基于開放式國產化平臺的輪詢式并行信號處理架構設計

王靜嬌，楊 陽，沈 洋，朱佳麗

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

信號處理是相控陣雷達的重要功能分系統，通過對多通道回波數據流的實時濾波和匹配接收處理抑制各種有意/無意干擾，從而有效提取目標信息。傳統的雷達信號處理系統通常以FPGA/DSP[1]/PowerPC為核心處理器，并結合RapidIO等數據總線，采用功能串行或數據流并行的處理架構設計實現。隨著雷達瞬時工作帶寬、瞬時波束處理數量的快速上升以及信號處理算法復雜度的日趨增加，先進相控陣雷達系統對其信號處理分系統的傳輸能力、處理能力、擴展能力和重構能力均提出了越來越高的要求。

本文首先簡要分析了典型相控陣雷達的信號處理架構，重點針對傳統架構下處理節點單點故障和國產化平臺處理時間抖動引起的信號處理分系統失效問題，借鑒軟件化雷達思想[1-2]設計了基于開放式國產化平臺的輪詢式并行信號處理架構。該架構以“飛騰”系列國產化CPU和全互聯10/40 Gbps高速以太網標準協議為基礎，同時結合了多線程多環形緩存分發機制和構件化設計方法，能夠從傳輸、存儲、處理等角度全面提升雷達信號處理系統的可靠性和可擴展性，從而有效解決傳統架構下的信號處理分系統失效問題。

1 并行信號處理架構

雷達信號處理通常基于各類嵌入式平臺完成多通道數據流的實時流程化處理。當數據流帶寬增加、處理算法復雜度提升或者處理流程分支增加時，受限于單節點的處理能力和傳輸能力，通常采用以特定拓撲互聯的多處理節點平臺、以功能串行或數據流并行的方式完成信號處理任務。

1.1 功能串行處理架構

功能串行式信號處理架構將信號處理按功能劃分，每個處理節點處理一部分信號處理功能，一個處理節點的輸出是下一個處理節點的輸入，如圖1所示。當數據流帶寬超過單節點的I/O能力時，該處理架構需要結合數據流并行方法使用。該架構的典型技術特征是每個處理節點的功能固定，節點間數據傳輸緊耦合且容易出現單點故障，此外也無法實現處理規模的靈活擴展。

圖1 功能串行處理架構示意

1.2 數據流并行處理架構

數據流并行式信號處理架構將相控陣雷達射頻前端的回波數據按照波束或距離段進行劃分和分發，不同波束/不同距離段數據分發至不同的處理節點完成處理功能，每個處理節點完成相應數據的所有信號處理功能，最后匯總至一個節點進行后續的數據處理，如圖2所示。

圖2 數據流并行處理架構

如前所述，傳統信號處理系統通常采用FPGA/DSP/PowerPC等強實時的處理芯片實現數據流并行的處理架構，處理節點均可部署相同的程序。在信號處理系統開發階段，可根據處理節點的處理能力/傳輸能力估算參與并行處理的節點需求，從而實現處理規模的靈活伸縮。但是對于數據流并行處理架構而言，需要每個節點能在下一包數據來臨之前按時完成上一包數據的處理，當某個處理節點出現故障時，該節點處理的數據無效，存在無法保證數據完整處理的風險。

1.3 輪詢式并行處理架構

隨著信號處理系統軟件化和國產化程度的提升，越來越多的相控陣雷達信號處理系統基于ARM架構國產“飛騰”CPU和“銀河麒麟”Linux操作系統開發實現。基于通用CPU和實時操作系統實現雷達信號處理功能有多個方面的顯著優勢：便于實現復雜靈活的算法流程、可顯著縮短開發調試周期、處理軟件具備良好的可重用性和可移植性等。但與此同時，由于各處理節點的處理群延遲不可避免地存在差異，將可能導致數據匯總端多節點同步時擁塞，因此需針對性地開展彈性數據分發和處理模式設計，即本文重點研究的輪詢式并行信號處理架構。

如圖3所示，數據分發節點根據信號處理節點忙閑狀態，將接收前端下發的一個駐留完整幀數據按需分發至可用節點，處理節點收到數據并完成一幀數據的信號處理后分別對外發送視頻/點跡數據，并將空閑狀態反饋給數據分發節點。

圖3 輪詢并行處理架構示意

上述輪詢并行機制徹底解決了傳統多處理節點串行體系的單點故障導致整個任務失敗的問題，并且實現了處理節點間功能、數據解耦，當某個模塊故障時，通過合理的輪詢判斷邏輯可實現冗余節點自動替代故障節點功能，從而有效提高了系統的可靠性。

2 基于高速以太網的開放式信息處理平臺

本文設計的輪詢并行信號處理架構基于開放式信息處理平臺搭建，具體硬件架構如圖4所示。機箱采用6U OpenVPX體系架構，通過規范設計處理平臺和處理模塊的功能劃分、供電、散熱、電氣接口、機械結構、系統管理、背板定義、互聯協議等，可實現模塊的互插互換。

圖4 高速以太網架構開放式全互聯平臺

處理節點采用國產“飛騰”多核處理器，搭載“銀河麒麟”實時內核操作系統；數據傳輸采用40 Gbps高速萬兆網數據流交換、1 Gbps以太網管控流交換的兩層數據全交換模式。高速的網絡數據交換和靈活的拓撲結構能夠滿足各類信號處理任務實時、高效的數據傳輸及交換需求，并支持處理能力的柔性擴展。

