李燕斌,李 冰

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

0 引 言

針對復(fù)雜多樣的不同通信裝備，為提升通信裝備間的互連互通能力，需要各通信裝備加載共同通信波形，并具備快速部署及靈活重組能力。要使各種共用波形能低成本、高效互移植到不同平臺，除了在波形研發(fā)時需基于波形可移植性設(shè)計準(zhǔn)則進行波形開發(fā)外，在跨平臺進行波形移植前還需要針對待移植平臺，通過波形可移植性量化評估，優(yōu)選出可移植性強的波形來進行移植。美軍在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(Joint Tactical Radio System，JTRS)項目中發(fā)布了波形可移植性設(shè)計準(zhǔn)則，對JTRS波形可移植設(shè)計方法進行了詳細規(guī)定，并開展了波形可移植性測試評估，從而降低波形移植到不同平臺的工作量和移植成本。由此可見，波形可移植性量化評估在無線通信領(lǐng)域(特別是軟件無線電通信領(lǐng)域)非常必需，也迫切需要。

1 波形可移植性評估要素

通信波形是將待傳輸數(shù)據(jù)或話音信息按預(yù)定的通信協(xié)議通過數(shù)據(jù)組幀、信源編碼、信道編碼、交織、調(diào)制、濾波等處理后形成的一種在空中傳輸?shù)膱D形抽象，無線通信裝備通過波形的收/發(fā)實現(xiàn)通信信息的傳遞。通信波形基于OSI(Open System Interconnection)參考模型7層架構(gòu)，根據(jù)通信數(shù)據(jù)鏈實際應(yīng)用情況，波形架構(gòu)簡化為3層，即物理層、建鏈層和處理層，其組成如圖1所示。

圖1 波形組成架構(gòu)圖

通信波形與設(shè)計開發(fā)、支撐硬件平臺及軟件平臺密切相關(guān)：影響波形移植的的設(shè)計開發(fā)要素主要包括設(shè)計規(guī)范性、組件劃分顆粒度、IP核、開發(fā)工具、核心處理器及總線類型等；影響波形移植的硬件要素主要包括ADC/DAC轉(zhuǎn)換器、核心處理器(DSP、FPGA、CPU)、內(nèi)/外部總線、系統(tǒng)時鐘、混頻器、濾波器、功率放大器、低噪放、天線等的功能性能；影響波形移植的軟件要素主要包括底層驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)、硬件抽象層、中間件等的功能性能[1]。

總的來說，影響波形移植的要素很多，對波形進行可移植性量化評估是一個復(fù)雜體系，為了實現(xiàn)其量化評估目標(biāo)，需要基于系統(tǒng)分析方法來開展實施。

2 基于系統(tǒng)分析的模糊綜合評判法

系統(tǒng)分析是運用建模及預(yù)測、優(yōu)化、仿真、評價等技術(shù)對系統(tǒng)的各有關(guān)方面進行定性與定量相結(jié)合的分析，為選擇最優(yōu)或滿意系統(tǒng)方案提供決策依據(jù)的分析研究過程[2]。

對于復(fù)雜的波形可移植性量化評估體系，許多要素很難通過建模和仿真等手段實現(xiàn)評估，比如處理器性能差異、系統(tǒng)時鐘差異、組件顆粒度劃分、IP核使用情況等?；谶@種情況，參考錢學(xué)森院士提出的以人為主的人機結(jié)合系統(tǒng)思維體系，即堅持以人(專家群體)為主的原則，充分發(fā)揮人腦思維的關(guān)鍵作用又體現(xiàn)計算機的特長，有意識地綜合運用，優(yōu)勢互補，辯證統(tǒng)一。通過人機交互、反復(fù)比較、逐次逼近，達到從定性到定量的認(rèn)識，從而對經(jīng)驗性假設(shè)正確與否給出明確結(jié)論。也就是說，許多系統(tǒng)問題的解決，可以通過以人為主的原則，通過數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)量化。模糊綜合評判法即是這種以計算機為平臺并結(jié)合人的因素實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)量化的數(shù)學(xué)方法[3]。

1965年，美國著名控制論專家L.A.Zadeh教授發(fā)表了模糊集合的論文，提出了處理模糊現(xiàn)象的新的數(shù)學(xué)概念“模糊子集”，采用定量、精確的數(shù)學(xué)方法去處理模糊現(xiàn)象。模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展與計算機科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，其使計算機吸收人腦識別和判決的模糊特點，從而提升計算機能夠完成更復(fù)雜的任務(wù)。

模糊數(shù)學(xué)的基本原理是，給定論域U上的一個模糊子集A，對于任意u∈U，都指定了一個數(shù)γa(u)∈[0,1]，叫作u對A的隸屬程度，γa叫作A的隸屬函數(shù)。模糊子集A完全由隸屬函數(shù)γa來刻畫，兩者等價。γa(u)表示u對A的隸屬大小，當(dāng)γa的值域為[0，1]時，γa蛻化成一個普通子集的特征函數(shù)，A蛻化成一個普通子集。

在有限論域上的模糊子集可寫成(不是分式求和，只是一種表示方式)

(1)

即

(2)

