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数字化士兵的观察与瞄准系统

---- 系统及数据传输结构设计

重庆市蓝牙技术研究所金纯

重庆大学计算机学院许光辰

数字化士兵为世界各大军事强国近几年来所重点研究和追求的对象，其中一个重要的研究方向就是士兵的观察与瞄准系统。由于该系统涉及到光学、声学、电学、图像处理及压缩、无线通信及数据传输、多微处理器分布式系统结构设计等，所以作为这样一个跨学科和多项应用技术的综合系统，本文只是重点从计算机系统及数据传输的体系结构和实现方面作一些系统设计的阐述。

1 .系统主要基本构件功能简述：

作为该系统的体系结构设计，我们可用一个工作简图来描述：

由于本系统是一个开环的数据采集与控制系统，因此图像、声音获取部件为系统的前端数据采集机构。从理论上讲，最能得到人类对信息交流公正评价的应该是视觉图像，其次才是文字和语音信息的交流，因此系统中对图像数据的处理被列为一个重点处理机制，因它又涉及到其它数学建模和测评，对这一部分的内容我们将在其它论文中做出评述。

对于应用于军事领域系统完美的体系结构设计，在系统设计方面，首先需考虑的是应用系统能够保证它可以较为长期的处于高可靠性和高稳定性的工作状态。为此在系统设计中，势必应该将一个独立的数据信息处理单元改变成多个微处理器来形成的一个分布式控制体系结构，这样系统中的各个部件机构都分别由各自的微处理器进行监控和独立信息处理。这样做的好处是，一旦系统中出现瞬时性或永久性的非平衡故障现象时，系统可自动的立刻进行系统的重构，从而保证系统的局部性故障不会在系统中出现蔓延，进而引发导致系统的彻底崩溃。另外考虑到战争因素，这种分布式控制模型比集中式控制模型的系统可维护性和系统的在、离线式维护性要方便的多，这样就进一步的减少了使用人员的无谓干预，同时基本消除了对使用人员必须具备高素质的苛刻要求。

系统图中所描述的近程传输载体，其主要作用是满足本系统可以被分离使用。当系统被拆开为两个独立的主控工作部件时，利用系统所具有的近程无线传输能力，系统的图像和声音获取部件可以被放置在被无线传输所覆盖范围的各个监测点上，这样系统就由一个瞄准系统变成了具有超视距监控能力的电子哨兵系统，利用系统主控部件的微功耗显示器及各种声、光告警装置，向值勤士兵提供非正常情况的预报。

系统提供的远程传输载体是利用系统可选择的远程无线传输能力，将士兵所观察到的各种图像数据经过压缩处理后，传输到战场指挥中心或后方指挥中心，这样该瞄准系统就转化成了一个情报侦察系统，这为我军实现C4ISR现代指挥系统奠定了基础。

2 .监控系统的体系设计：

基于本系统应用的特殊性，系统内的计算机体系结构必须对计算速度、系统的可靠性和成本实效性有着特殊的要求，这无疑要求我们必须使用一种另外的计算机体系结构的模型来替代传统的冯·诺依曼结构模型。

分布式系统是伴随着计算机网络出现的一种计算结构模型。在该模型中，对用户的任何任务访问和需求时，系统都尽可能多地提供计算能力和计算信息的透明性。因此对分布式系统而言，其结构是一种可提供完全无缝连接的计算模型，换句话说，系统中的各个监控单元和系统网络单元之间的接口在很大程度上是不为用户所见的。

在观察与瞄准系统中，系统成本和性能是一个至关重要的问题，作为军用系统的一些特殊性能要求和系统负重结构的考虑，利用分布式计算系统的并行性可有效地减少计算系统的处理瓶颈问题，因此这种计算结构模型就提供了更好的系统性能价格比。

针对观察与瞄准系统的特定要求环境，考虑到系统的实时性数据处理的特殊要求，我们在系统的体系结构的设计中，放弃了分布式系统的资源共享技术结构，从而让系统成为一个具有绝对粗粒度计算任务的计算环境。这样做的主要原因是为了降低系统内部的数据传输时间开销，这种系统内部时间开销在很多工程应用场合会随着设备使用时间的增加而产生系统内部的时间累积，最后可能导致分布式网络系统中的各个子单元的“失步”，这在系统中将是一个非常致命的问题。使用这种变异性的分布式计算结构，由于丧失了资源共享的系统特征，无疑系统需要在某些部件上增设重复的资源环境，如高速缓冲存储器。这种缓冲结构的多层引入，增加了系统数据访问的非命中概率，同时也增加了系统单元之间的信息交换同步需求的额外时间开销。虽然这种时间开销可以被包容在任务并行处理的过程中，但这种计算结构的使用模型还需要时间来印证，这也是系统中最值得商榷的一个问题，我们也还需要在这个问题上进行更深入的研究。