3 輪詢式數據并行分發機制設計

本文研究的輪詢并行處理架構以上節中描述的開放式全互聯平臺和DDS通信中間件為基礎設計實現。將高速以太網互聯總線技術與DDS實時數據訂閱分發技術相結合并進行合理優化，可便捷地形成快速訪問通道，從而進一步提高數據傳輸效率。基于DDS的輪詢式數據并行分發機制示意如圖5所示，預處理分系統下行數據流經接口模塊預處理后轉換成PCIe幀格式送入數據分發節點，數據分發節點通過輪詢機制獲取計算資源的忙閑狀態，根據分發優先級[3]將數據分發至空閑節點完成信號處理任務。

圖5 基于DDS的輪詢式數據并行分發機制

3.1 數據分發節點設計

為充分發揮“飛騰”系列CPU的多核處理資源及I/O資源優勢，本文進一步設計多線程數據分發和多環形緩存[5]機制來提高數據可靠分發效率。如圖6所示，在實際工程應用中可根據數據帶寬以及各節點數據傳輸和處理能力約束合理規劃分發線程和環形緩存數。數據分發節點的功能應用基于構件化設計，由3個功能構件組裝，分別為管理控制構件、數據緩存構件以及數據分發構件。

圖6 多線程分發機制

(1)管理控制構件是分發節點的核心，負責統計處理節點信息，維護計算資源實時狀態信息，并根據空閑節點先后順序以及優先級策略配置產生可用資源列表，配置為常用節點的優先級高于備份節點，常用節點間根據空閑的先后順序排序，從而整體調控系統的運行；

(2)數據緩存構件負責接收數據幀，并依次寫入環形緩存，通知分發線程；

(3)數據分發構件負責根據管理控制構件產生的可用資源列表信息，將數據發送至空閑節點。

3.2 單信號處理節點設計

在上述輪詢式數據分發和處理框架之下，單個信號處理節點的功能軟件設計采用構件化[4]思想合理劃分功能模塊，通過積木化組裝實現預設的信號處理功能流程。簡化的信號處理流程示意如圖7所示，在本文輪詢式并行信號處理架構中主要實現數據接收和狀態反饋功能，其余為常規的信號處理功能模塊。

圖7 典型單節點信號處理示意

3.3 輪詢處理流程設計

輪詢并行架構以DDS通信中間件作為通信軟總線，具體輪詢并行處理流程如下：

(1)系統上電后，數據分發節點的管理控制構件訂閱“空閑狀態”主題，所有計算資源池中的節點分別發布該主題，注冊節點空閑狀態；數據分發節點收到注冊狀態報文后根據通信標識進行登記，并根據優先級策略設置將節點排入可用資源列表。

(2)前端多路回波數據經過多路光纖同步，完成回波數據預處理，將數據轉為PCIe幀格式送入數據分發節點數據緩存構件；由于最大一次發送4 MB數據，數據緩存構件需將數據拼接成完整的一個波位駐留的數據幀，并依次存放到多個環形緩存，同時通知數據分發節點數據分發構件。

(3)數據分發節點數據分發構件查詢當前可用資源列表，獲取最高接收優先級節點的通信標識，讀取環形緩存中的數據，通過40 Gbps高速以太網鏈路發布，并更新可用資源列表。

(4)高優先級的信號處理節點接收到波位駐留數據，采用多線程數據并行完成信號處理后，產生視頻和點跡數據發布，同時發布節點的“空閑狀態”，向數據分發節點管理控制構件注冊空閑狀態，申請接收數據。

(5)低優先級的信號處理節點等待數據流，觸發信號處理。

(6)數據分發節點的管理控制構件接收到新的“空閑狀態”信息，獲取該節點的通信標識，并根據其優先級更新可用資源列表；

(7)重復(2)～(6)步。

4 典型應用分析

開放式國產化處理平臺采用一體化設計，計算資源可廣泛用于實現后端信息處理功能；輪詢式并行信號處理架構每個處理節點獨自完成幀數據包的處理，處理節點間功能完全解耦；基于開放式國產化處理平臺的輪詢式并行信號處理架構，將兩者相結合，可充分利用資源，通過提高系統的冗余度設計，實現系統的功能、故障重構和系統在線處理能力的負載均衡。

應用時可根據信號處理需求配置若干常用信號處理節點，設置節點優先級屬性為0(高優先級)，并預留節點做冗余設備。冗余配置策略可根據任務重要性設置熱備份或冷備份策略，熱備份策略即上電運行信號處理應用，冷備份策略即上電不運行任何處理程序。

熱備份節點上電后始終在可用資源列表，但節點優先級屬性設置為1(低優先級)，正常狀態下不作為信號處理節點調度，當某個節點處理存在較長抖動，或常用節點出現故障時，熱備份節點隨時被調度為當前最高優先級節點，分發數據進行處理。

當數據量增加，系統檢測到處理節點CPU負載超過閾值，或常用節點出現故障時，通知冗余冷備份節點，啟動信號處理程序，加入可用資源列表，節點優先級屬性設置為1，可作為可用資源分配處理；當其他非信號處理應用出現故障時，冷備份節點也可用于其他功能的故障備份。

5 結束語

本文基于開放式國產化平臺，采用以太網全交換架構配合DDS發布訂閱機制設計實現了輪詢式并行信號處理架構，單節點數據分發能力超過20 Gbps，可支持20 Gbps回波數據流的實時信號處理，當超過20 Gbps時，可通過增加數據分發節點靈活擴展。

通過分析可見，基于開放式國產化平臺的輪詢式并行信號處理架構可有效解決處理節點單點故障導致的信號處理系統失效問題，可通過動態調整實現信號處理系統在線處理能力的負載均衡，并可根據功能需求動態靈活地擴展處理資源，可顯著提升相控陣雷達信號處理系統的可靠性和研制效率。