng)度降到最低，同時(shí)光纖替代了傳統(tǒng)的低頻電纜，整個(gè)傳感器系統(tǒng)的重量將大幅降低。

隨著電子器件設(shè)計(jì)工藝水平的提高，上述前端智能單元、處理單元、交換單元將越做越小，尤其隨著異構(gòu)多處理器（ASICASSP）、光纖FPGA等革新?lián)Q代產(chǎn)品的推廣和普及，電路規(guī)模大幅縮小，三類(lèi)單元設(shè)備小型化的趨勢(shì)更加明顯。

5 關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

（1）全光交換關(guān)鍵技術(shù)

全光交換網(wǎng)絡(luò)的核心是自動(dòng)光交換技術(shù)，ITU在2000年的時(shí)候提出了自動(dòng)光交換網(wǎng)絡(luò)（ASON），希望可以直接在光層面上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在光層上為數(shù)據(jù)用戶(hù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。雖然協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等均在不斷修訂和補(bǔ)充中，全光交換技術(shù)在控制面、傳輸面、管理面等仍然還存在一定的關(guān)鍵技術(shù)需要被攻克，但是基于電光交換和光突發(fā)交換技術(shù)的光交換產(chǎn)品已經(jīng)被研發(fā)出來(lái)，隨著GMPLS等相關(guān)具體實(shí)施規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，最終全光交換技術(shù)必將走向成熟和普及。

（2）智能蒙皮一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

如前所述，前端智能單元最終將會(huì)和飛機(jī)蒙皮進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，即所謂的智能蒙皮設(shè)計(jì)技術(shù)。智能蒙皮技術(shù)是目前各國(guó)大力進(jìn)行預(yù)先研究的結(jié)合了材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、天線技術(shù)、傳感器技術(shù)等等多學(xué)科的重大研究方向，需求牽引主要還是基于軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)的軍事需求[4]。雖然目前看來(lái)預(yù)言在某一代飛機(jī)上一定會(huì)采用智能蒙皮技術(shù)為時(shí)尚早，但是隨著上述各項(xiàng)學(xué)科的發(fā)展，智能蒙皮研究一定會(huì)大力推動(dòng)機(jī)載傳感器系統(tǒng)分布式系統(tǒng)體系架構(gòu)的發(fā)展。因?yàn)橹悄苊善ぜ夹g(shù)一旦達(dá)到技術(shù)成熟度要求，可以進(jìn)行工程化應(yīng)用的時(shí)候，會(huì)為整個(gè)載機(jī)平臺(tái)和任務(wù)系統(tǒng)的性能帶來(lái)巨大的提升，而且這種變化是結(jié)構(gòu)性的調(diào)整，和單純的器件水平、工藝進(jìn)步，算法改善等帶來(lái)的變化不是一個(gè)量級(jí)，具體包括：

①載機(jī)平臺(tái)和任務(wù)系統(tǒng)的可靠性大幅提升

分布式傳感器系統(tǒng)的智能蒙皮由于通用性和可重構(gòu)性，在局部發(fā)生故障甚至損傷的情況下，載機(jī)平臺(tái)的管理系統(tǒng)可以迅速感知并進(jìn)行相應(yīng)的隔離處理，而對(duì)于任務(wù)系統(tǒng)而言則可以通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)，采用其它區(qū)域的相同部件進(jìn)行替代，保證傳感器系統(tǒng)的感知能力不降低。

②多任務(wù)系統(tǒng)的綜合化設(shè)計(jì)程度的提高

智能蒙皮的采用將不會(huì)是某個(gè)類(lèi)似雷達(dá)、信號(hào)偵察、通信的單個(gè)功能的應(yīng)用，而是所有傳感器系統(tǒng)的功能線程的共用，蒙皮中的頻段規(guī)劃、天線設(shè)計(jì)、采集電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理單元、傳輸單元等設(shè)計(jì)均會(huì)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，綜合化的設(shè)計(jì)的程度將是前所未有的。

③飛機(jī)隱身性能的提升

一方面飛機(jī)載機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)和任務(wù)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)是一次性的完成，不再會(huì)出現(xiàn)先設(shè)計(jì)飛機(jī)外形后續(xù)根據(jù)天線等的需要進(jìn)行修改的情況；另一方面，由于大面積探測(cè)單元的使用，使得無(wú)源探測(cè)的能力大幅提升，根據(jù)飛機(jī)和系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃，整個(gè)平臺(tái)的有源輻射的時(shí)間將會(huì)相應(yīng)的大幅降低，繼而降低被敵方偵測(cè)的可能性，提高了飛機(jī)的隱身性能。

雖然智能蒙皮的整個(gè)工程化研究程度還不是很深入，也會(huì)面臨諸如傳感器植入方式、材料科學(xué)、電子元器件小型化和埋入等一系列的問(wèn)題，甚至一定會(huì)遇到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何一體化設(shè)計(jì)的工程實(shí)際問(wèn)題，但是隨著研究的深入，智能蒙皮的采用和作用凸顯是肯定的。

③網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

相對(duì)于傳統(tǒng)常用的雙星型1+1備份網(wǎng)絡(luò)，本文提出的這樣一種分布式的機(jī)載傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)際上在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候是比較復(fù)雜的，尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多的時(shí)候。如何最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、最大化交換網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、降低單元設(shè)計(jì)難度等都是需要預(yù)先重點(diǎn)考慮并仔細(xì)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，必要的時(shí)候還需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工具來(lái)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。需要提出的是，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程中，這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工作是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初的規(guī)劃階段完成，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，一旦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)確定，是不希望出現(xiàn)重大修改和反復(fù)的，否則，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)系統(tǒng)其它方面設(shè)計(jì)的一系列連鎖反應(yīng)問(wèn)題，因此有必要在前期投入較多的精力保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的合理性。

6 結(jié)束語(yǔ)

分布式體系架構(gòu)是機(jī)載傳感器的未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)相應(yīng)的會(huì)采用分布式的架構(gòu)，并廣泛采用光纖連接來(lái)降低系統(tǒng)重量，提高系統(tǒng)可靠性。本文給出了一種典型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并討論了其特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，其中一些技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了預(yù)研，相信隨著技術(shù)的發(fā)展和時(shí)機(jī)的成熟，本架構(gòu)將會(huì)在合適的型號(hào)上面進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證。

[1]車(chē)穎秋.航空電子傳感器的綜合化[J].電訊技術(shù),2002(3): 145-151.

[2]蘇連棟.機(jī)載傳感器綜合設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J].飛機(jī)設(shè)計(jì), 2008(1):54-57.

A Network Architecture for Airborne Sensor System

GU Sheng-hui
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

The development of airborne sensor network architecture has always accompanied the development of avionic system architecture.This paper presents a kind of possible network architecture for airborne sensor system,then analyzes its characteristics and influences on whole avionic system,finally discusses the difficulties and key technologies to implement the architecture.

avionic system;airborne sensor;optical switch network

TN971

A

1008-1739（2015）10-67-3

定稿日期：2015-04-26