从前面的系统结构简图中可以得知，该计算系统采用了树型结构的设计，其树根为系统控制中心。为了提高系统的数据处理速度，设计时采用了“胖树”结构的设计模型。这样一方面保证了树结构的健壮性，另一方面基于这种设计理由是让系统能尽可能多地提供一些并行处理实时性的有效工作环境，这样就达到了了分布式系统的实用性和容错性的要求。如果系统在应用环境中一旦出现系统子部件的故障现象，系统都能够自适应地进行启动备用通路和备用部件来替换故障部件，从而保证了系统在故障情况下仍能处于正常运行的状态。

为了保证系统能完全达到设计初衷，系统利用了当今世界上技术上的变化来满足设计需求。我们都知道，技术上的变化就是利用微电子技术的发展而生产出来的多片高速低价的微处理器芯片作为计算系统的核心资源，利用新型通信技术来实现分布式系统网络中的单元部件之间的紧密连接。

由于瞄准与观察系统实际上是数字化士兵中的四大子系统之一，从树型结构的定义角度看，它在整个系统的树型结构中仅是一个枝节点，即它仅是一个子树结构。因此本子系统中的控制中心在整个系统中只起到一个局部控制中心的中央控制机制作用。考虑到实时性要求在系统中的特殊地位，因此数据处理机制的系统结构设计也需要相应的作一些调整选择。我们在本子系统的设计方案中采用了哈佛结构的基础处理原语单元，这样因数据处理中心的程序存储器和数据存储器为两个独立的存储子部件，系统中凡属对程序存储区的访问都免去了存储系统数据回写的恢复工作时间的内部开销，对于具有N条访问命令的一个应用原语进程，系统比完全采用传统冯·诺依曼结构计算模型的内核指令存储访问时间开销减少一半。因系统中应用数据的随机性，子系统的数据存储体系仍以RAM结构来实现。理论上讲，数据区的访问时间仍然是妨碍系统整体时间减少的一个瓶颈，但监控系统的数据一般在经历过一个剧烈震荡变化阶段后，它们将簇聚在一个变化相对稳定的数据环境中。一旦这些监控数据进入到平稳阶段时，数据访问非命中率将急剧下降，同时数据区的污染面积开始缩小，所以子系统中的数据存储区就可以用一个相对较小的存储体系来实现。从子系统的整体存储体系来看，应用原语进程将是大量地访问程序原语存储区，而少量访问数据区。为此子系统的指令原语存储区体系的容量将大大高于数据存储区的容量，这样系统的N次应用处理过程的整体访问时间将是得到一个收敛的趋势，从而使系统数据访问的内部时间开销瓶颈问题得以淡化。此处之所以只能提出为淡化，是这种瓶颈问题到目前的体系结构设计的设计水平和物理层的硬件支持技术还不能作到根除。

作为军用系统，因系统的性能价格比是一个需要重点考虑的问题。如果系统中的各个子部件仍然着重依赖于程序解释作为计算基础，这样各个子系统的数据处理速度将受到极大的影响。由于系统又工作于分布式的环境，各个子系统的功能部件可能会因某些子部件的时延造成各个子系统的“活锁”，而这些“活锁”现象随着时间的推移将引导系统走向死锁。

综合考虑上述因素，我们在各个子系统的设计模型中采用了基于嵌入式硬件加速器设计的模型机制。利用现行流行的DSP设计处理技术，将子系统中的一些关键计算单元采用基于FPGA方式的硬件加速器的设计思想来实现。如系统中为加快数据传输的速度和数据传输的安全性，子系统将对发送数据采用数据压缩计算。本设计方案中采用了LZW压缩方式，对比Huffman算法，LZW算法在压缩时并不需要去了解数据符号使用的频率度，同时该压缩方法的优点就在于它是一种无损压缩技术，它的整个文本文件可以完全地有效恢复。如果系统采用基于软件的原语指令解释技术，而系统中对数据的发送和接收过程都采用了多源并行处理的设计模型，显然这种基于软件原语指令解释数据的压缩和解压过程将不能满足系统的数据传输时间限定要求。为此当子系统对这些关键计算部件一旦采用了硬件加速器的设计思想，系统零等待的设计目的就可以达到。采用此设计方案是利用空间复杂性的增加来换取时间复杂性的减少，好歹现行微电子学的发展，这些空间复杂性的增加我们几乎可以忽略不计了。

