基于分層的一體化通信電臺數據采集系統設計

云 超，譚志強，蔣攀攀，魯 航，周 超

(中國人民解放軍63891部隊，河南 洛陽 471000)

0 引言

戰術通信對抗已成為現代化戰爭勝負的重要因素之一，近年來，新的戰術理論和對抗裝備不斷涌現，戰術通信對抗裝備已經覆蓋了通信裝備的全頻段，目前，世界各個國家特別是軍事強國都在致力于通信電子對抗領域的新技術、新裝備的發展，進而在各種軍事行動中奪取電磁頻譜優勢。為評估新型通信對抗裝備的作戰效能，研究設計了一套基于分層的一體化電臺數據采集評估系統，該系統能夠采集不同波形的車載電臺不同層級的數據，為后續效能評估提供數據支持，該采集系統與車載多通道電臺采用一體化設計思路，能夠對新型車載多通道自組網電臺進行在線實時數據采集及離線綜合分析，本文介紹了基于分層的一體化電臺數據采集評估系統設計方案，給出了系統總體設計，詳細論述了系統硬件設計和軟件設計，該設計能夠為新型通信對抗裝備作戰效能評估或新型通信電臺抗干擾訓練演練提供支撐。

1 系統總體設計

基于分層的一體化電臺數據采集系統與車載多通道電臺采用一體化設計思路，可采集整個車載電臺網絡中產生的各種數據業務，實時回傳各節點的業務信息，并能夠根據采集終端要求對產生的數據進行收集、處理和分析，對各業務點的收發信息進行對比分析，評估網絡的性能，并根據指標評估模型進行定性分析和定量計算，為通信對抗裝備的作戰效能或通信部隊訓練演練提供評估依據。

數據采集評估系統分服務器設備和終端設備，服務器設備配置在標準的機柜中(通常位于整個網絡管理節點車上)，與車載多通道電臺通過有線網絡進行連接，終端設備配置在各個車載電臺節點車上，與各個車載電臺設備通過數據線、音頻線、控制線等進行連接[1-3]。

1.1 功能要求

與傳統通信電臺采集系統相比，新體制自組網電臺通常采用軟件無線電通信體系架構(SCA)，其需要采集的信號主要特點如下：

1)各種自組網波形不僅需要采集物理層信號，更需要采集接入和組網的各層相關協議及表單，因此需要在硬件平臺和波形中設計相應多層的信號采集接口；

2)各種自組網波形的工作模式多樣，其物理層帶寬、調制方式、信道接入方式等不盡相同，尤其是基于定向天線的自組網波形物理層傳輸采用了基于時變的方向性天線，因此在信號采集時需要專門記錄相關信息；

3)各種自組網波形(特別是高頻段、寬帶自組網波形)的信號帶寬和傳輸速率較高，采集數據量巨大，因此不僅需要擴展采集設備的存儲容量，也需要設計相應的采集觸發條件及策略，提高信號采集的有效性。

因此，對于基于分層的一體化通信電臺數據采集系統，多通道自組網電臺中不同波形是同時工作的，因此，需要采用統一的協議和機制，實現對不同波形的信號采集，從而采集存儲在某段時間內各種波形在對抗條件下的工作參數與狀態參數，進而實現后續分析評估。

因此，針對自組網電臺中多路信號采集需求，采集設備應具備完善的多路信號數據采集和上報功能，可快速采集戰場通信網(主要指各種自組網車載多通道電臺)原始數據、通信狀態數據和各種業務數據等，為試驗訓練任務的評估提供支撐。

1.2 系統構成

采集系統主要包含：硬件采集設備和終端采集軟件，其中終端采集軟件部署在節點管理設備上，能夠制定采集計劃實施的采集動作(如起始時刻、結束時刻、采集時長、采集通道等)。

