基于开放式国产化平台的轮询式并行信号处理架构设计

王静娇，杨 阳，沈 洋，朱佳丽

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

信号处理是相控阵雷达的重要功能分系统，通过对多通道回波数据流的实时滤波和匹配接收处理抑制各种有意/无意干扰，从而有效提取目标信息。传统的雷达信号处理系统通常以FPGA/DSP[1]/PowerPC为核心处理器，并结合RapidIO等数据总线，采用功能串行或数据流并行的处理架构设计实现。随着雷达瞬时工作带宽、瞬时波束处理数量的快速上升以及信号处理算法复杂度的日趋增加，先进相控阵雷达系统对其信号处理分系统的传输能力、处理能力、扩展能力和重构能力均提出了越来越高的要求。

本文首先简要分析了典型相控阵雷达的信号处理架构，重点针对传统架构下处理节点单点故障和国产化平台处理时间抖动引起的信号处理分系统失效问题，借鉴软件化雷达思想[1-2]设计了基于开放式国产化平台的轮询式并行信号处理架构。该架构以“飞腾”系列国产化CPU和全互联10/40 Gbps高速以太网标准协议为基础，同时结合了多线程多环形缓存分发机制和构件化设计方法，能够从传输、存储、处理等角度全面提升雷达信号处理系统的可靠性和可扩展性，从而有效解决传统架构下的信号处理分系统失效问题。

1 并行信号处理架构

雷达信号处理通常基于各类嵌入式平台完成多通道数据流的实时流程化处理。当数据流带宽增加、处理算法复杂度提升或者处理流程分支增加时，受限于单节点的处理能力和传输能力，通常采用以特定拓扑互联的多处理节点平台、以功能串行或数据流并行的方式完成信号处理任务。

1.1 功能串行处理架构

功能串行式信号处理架构将信号处理按功能划分，每个处理节点处理一部分信号处理功能，一个处理节点的输出是下一个处理节点的输入，如图1所示。当数据流带宽超过单节点的I/O能力时，该处理架构需要结合数据流并行方法使用。该架构的典型技术特征是每个处理节点的功能固定，节点间数据传输紧耦合且容易出现单点故障，此外也无法实现处理规模的灵活扩展。

图1 功能串行处理架构示意

1.2 数据流并行处理架构

数据流并行式信号处理架构将相控阵雷达射频前端的回波数据按照波束或距离段进行划分和分发，不同波束/不同距离段数据分发至不同的处理节点完成处理功能，每个处理节点完成相应数据的所有信号处理功能，最后汇总至一个节点进行后续的数据处理，如图2所示。

图2 数据流并行处理架构

如前所述，传统信号处理系统通常采用FPGA/DSP/PowerPC等强实时的处理芯片实现数据流并行的处理架构，处理节点均可部署相同的程序。在信号处理系统开发阶段，可根据处理节点的处理能力/传输能力估算参与并行处理的节点需求，从而实现处理规模的灵活伸缩。但是对于数据流并行处理架构而言，需要每个节点能在下一包数据来临之前按时完成上一包数据的处理，当某个处理节点出现故障时，该节点处理的数据无效，存在无法保证数据完整处理的风险。

1.3 轮询式并行处理架构

随着信号处理系统软件化和国产化程度的提升，越来越多的相控阵雷达信号处理系统基于ARM架构国产“飞腾”CPU和“银河麒麟”Linux操作系统开发实现。基于通用CPU和实时操作系统实现雷达信号处理功能有多个方面的显著优势：便于实现复杂灵活的算法流程、可显著缩短开发调试周期、处理软件具备良好的可重用性和可移植性等。但与此同时，由于各处理节点的处理群延迟不可避免地存在差异，将可能导致数据汇总端多节点同步时拥塞，因此需针对性地开展弹性数据分发和处理模式设计，即本文重点研究的轮询式并行信号处理架构。

如图3所示，数据分发节点根据信号处理节点忙闲状态，将接收前端下发的一个驻留完整帧数据按需分发至可用节点，处理节点收到数据并完成一帧数据的信号处理后分别对外发送视频/点迹数据，并将空闲状态反馈给数据分发节点。

图3 轮询并行处理架构示意

上述轮询并行机制彻底解决了传统多处理节点串行体系的单点故障导致整个任务失败的问题，并且实现了处理节点间功能、数据解耦，当某个模块故障时，通过合理的轮询判断逻辑可实现冗余节点自动替代故障节点功能，从而有效提高了系统的可靠性。

2 基于高速以太网的开放式信息处理平台

本文设计的轮询并行信号处理架构基于开放式信息处理平台搭建，具体硬件架构如图4所示。机箱采用6U OpenVPX体系架构，通过规范设计处理平台和处理模块的功能划分、供电、散热、电气接口、机械结构、系统管理、背板定义、互联协议等，可实现模块的互插互换。

图4 高速以太网架构开放式全互联平台

处理节点采用国产“飞腾”多核处理器，搭载“银河麒麟”实时内核操作系统；数据传输采用40 Gbps高速万兆网数据流交换、1 Gbps以太网管控流交换的两层数据全交换模式。高速的网络数据交换和灵活的拓扑结构能够满足各类信号处理任务实时、高效的数据传输及交换需求，并支持处理能力的柔性扩展。