3 .数据传输链路的体系设计：

此处提出的数据传输链路类似于OSI模型中的第3层（即网络层）。在OSI的7层协议中，网络层负责将数据传输分组从发动传输请求的节点传输到接收数据分组的节点。虽然在系统的数据链路层具有监视同一个链路中两个部件之间的分组传输，但根据不同的网络拓扑结构设计，数据分组的传输仍要由网络层来保证各个数据分组的传输正确性。

在数据传输链路的设计方面系统涉及到两个设计体系，一个是有线传输的体系设计，另一个是无线传输的体系设计。

在有线传输方面，设备服务的一个目标就是SMDS（交换式多兆比特数据服务）。基于这种数据服务和设备服务的思想，本系统采用了DQDB的传输“链路层”的设计模型。理论上讲，DQDB是一个类似于LAN的标准，但实际上它被设计成用于MAN中的一种数据服务的模型。

针对观察与瞄准系统各个部件的树型结构，在本系统的设计中对DQDB双总线概念作了一些延伸修改。将系统中的各个组成部件分成了输入链路和输出链路两条不同的主干链路的总线结构，系统中的各个子部件根据自己在系统中的功能作用分别挂在不同的总线链路上。基于IEEE802项目中的802.6协议的规范，系统中的数据传输是通过分布式队列的协议机制来实现的。

在输入总线方面，系统的数据传输分组流起始源节点从图像、音频获取部件开始，终止在系统控制中心部件，因此在源节点后的各个部件都为输入数据传输分组的上行流站点。而在输出总线方面，系统的数据传输分组流起始于系统控制中心部件，分别终止在武器执行机构和远程传输载体两个条不同传输链路的节点部件上，因此在中心控制部件后的各个部件都为输出数据分组的上行流站点。作为一个良好的工程应用系统，系统必须具备升级或更新的能力。因此引发出系统的可扩展性，本系统各个总线链路的扩充结构路由算法由中心控制部件来创建，其创建过程的路由计算模型采用基于D（v）：=min[D(v)，D(w)+l(w，v)]数学模型的最短路径搜索计算模型来实现（即Dijkstra集中式算法或Ford分布式算法）。

在数据传输流方面，为确保数据传输分组的正常流动，本系统的设计仍沿用了802.6传输槽协议技术标准，并将802.6协议中的槽预留修改为传输申请标志令牌队列。

在本系统中，数据信息传输槽仍然由总线链路的起始源节点产生，而被总线链路的终止节点所消化。每个数据信息传输槽的头带有链路中各个子部件的ID编码，当数据信息传输槽通过各个子部件时，如果总线链路上的子部件有数据信息要传输，则将传输的数据信息放入到对应ID编码的传输槽中，并注入一个有效数据标志。在总线链路上因为各个子部件处于总线“侦听”工作状态，所以当有数据信息传输槽流经本节点时，接收电路对该数据信息传输槽的ID编码进行身份“鉴权”操作，若符合者即实现接收，并注入一个数据传输信息已使用的标志，反之让该数据信息传输槽通过，最后只要总线链路上的各个子部件处于正常工作状态，则在总线链路上流动的各个标有已被使用的数据信息传输槽将在总线链路上的终止节点被注销。

这种数据传输技术的使用可能诱发上游站点强制独占总线链路的恶劣行径，这在系统设计中必须要着重考虑的问题。另外一个问题是，如果出现数据信息传输槽在流动过程中出现发送数据节点和接收数据节点“失步”，从而导致发送节点申请的数据信息传输槽未被使用就流过接收节点，并在总线链路终止节点被注销的现象。