硬件采集設備包括：大容量存儲設備、授時接口、采集接口等；終端采集軟件包括[4-6]：用戶登錄、自動測試、手動測試、數據采集、數據存儲等模塊，系統組成如圖1所示。

圖1 采集系統組成

硬件采集設備既可以通過模擬接口直接采集波形的中頻信號，又能夠通過數字接口接收波形的基帶信號并對信息流進行存儲。網絡信號的采集則通過以太網口進行，直接從電臺設備采集并傳輸到節點管理設備，由采集分析軟件進行處理。

終端采集軟件根據采集到的中頻信號、基帶信號和網絡信號進行綜合分析，實現誤碼率、誤幀率、丟包率等數據分析和顯示，系統功能如下：

1)對不同自組網波形在網絡中運行的通信信號和數據協議進行采集儲存；

2)在線/離線對儲存的業務數據進行采集匯總，得到自組網波形的網絡性能指標和傳輸性能指標，例如傳輸成功率、傳輸時延、網絡吞吐量等；

3)具備圖形化的統計、分析和顯示功能；

4)具有時間校準功能，保證系統時間一致性和采集結果的準確性。

2 硬件設計

為達到較高的流盤速度和效率，實現高速數據存儲和讀取，需要綜合考慮存儲器、總線和系統架構等因素，并進行優化和實現。硬件采集設備的核心是實現高速數據存儲和讀取，需要持續從存儲器或者向存儲器傳輸高速數據。存儲器可以是設備的板上緩存、控制器上的RAM或者是控制器上的硬盤，向這些存儲器上傳輸的速率受到多種因素的限制，包括系統的帶寬和存儲器介質的讀寫速度等。

2.1 采集設備

硬件采集設備主要包括：大容量存儲設備、采集接口和授時接口，其中采集接口主要是中頻模擬接口和數字接口。采集軟件通過以太網交換機對通信電臺(波形1/2/3/4)進行數據采集控制。設備組成如圖2所示。

圖2 采集設備組成

采集設備采用一體化設計方案，集成了主控計算機、采集、存儲、遠程控制及信號分析、統計和顯示等功能。系統支持對通信電臺的多路模擬中頻信號、數字I/Q信號的高速采集及大容量存儲，整機設計時重點考慮多功能集成化、模塊化和良好的人機交互性[7-8]。

2.2 硬件接口

當車載多通道自組網電臺工作時，波形主要通過中頻模擬接口、LVDS數字接口和以太網接口3種方式輸出信息，硬件采集接口如表1所示。

1)中頻采集接口：70 MHz中頻，采集帶寬不小于30 MHz帶寬。中頻接口以固定70 MHz中頻連續輸出模擬信號，每個電臺通道輸出一路信號，并由信號采集設備的中頻采集口集中進行模擬信號采集。采樣速率和采集時間窗口可通過信號采集設備的控制軟件進行設置。

2)基帶采集接口：LVDS接口，主要用于輸出波形物理層發射和接收的基帶信號、工作參數和狀態參數，每個電臺通道輸出一路信號，并由信號采集設備的數字接口進行采集和記錄。

3)網絡采集接口：千兆以太網口，通過以太網接受采集分析軟件控制，上報采集數據。以太網接口用于輸出波形網絡層和數據鏈路層運行時的協議報文和表項，該接口連接到節點管理設備。

4)授時接口：千兆以太網口，能夠接受秒脈沖和TOD進行時鐘同步，主要實現全網時鐘同步從而確保產生和采集的業務數據參考同一時間點。

表1 硬件采集接口

3 軟件設計

采集軟件獨立運行在節點管理設備上，通過以太網連接并控制采集設備硬件平臺的整個工作過程。軟件能夠對采集設備硬件的采集過程進行管理并對存儲在硬件存儲盤上的采集數據進行數據分析、顯示和管理。采集軟件可以通過以太網接受系統其它節點的管控，包括采集計劃管理等[9-15]。

3.1 采集條件及內容

3.1.1 采集條件

信號采集采用命令觸發和周期上報相結合的方式實現，對數據鏈路狀態和網絡狀態的信息，通過周期上報的形式執行；而一些數據量較大的信息，如中頻信號、基帶信號和各類型的報文，則通過命令觸發的方式選擇是否開啟/關閉采集、設置采集周期等參數；另外對于發射和接收時的工作狀態，一般伴隨控制和業務報文上報。采集層次用途及觸發條如表2所示。