3 轮询式数据并行分发机制设计

本文研究的轮询并行处理架构以上节中描述的开放式全互联平台和DDS通信中间件为基础设计实现。将高速以太网互联总线技术与DDS实时数据订阅分发技术相结合并进行合理优化，可便捷地形成快速访问通道，从而进一步提高数据传输效率。基于DDS的轮询式数据并行分发机制示意如图5所示，预处理分系统下行数据流经接口模块预处理后转换成PCIe帧格式送入数据分发节点，数据分发节点通过轮询机制获取计算资源的忙闲状态，根据分发优先级[3]将数据分发至空闲节点完成信号处理任务。

图5 基于DDS的轮询式数据并行分发机制

3.1 数据分发节点设计

为充分发挥“飞腾”系列CPU的多核处理资源及I/O资源优势，本文进一步设计多线程数据分发和多环形缓存[5]机制来提高数据可靠分发效率。如图6所示，在实际工程应用中可根据数据带宽以及各节点数据传输和处理能力约束合理规划分发线程和环形缓存数。数据分发节点的功能应用基于构件化设计，由3个功能构件组装，分别为管理控制构件、数据缓存构件以及数据分发构件。

图6 多线程分发机制

(1)管理控制构件是分发节点的核心，负责统计处理节点信息，维护计算资源实时状态信息，并根据空闲节点先后顺序以及优先级策略配置产生可用资源列表，配置为常用节点的优先级高于备份节点，常用节点间根据空闲的先后顺序排序，从而整体调控系统的运行；

(2)数据缓存构件负责接收数据帧，并依次写入环形缓存，通知分发线程；

(3)数据分发构件负责根据管理控制构件产生的可用资源列表信息，将数据发送至空闲节点。

3.2 单信号处理节点设计

在上述轮询式数据分发和处理框架之下，单个信号处理节点的功能软件设计采用构件化[4]思想合理划分功能模块，通过积木化组装实现预设的信号处理功能流程。简化的信号处理流程示意如图7所示，在本文轮询式并行信号处理架构中主要实现数据接收和状态反馈功能，其余为常规的信号处理功能模块。

图7 典型单节点信号处理示意

3.3 轮询处理流程设计

轮询并行架构以DDS通信中间件作为通信软总线，具体轮询并行处理流程如下：

(1)系统上电后，数据分发节点的管理控制构件订阅“空闲状态”主题，所有计算资源池中的节点分别发布该主题，注册节点空闲状态；数据分发节点收到注册状态报文后根据通信标识进行登记，并根据优先级策略设置将节点排入可用资源列表。

(2)前端多路回波数据经过多路光纤同步，完成回波数据预处理，将数据转为PCIe帧格式送入数据分发节点数据缓存构件；由于最大一次发送4 MB数据，数据缓存构件需将数据拼接成完整的一个波位驻留的数据帧，并依次存放到多个环形缓存，同时通知数据分发节点数据分发构件。

(3)数据分发节点数据分发构件查询当前可用资源列表，获取最高接收优先级节点的通信标识，读取环形缓存中的数据，通过40 Gbps高速以太网链路发布，并更新可用资源列表。

(4)高优先级的信号处理节点接收到波位驻留数据，采用多线程数据并行完成信号处理后，产生视频和点迹数据发布，同时发布节点的“空闲状态”，向数据分发节点管理控制构件注册空闲状态，申请接收数据。

(5)低优先级的信号处理节点等待数据流，触发信号处理。

(6)数据分发节点的管理控制构件接收到新的“空闲状态”信息，获取该节点的通信标识，并根据其优先级更新可用资源列表；

(7)重复(2)～(6)步。

4 典型应用分析

开放式国产化处理平台采用一体化设计，计算资源可广泛用于实现后端信息处理功能；轮询式并行信号处理架构每个处理节点独自完成帧数据包的处理，处理节点间功能完全解耦；基于开放式国产化处理平台的轮询式并行信号处理架构，将两者相结合，可充分利用资源，通过提高系统的冗余度设计，实现系统的功能、故障重构和系统在线处理能力的负载均衡。

应用时可根据信号处理需求配置若干常用信号处理节点，设置节点优先级属性为0(高优先级)，并预留节点做冗余设备。冗余配置策略可根据任务重要性设置热备份或冷备份策略，热备份策略即上电运行信号处理应用，冷备份策略即上电不运行任何处理程序。

热备份节点上电后始终在可用资源列表，但节点优先级属性设置为1(低优先级)，正常状态下不作为信号处理节点调度，当某个节点处理存在较长抖动，或常用节点出现故障时，热备份节点随时被调度为当前最高优先级节点，分发数据进行处理。

当数据量增加，系统检测到处理节点CPU负载超过阈值，或常用节点出现故障时，通知冗余冷备份节点，启动信号处理程序，加入可用资源列表，节点优先级属性设置为1，可作为可用资源分配处理；当其他非信号处理应用出现故障时，冷备份节点也可用于其他功能的故障备份。

5 结束语

本文基于开放式国产化平台，采用以太网全交换架构配合DDS发布订阅机制设计实现了轮询式并行信号处理架构，单节点数据分发能力超过20 Gbps，可支持20 Gbps回波数据流的实时信号处理，当超过20 Gbps时，可通过增加数据分发节点灵活扩展。

通过分析可见，基于开放式国产化平台的轮询式并行信号处理架构可有效解决处理节点单点故障导致的信号处理系统失效问题，可通过动态调整实现信号处理系统在线处理能力的负载均衡，并可根据功能需求动态灵活地扩展处理资源，可显著提升相控阵雷达信号处理系统的可靠性和研制效率。