異構數據鏈參數化波形重構技術研究*

潘樂炳，劉琪琪 ，袁永瓊 ，文 明 ，葉 峻

（1.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331；2.中國電子科技集團公司數據鏈技術重點實驗室，西安 710068）

0 引言

數據鏈將消息、協議和傳輸設備緊密耦合，實現雷達、聲納、電子戰、敵我識別、自動上報、可視化監控等系統和設備的數據交互，是戰場指控平臺、武器平臺、傳感器平臺和作戰人員的信息“紐帶”，是獲得戰場信息優勢、提高協同作戰能力和縮短決策時間的關鍵。

隨著現代戰爭內涵的發展，戰爭樣式逐漸從以平臺為中心轉向以網絡為中心［1］，數據鏈實體逐漸從單機設備演進到多功能系統，傳輸層面上需要具備多信道協同、多鏈信息融合和傳輸自適應切換［2-5］。傳統的多鏈系統信息共享主要在消息層面以通用消息標準來實現，難以滿足高機動平臺對時敏信息的交互，同時由于各個數據鏈之間傳輸設備和波形采用獨立使用和處理的方式，造成具備多鏈接入能力的節點體積龐大，波形開發和驗證工作量龐大。

以美國 DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）開展的 DyNAMO（Dynamic Network Adaptation for Mission Optimization）項目［6］為例，為了實現多個獨立數據鏈之間的互操作，采用了基于C2E （Communications in Contested Environments）項目研發的平臺，C2E項目通過建立信息系統參考架構和開發環境，將波形功能在硬件和波形層面分解為可重用的處理元素，使得在硬件平臺上協同實現CDL、MADL、Link 16、TTNT 和 IFDL 等多種數據鏈波形。

本文的參數化設計技術將多路數據鏈波形相似的模塊進行統一參數化設計，每個波形模塊的輸入為數據和參數兩部分，模塊的輸出為處理數據和傳遞到下一模塊的參數。通過參數化波形傳輸技術可實現：1）充分發揮射頻前端靈活配置能力，實現多鏈之間在傳輸不中斷情況下的連續切換；2）在現有平臺能力的基礎上，支持通過異構數據鏈組網來改進通信服務；3）在統一的通信系統構架下，支持對現有通信設備的性能升級，支持第三方技術的介入來實現設備的快速更新。

1 異構軍事系統中的數據鏈波形設計

在復雜作戰任務執行過程中，數據鏈系統的任務是保證信息的可靠交互［7］，如圖1所示，復雜作戰任務系統以多種異構武器平臺和傳感器為載體，協同完成聯合防空、聯合偵查、協同作戰、協同監控等任務，對數據鏈的輸入信息包含了多鏈控制信息和情報、監視、偵查等數據信息，數據鏈傳輸單元根據傳輸需求，映射到波形處理過程，完成波形重構操作，為傳輸平臺輸出硬件天線等的配置信息和處理后的波形數據。

由于任務需求和設計條件的不同，數據鏈在通信協議、數據格式、傳輸信道等多個方面有較大的差異，作戰平臺的異構性為信息交互帶來較大的挑戰，在多軍種、多維空間的聯合作戰戰場上，各種數據鏈之間的互操作性是有效實施網絡中心戰的基礎，直接制約了體系化作戰能力。

圖1 異構軍事系統中的數據鏈波形重構設計

如圖1所示，數據鏈要支持多任務協同和異構平臺加載，一般在系統架構的約束下，通過通用軟件無線電平臺實現數據鏈傳輸單元的異構數據鏈信息共享、感知自適應、跨平臺互操作等能力。異構數據鏈波形重構在傳輸需求的約束下，形成多數據鏈波形重構、傳輸波形自適應、通用軟件化波形控制等重構設計需求，具體處理操作包含模塊設計、波形驗證和平臺映射，傳輸平臺實現收發器頻率功率、天線波束的重配置能力。與一般的實時通信系統不同，要完成這些功能和需求，對波形處理單元和硬件平臺提出了較高的要求。

在目前的現役數據鏈系統中，波形的基本結構相似，但是在實現獨立功能時，根據具體的波形參數來重新設計，從而導致需要大量的時間和精力在FPGA/DSP/GPP上進行設計實現和驗證。以美軍的CDL、Link 16、TTNT等常用數據鏈為例，波形處理單元都包含了信道編碼、調制解調、數字變頻、脈沖成形等模塊，每個模塊使用的算法技術又有許多相似的地方，因此，通過參數化配置每個模塊，減少重用模塊的重復設計和驗證工作，可以大大提高波形重構速度，同時硬件資源不是與整個波形匹配，而是與波形子模塊匹配，便于實現硬件資源共享。因此，研究參數化波形重構架構對解決復雜任務中的傳輸需求具有實戰意義。