表2 采集層次用途及觸發條件

3.1.2 采集內容

各種波形需要被采集的信息包括無線傳輸信號及其接入、組網等消息協議，涵蓋波形協議棧的物理層、無線鏈路層和網絡層。信息內容包括發射和接收數據、控制信令等，具體采集內容如下。

1)物理層：

(1)接收中頻信號，采集對應工作頻段內接收到的空口信號；

(2)發射基帶信號，采集需要發射的基帶數據；

(3)發射工作參數，發射基帶信號時使用的頻率、帶寬、功率、波束方向等；

(4)接收基帶信號，解調譯碼前后的基帶接收數據；

(5)接收工作參數，接收基帶信號時使用的頻率、帶寬、波束方向、接收機增益等參數；

(6)接收工作狀態，接收基帶信號時計算得到的誤碼率、信噪比等接收狀態信息。

2)數據鏈路層：

(1)同步節點表，記錄本節點用來時鐘同步的節點信息；

(2)時隙分配表，記錄當前時隙分配狀態；

(3)鏈路狀態表，與不同鄰居之間的鏈路狀態，包括可用的最高速率、丟幀率、單雙向關系等；

(4)同步報文，與網絡時鐘同步協議相關的報文，如信標報文、請求報文和應答報文；

(5)時隙分配報文，與時隙協商、分配相關的報文，如時隙申請報文、時隙響應報文、時隙確認報文、時隙釋放報文、時隙釋放確認報文、時隙更新廣播報文等；

(6)鏈路自適應報文，與鏈路自適應相關的測量和控制報文。

3)網絡層：

(1)鄰居節點表，記錄本節點鄰居的地址、狀態等；

(2)路由表，記錄本節點到網絡中所有可達節點的路由信息；

(3)網絡路由報文，與波形子網內路由相關的報文，例如Hello報文、TC報文。

3.2 協議設計

針對自組網中多種波形的多層信息采集，系統設計了統一的數據采集格式。結合設備整體的交互協議，采集協議的格式如圖3所示。

圖3 采集協議格式

其中，采集內容為可變長度，根據不同的波形信息填寫不同采集內容，并相應地修改數據長度。

1)幀頭：長度為2個字節，固定數據0x8A8A；

2)幀類型：長度為1個字節，采集數據幀類型為0xAF；

3)幀方向：長度為1個字節，0—表示下發數據幀，1—表示上報數據幀；

4)自組網波形類型：長度為1個字節，指明該數據采集的內容為何種波形。如系統中涉及到4種波形中波形1填“1”，波形2填“2”，波形3填“3”，波形4填“4”，其定義如下：

# define Wave_Type_1 1 // 波形1

# define Wave_Type_2 2 // 波形2

# define Wave_Type_3 3 // 波形3

# define Wave_Type_4 4 // 波形4

5)時間戳：長度為4個字節，記錄數據流轉的時間信息，以ms為單位；

6)采集位置：長度一個字節，用于指明數據采集的是協議棧中的哪一層內容。系統設計可采集協議棧中三層的數據，分別是物理層、數據鏈路層和網絡層。定義如下：

# define Collect_PHY 0 // 采集物理層

# define Collect_LLC 1 // 采集數據鏈路理層

# define Collect_NET 2 // 采集網絡物理層

7)采集類型：長度為1個字節，根據在協議棧中不同的采集點，定義不同的采集類型，包括中頻信號、基帶信號、工作參數、鏈路狀態、拓撲表、路由表和鄰居節點數等；

8)數據長度：長度為2個字節，指明為數據內容的長度；

9)數據內容：長度可變，根據不同波形不同采集類型，填寫采集數據。

3.2.1 物理層協議

物理層的采集主要用于評估無線信號質量對系統數據傳輸的影響。因此，物理層需要對中頻信號、發射/接收的基帶信號、發射/接收的工作參數和接收狀態這些數據信息進行采集，主要包括發射功率、使用的頻率、帶寬、波束方向、接收增益等參數，以及誤碼率和信噪比等接收工作狀態。