为解决上述两个有关数据信息传输的问题，在系统设计过程中，对总线链路上的各个子部件在需要进行数据信息传输前，必须向总线链路上的源节点发出传输申请请求，该传输申请请求在总线上就形成一个申请队列。总线链路上的源节点将根据申请请求队列产生相应的数据信息传输槽。由于本系统是一种基于任务粗粒度的计算体系，因此数据信息的传输工作量远远低于数据信息计算量，所以在数据信息传输系统设计中并没有完全使用802.6协议中的槽预留技术思想，而是借用这种槽预留技术来实现传输请求申请。显然采用这种设计思想，比较好的解决了数据传输过程中的传输节点非公正待遇的问题，同时间接消除了数据传输过程中的传输“时隙”的饥饿现象。

解决数据信息传输“失步”问题，仍然借用802.6协议中的槽预留技术思想。一旦出现数据传输“失步”时，总线链路仍让数据信息传输槽正常通过传输链路中的各个节点。最后在总线链路终止节点对这个未被使用的数据信息传输槽进行处理，一方面它仍然对该次数据信息传输槽进行注销，这主要是满足进程原语设计的一致性。另一方面由终止节点在申请请求队列上标注一个特定标志，并传回给总线链路上的各个上游节点，并终止在总线链路上的源节点上。源节点获取到该信息后，再次重新创建这次数据传输失效的数据信息传输槽。同时对其他已经正常实现传输的数据进行注销。在总线链路上的各个中间节点之间的数据信息的传输过程都类同于这种数据信息的传输，不同的是节点数据传输后的数据缓冲区信息注销在各个节点上来完成。使用这种数据信息传输的设计思想有一个问题就是对总线链路上的每个节点都无谓地增加了一个数据信息传输缓冲区，这个资源的增加一方面增加了系统设计的空间复杂性，另一方面增加了系统故障点的分布，对系统的安全工作带来了一些消极因素，这也是一种不得而为之的设计办法，这是因为任何一种设计体系是不可能绝对完美的。

为解决这个额外数据缓冲区的诱发问题，还有一种数据传输方法就是采用当今较为流行的“虫孔”路由思想。采用“虫孔”路由设计后，各个节点的传输缓冲区将压缩在一个比特上，从而数据信息的传输过程将对数据传输链路的敏感性大大降低。当传输过程中如果出现数据信息传输“失步”时，系统仅需要通过一次在位级上的ARQ就可以解决，这对发送节点来讲几乎没有什么因传输中断后而引发的数据在本地积累的压力，但这种技术的进程原语软件设计的难度将有所增加。

上述所讨论的数据信息传输“失步”的问题在一般的Office环境中是不需要考虑的，这是因为总线链路上的各个节点部件它们一直可以处于正常的“侦听”工作状态。但在士兵的观察与瞄准系统中，由于系统的设计是一个穿戴式的装备，它的供电体系只能靠电池来提供系统的总体能源。因此系统中的各个子部件只能是工作于呼吸状态，从而导致系统在数据信息的传输过程中有可能出现通信“失步”的现象，本系统在体系结构设计方面采用了另外一种强制唤醒的工作模型，由于该技术的算法模型和硬件设计模型方面需要花很多的篇幅来描述，为此我们将在其它的一些专题论文中来描述。

对于近程传输载体，系统可以选择采用“蓝牙”或802.11a、b系列无线通信技术。由于这些通信技术都采用了跳频通信模式，其系统的抗干扰能力具有一定的提高，特别是对于“窄带”干扰、梳妆干扰和“选频”干扰现象，在这两种通信技术中采用的随机跳频算法都可有效地规避这类干扰频点，这对未来战争中有效使用电子侦察和反侦察技术手段奠定了基础。同时这些通信技术因为都采用了微功率技术，所以通信系统的天线辐射都在安全范围内。这一方面保证了用户的使用安全性，另一方面在战争环境中，其“微辐射”对己方的通信安全也有所保证，这无疑对敌方的窃听和窃视技术增加了难度。

4 .结束语：

由于本文主要是对数字化士兵的观察与瞄准系统进行了系统体系结构设计和数据传输结构设计方面的一些设计思想的简要描述，因文章的篇幅限制，所以文中的一些算法和结构描述也只能是以文字将设计思想进行说明，其具体的进程原语设计还需要根据采用不同的微处理器和DSP的选用来确定，这样设计构思和进程原语设计也就会有此而相异，这些涉及到具体应用工程设计技术的一些实际工程化问题，本文就不再做更深入的论述了。