2 基于多平面分離的波形參數化重構

參數化波形設計將整個波形的開發轉化為模塊的調用和參數配置，設計工作轉化為模塊的設計驗證和波形參數的設計，波形模塊和波形參數的獨立設計，便于設計人員專注自己擅長的工作，同時波形與硬件以模塊形式進行匹配，容易實現資源精細化使用。本節提出多平面分離波形重構架構，將參數控制、數據處理、硬件平臺的一體化設計分離為參數控制面、數據處理面和資源映射面，各功能單元的獨立處理，實現多種數據鏈波形的快速重構。

2.1 數據鏈多平面分離波形重構架構

如圖2所示，以設計兩種異構波形為例，選取典型的信道編碼、交織、調制和數字變頻處理流程，常規的多波形設計結構在數據處理上各波形獨立操作，即使數據鏈波形結構相似，在數據流處理時進行的是單獨處理操作，在進行FPGA/DSP/GPP硬件綜合時，波形與硬件進行波形級別的大顆粒度映射驗證。

毛澤東在建構和完善矛盾學說體系方面作了杰出的工作。《矛盾論》是馬克思主義哲學史上系統地闡述矛盾規律的哲學專著，其論述緊密結合中國革命的實踐和中國傳統辯證法思想，因而具有鮮明的中國作風和氣派。在《矛盾論》中，毛澤東從對立統一的觀點出發建構了一個完整的矛盾學說體系，從而譜寫了馬克思主義矛盾觀的新樂章。

圖2 參數化多平面分離波形設計架構

以數據鏈波形自適應設計為例，一般在約束條件Con下，以數據鏈速率R為優化目標，優化設計參數調制指數Qm，編碼因子Rc和擴頻因子Gp：

以上參數在求解完成后，獲得最佳的設計參數，將{Qm，Rc，Gp}與數據處理面的模塊相匹配，即可得到參數設計平面的參數集合S，約束條件Con不只是系統需求約束，也包含現有數據鏈模塊庫的約束。參數設計平面的重點是滿足系統傳輸性能，不需要充分考慮數據鏈平臺實現的因素。

在數據處理面，首先將波形模塊（編碼器、交織器、調制器…）參數化，模塊調用只需提供相應的參數和輸入數據。模塊設計只關注輸入的數據和參數，不關注波形性能，在模塊庫搭建完成以后，設計工作主要是模塊參數的設計。各波形制定參數集合S={P1、P2、P3…}，其中集合 Px為具體模塊的配置參數集合，每個模塊輸入數據Dx和參數Px。

在進行FPGA/DSP/GPP硬件綜合時，在資源映射面，波形與硬件進行的是模塊級別的小顆粒度映射驗證，在操作上與整個波形的功能性能相獨立。

參數化多平面分離波形設計架構具有以下優點：

1）波形參數控制、波形數據處理和硬件平臺驗證3個操作平面獨立進行，易于實現異構數據鏈模塊重用、硬件資源共享和波形自適應控制，各個控制處理平面的獨立研發設計容易實現高效的工程實現；

2）模塊的調用減少了數據鏈波形相似結構的重復設計工作，由于硬件映射的驗證以模塊驗證為主，大大減少了驗證和調試的工作量，具有較好的可擴展性；

3）硬件資源的使用以波形模塊級別的小顆粒度映射，提升了資源的使用效率，容易實現不同波形和芯片的資源共享。

2.2 參數化波形處理模塊

以常用的數據鏈波形 CDL、MADL、Link 16、TTNT和IFDL為基礎波形集合，可得到如下頁表1所示的基礎模塊集合，包含數字處理、擴頻編碼、糾錯編碼等，每種模塊包含了常用的多個實例，如信道編碼包含了卷積碼、RS編碼、LDPC編碼等，表1擬定了數據鏈波形主要使用的模塊，可作為參數化波形設計的模塊庫。

表1 參數化波形模塊集合表

對于每個模塊，首先設定實例類型屬性，在類型屬性的基礎上，以實例的處理算法為核心，制定具體實例涉及的參數，參數的數量以滿足可擴展性和可實現性為目標，以信道編碼模塊為例，相關參數設計如表2所示。

表2 參數化信道編碼模塊

表2列舉了常用的信道編碼以及傳遞的參數，在接收端，根據信道編碼模塊設計相應的解碼模塊，由于使用的數據鏈波形類型有限，考慮到實現的具體情況，編碼參數的值有一定的約束規范，而非任意取值。同時對于部分處理可實現靈活設計，如卷積編碼中的交織單元，既可以調用參數化交織模塊，也可以用枚舉方式預先存儲交織表。

3 基于模塊的參數化波形重構

本節在參數化多平面分離波形設計架構的基礎上，提出模塊化重構設計和模塊化硬件平臺映射方法，制定多平面分離架構的具體實現流程，完成參數化波形重構技術在數據鏈裝備上的實現。