信號數據通過中頻模擬接口和LVDS數字接口連接到信號采集設備。其中，信號采集由于數據量較大，通過指令下達的方式啟動采集。工作參數和工作狀態等信息通過周期上報的方式執行。

3.2.2 鏈路層協議

數據鏈路層采集主要是針對同步信息、時隙報文，鏈路狀態等信息進行采集。通過對這些數據的抓取和回測可判斷電臺組網的初步條件是否達到，也可以用于檢查電臺脫網原因。同時，通過對數據鏈路層的檢測也可以反向檢查物理層的狀況。

數據鏈路層運行在CPU器件中，可以通過網口向節點管理設備上報采集數據。兩者間通過UDP報文作為通信載體，根據采集協議進行數據傳遞。

數據鏈路層主要采集鏈路的狀態表和創建維護鏈路所使用的報文，協議分以下4種采集類型：

#define COLLECT_TYPE_LLC_INFO 0 // 數據鏈路層的同步表，時隙表等

#define COLLECT_TYPE_LLC_SYNC_PKT 1 // 數據鏈路層同步報文

#define COLLECT_TYPE_LLC_TS_PKT 2 // 數據鏈路層時隙分配報文

#define COLLECT_TYPE_LLC_SET_PKT 3 // 數據鏈路層自適應報文

3.2.3 網絡層協議

網絡層主要實現路由和組網功能，主要負責端到端的報文轉發路徑，實現路徑產生、路徑選擇和路徑維護。其中，路徑產生是指根據集中式或分布式的網絡狀態信息和用戶業務需求信息生成路徑，網絡狀態信息和用戶業務需求信息的收集與分發是該過程的主要內容；路徑產生和路徑維護這兩項功能通常合在一起統稱為路徑發現。網絡層還負責鄰居監控，對鄰居信息進行收集、管理和交互。

網絡采集功能主要獲取節點所在網絡的信息，包括鄰居節點表、路由表和網絡路由報文。通過網口發送承載協議的UDP報文發送給節點管理設備進行記錄，其采集類型如下定義：

#define COLLECT_TYPE_NET_INFO 0 // 網絡層信息采集

#define COLLECT_TYPE_NET PKT 1 //網絡層報文采集

3.3 軟件設計

3.3.1 軟件架構

軟件體系架構采用B/S結構，分為資源層、服務層、應用層共3層，在設計上采用面向服務的思想，充分體現了服務的標準化、可重用及松耦合特性，軟件體系架構如圖4所示。

圖4 軟件體系架構圖

終端采集軟件主要針對多通道車載電臺中的各類業務數據、電臺性能參數等進行采集和存儲，并以圖形化方式呈現。采集匯總統計各節點或用戶對發送的業務數據和接收的業務數據，并能夠實時采集存儲，通過在線/離線方式對各節點或用戶存儲的業務數據進行匯總，并進行統計分析得到網絡性能和電臺性能指標。采集內容如下：

1)業務數據：業務類型、業務長度、業務優先級標識、業務幀號、業務發送端、發送端子網號、業務接收端、接收端子網號、發送時間、接收時間、發送次數、成功接收次數、ACK重發次數等；

2)狀態數據：電臺工作模式、工作頻段、工作帶寬、通信速率、發送功率、鏈路誤碼率等性能參數等。

3.3.2 功能模塊

采集軟件運行在采集終端上，采用B/S架構。采集終端軟件功能模塊組成如5所示，主要包含：系統管理、自動測試、手動測試、數據采集和數據存儲。

圖5 采集終端軟件組成

其中自動測試是對下發的測試任務請求自動創建測試實例，并向戰術通信服務發起業務請求；數據采集主要收集統計多通道車載電臺中各類業務數據收發情況、電臺性能參數等數據；數據存儲是對采集的各類數據以數據庫方式進行存儲[16-20]。