3.1 模塊化波形重構設計

圖3 基于模塊的參數化波形重構

數據鏈參數化波形模塊庫以現有數據鏈波形模塊為主，支持擴展波形模塊的添加，同時支持第三方對模塊庫的更新升級，如圖3所示的波形重構架構，模塊庫的可擴展性代表了多平面分離波形重構架構的可擴展性。

在參數控制平面，通過網絡應用、信道檢測結果、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參數化模塊的選擇和配置，并先完成理論仿真驗證。

在波形處理平面，以建立的參數化波形模塊庫為基礎，根據參數控制平面產生的參數調用波形模塊并進行配置，最終生成重構的波形源代碼。

在資源映射平面，數據鏈硬件平臺以FPGA、DSP、GPP等處理資源和核心，在建立波形模塊庫時首先實現對各波形模塊的性能驗證，在進行波形重構時根據波形數據處理平面產生的重構波形代碼，完成整個波形的功能和性能的驗證。

3個平面在設計流程中大部分操作是獨立執行的，但是在實際運行中，每個平面之間需要進行反饋信息交互，例如當資源映射平面在波形驗證不通過時，需要對波形處理平面的波形源代碼編譯進行修改；當實現的平臺傳輸功能和性能不滿足要求時，需要參數控制平面對參數進行重新設計。并且在架構開發環境的建設過程中，平臺處理能力、模塊映射方式和參數配置集合三者之間相互制約，只有3個平面協同處理才能有效完成多波形高效快速重構。

3.2 波形模塊化硬件平臺開發

目前的傳輸波形設計一般以基于HDL和C/C++的編譯集成開發環境IDE（Integrated Develop Environment）為主要軟件開發平臺，因此，在建立數據鏈波形參數化模塊庫時，首先建立C-IDE、HDL-IDE模塊，這樣的模塊對硬件的支持更好。

同時隨著基于模型的開發技術和開發環境的成熟，基于 Matlab、Simulink［8］等工具的開發編譯環境也支持HDL和C/C++代碼的生成，因此，可建立Matlab模塊和Simulink模塊，這些高級波形模塊開發環境對開發人員更加友好和簡單，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

混合模塊的開發方式支持多種開發平臺，容易實現對第三方技術的支持，同時也可以對不同平臺生成的模塊代碼進行優化，如圖4建立的快速波形重構開發，例如首先利用模型開發技術通過Matlab、Simulink生成HDL和C/C++代碼，在對生成的代碼進行優化和改進，在保證波形性能的同時，實現對硬件平臺的支持和資源的有效使用。

4 數據鏈參數化波形設計實例

以用于聯合戰術通信信息系統和武器協同的Link16 數據鏈［9］和 TTNT 數據鏈［10］為例，兩種波形使用模塊大多相同，主要是調制和跳頻部分不同，Link16采用MSK調制，跳頻點數51個，TTNT采用GMSK調制，跳頻點數16個。兩種波形采樣速率不同，頻帶帶寬也不同。

如圖5所示，以兩種數據鏈基帶處理主要模塊為例，都包含了信息校驗、信道編碼、交織、數字擴頻、調制和跳頻模塊。在實例類型部分，信息校驗、信道編碼、數字擴頻使用的實例類型分別為CRC、RS、CCSK方法，Link16調制模塊實例類型采用MSK，TTNT調制模塊實例類型采用GMSK，通信系統中的交織和跳頻處理方法一般相似，因此，實例類型為空。

在控制參數部分，實例CRC傳遞的參數為碼字長度、信息長度、生成多項式，實例RS根據數據和報頭不同傳遞兩種碼字長度和信息長度數據，交織模塊傳遞交織矩陣維度，實例CCSK擴頻模塊傳遞碼字長度、信息長度和擴頻映射表，實例MSK傳遞符號采樣值、數據差分與否和初始相位，GMSK還需要傳遞濾波器滾降系數，跳頻實例傳遞參數為頻點編號和跳頻序列。

從Link16和TTNT數據鏈波形處理來看，兩種波形基帶模塊具有較多的相似性，采用參數化設計可以減少重復設計工作，同時在增加新的波形時，通過模塊和實例的增加即可實現設計的可擴展性。

圖5 基于參數化技術的波形設計實例

5 結論

隨著網絡中心戰和多軍兵種協同作戰的發展，需要在多種異構數據鏈之間實現信息共享，對作戰數據鏈平臺提出了快速重構波形的要求。本文提出了基于多平面分離的參數化波形重構技術，將傳統的波形設計分解為參數控制、數據處理和資源映射，支持模塊級粒度的設計，從而實現架構的可擴展，降低重復設計工作和充分共享硬件資源。同時模塊化的波形設計容易實現軟件開發環境到硬件平臺的映射，容易實現多平臺波形加載，以及對系統的快速更新和性能升級。

未來的研究中，在參數化波形重構架構下，還需要進一步研究波形參數的設計，以及硬件約束、資源重用等問題，通過軟硬件數據鏈傳輸平臺來實現本文提出的分平面設計思想。

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