1)系統管理：系統管理包括用戶登錄、注銷和時統等功能。用戶登錄是使用用戶號碼向戰術通信服務登錄，支持用戶的鑒權認證。時間統一是向系統對時服務發起對時請求，通過對時協議實現時間統一功能。

2)自動測試：自動測試模塊接收到下發的業務流量測試數據和任務指令后，創建自動測試任務，任務放入測試序列，遍歷任務序列，依次向所在節點的戰術通信服務發起任務請求。

3)手動測試：采集終端軟件提供手動測試功能，支持手動發起短消息、圖片消息、語音消息、視頻消息、文件等富媒體消息功能，支持語音單呼、視頻單呼、視頻會議等功能。

4)數據采集：數據采集就是對系統產生的業務數據和接收的業務數據，電臺內部的狀態數據，電臺內部各層(物理層、鏈路層、網絡層等)的數據進行采集，并通過離線或在線方式將采集數據匯總至效能評估軟件，采集數據內容包括業務數據和狀態數據。

(1)業務數據。業務類型、業務長度、優先級標識、業務幀號、業務發送端、發送端子網號、業務接收端、接收端子網號、發送時間、接收時間、業務發送次數、業務成功接收次數、重發次數等。

圖6 業務數據采集界面

(2)狀態數據。電臺工作模式、工作頻段、工作帶寬、通信速率、發送功率、鏈路誤碼率、中頻數據等電臺性能參數。

其中電臺數據主要依托嵌入式測試及傳感器實現對電臺工作過程參數和數據進行記錄，并將篩選出的數據發送至采集終端上進行緩存。在數據采集過程不影響電臺設備的正常運行和使用。

5)數據存儲：數據存儲就是對采集的各類數據進行匯總、存儲，為在線或離線分析提供數據源。數據存儲采用Oracle數據庫。數據存儲計算機的硬盤容量選用4 TB。

圖7 電臺數據采集界面

4 試驗結果

基于具體應用背景下，構建典型規模的戰術互聯網自組網電臺，針對戰術互聯網多種類型自組網電臺，包含電臺種類多、節點數量大等特點，整個系統(主要包含自組網電臺和數據采集系統)工作流程如下：

1)系統網絡管理設備、節點網絡管理設備實時或定時上報全網絡、各節點的誤組率、網絡連通性等通信運行參數，由節點監控設備接收并對其進行存儲；

2)自組網電臺設備通過節點網絡管理設備定時或實時上報發射功率、功率調整控制、誤碼率、幀失步情況等通信運行參數，由節點監控設備接收并對其進行存儲；

3)通信節點車中的信號監測設備適時上報信號功率、頻譜圖、瀑布圖和星座圖等，節點監控設備接收并對其進行存儲；

4)在控制指令的控制下，基帶采集設備對自組網電臺設備輸出的基帶碼流、群路數據等進行采集存儲。

5)業務信息模擬器適時上報呼損率、用戶忙次數、無應答次數、接收的語音樣本等，由節點監控設備接收并對其進行存儲；適時上報丟包率、包延遲、信元丟失、信元差錯率、服務響應時間、發送的數據、接收的數據等，由節點監控設備接收并對其進行存儲；

6)在節點監控設備以人工輸入方式獲取語音可懂度、抄報正確率、傳真質量等，并對其進行存儲；

試驗結果表明：數據處理設備能夠根據采集設備采集到的網絡連通性、誤碼率、呼損率等數據進行自組網電臺通信質量速判，進而效能評估提供參考，單個實體節點產生的話音業務流量結果(干擾致使網絡有一定的呼損率)如圖8所示。

圖8 單個節點產生語音業務界面

5 結束語

本文針對通信對抗裝備效能評估試驗任務或通信裝備抗干擾訓練演練任務中數據采集問題，提出了采集系統與車載多通道軟件無線電電臺的一體化計思路，設計了一套典型基于分層的一體化電臺數據采集評估系統，進而解決了試驗訓練任務中自組網電臺多層數據采集難題，該系統能夠為通信對抗試驗訓練任務提供有力支撐，具有很強的實用價值。