式中：分母是論域U中的元素，即U={u1，u2，u3，…，un}，分子是相應(yīng)元素的隸屬度(u對A的隸屬程度)。

總的來說，模糊的不確定性用隸屬度來度量，隸屬度表示事物多大程度屬于某一類。隸屬度的具體確定包括人的某種主觀因素。模糊集合論的運用則是從模糊性中去確定廣義的排中率-隸屬規(guī)律。模糊集合(對應(yīng)前文中的模糊子集A)表達的是事物的過渡特質(zhì)而非突變性，集合中每一個元素的隸屬函數(shù)γa(u)在區(qū)間[0,1]可以任意取值，隸屬函數(shù)是連續(xù)光滑的。因此，模糊集合對不確定信息的刻畫是精細而充分的，但隸屬函數(shù)不可計算，憑人的主觀經(jīng)驗給定。

3 模糊綜合評判法在軟件無線電波形可移植性量化評估中的應(yīng)用

波形可移植性評估因素主要表現(xiàn)為硬件平臺因素、軟件平臺因素[4]、波形設(shè)計及開發(fā)因素。下面以硬件平臺因素為例論述其量化評估方法。

通信裝備硬件平臺是通信波形的物理支撐平臺，其中核心處理器處理能力、ADC/DAC變換器轉(zhuǎn)換能力、濾波器性能、功率放大器性能、總線傳輸能力、系統(tǒng)時鐘精度、存儲能力等硬件性能都是影響波形可移植性的重要因素。影響波形移植評估的硬件平臺因素如表1所示。

表1 硬件平臺因素表

對于影響波形移植硬件平臺因素，按兩個論域綜合考慮，即硬件平臺的資源能力論域F和能力評價論域E。其中，資源能力論域F={f1，f2，f3，…，f8}={信道能力、轉(zhuǎn)換能力、處理能力、存儲能力、時鐘能力、抗干擾能力、安全處理能力、接口能力}，WF為論域F上的一個模糊子集，作為評價硬件資源能力的權(quán)重系數(shù)向量，隸屬函數(shù)γa(f)∈[0,1]，那么WF={γa(f1)，γa(f2)，γa(f3)，γa(f4)，γa(f5)，γa(f6)，γa(f7)，γa(f8)}={α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7，α8}且

(3)

能力評價論域E={e1，e2，e3，…，e5}={AA/很好、BB/較好、CC/好、DD/較差、EE/很差}，將對應(yīng)分值(即上式中的AA、BB、CC、DD、EE)轉(zhuǎn)換成γa(e)∈[0,1]，對應(yīng)的模糊子集WE={γa(e1)，γa(e2)，γa(e3)，γa(e4)，γa(e5)}={β1，β2，β3，β4，β5}且

(4)

假定評價專家團隊為N人，基于R=F×E論域，給出硬件資源能力評估結(jié)果,如表2所示，其中Nij為基于各評估細分項i給出相應(yīng)評價結(jié)果j的專家人數(shù)。

表2 硬件資源綜合評估表

將專家評估結(jié)果轉(zhuǎn)換成隸屬度βj，βj=Nxj/N(其中，Nxj為第x行評估項的第j列能力評估結(jié)果獲得的專家評估人數(shù)，N為參加評估的專家總?cè)藬?shù))，βj∈[0,1]。

硬件資源綜合評估結(jié)果統(tǒng)計如表3所示，第2列硬件資源能力的權(quán)重系數(shù)αi可調(diào)。

表3 綜合評估結(jié)果統(tǒng)計表

基于表3，列出隸屬度矩陣

(5)

根據(jù)隸屬度矩陣，求出綜合隸屬度Ri(表3中倒數(shù)第2行)為

Ri=α1×(N1i/N)+α2×(N2i/N)+α3×(N3i/N)+

α4×(N4i/N)+α5×(N5i/N)+α6×(N6i/N)+

α7×(N7i/N)+α8×(N8i/N)。

(6)

再基于Ri計算結(jié)果，求出綜合得分Z(表3中最后一行)為

Z=(R1×β1+R2×β2+R3×β3+R4×β4+R5×β5)×

(AA+BB+CC+DD+EE) 。

(7)

評估大項綜合評估流程如圖2所示，先設(shè)定評估細分項權(quán)重系數(shù)初始值，統(tǒng)計出各評估項的綜合隸屬度，再計算出各評估細分項綜合得分。隨著通信裝備評估數(shù)量的增多，基于專家群體的綜合評判，調(diào)整各細分項權(quán)重系數(shù)大小并逐步趨于固定，從而達到從定性到定量轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確性，提高量化結(jié)果(綜合得分)的置信度。

圖2 大項綜合評估流程

除硬件平臺因素外，影響波形移植還包括軟件平臺因素和波形設(shè)計開發(fā)因素等[5]。在應(yīng)用中，如圖3所示，三大影響波形移植因素可分為軟件資源能力、硬件資源能力、軟件平臺符合性、硬件平臺符合性、波形軟無符合性等多個具體評估大項，各評估大項由對應(yīng)的評估細分項組成。

圖3 評估項評估示意圖

各評估大項根據(jù)細分項及權(quán)重，基于專家群體的綜合評判，采用前面所述模糊綜合評判實現(xiàn)方法，求出被測通信裝備相關(guān)評估大項i的綜合隸屬度，給出綜合得分Zi，如圖4所示。

圖4 量化評估結(jié)果統(tǒng)計示意圖

圖5所示為量化結(jié)果計算流程，在求出各評估大項i的綜合得分Zi后，再基于各評估大項的權(quán)重δi，根據(jù)公式(8)求出波形可移植性的最終量化評估結(jié)果。

圖5 量化結(jié)果計算流程

Q=Z1×δ1+Z2×δ2+Z3×δ3+ …+Zi×δi。

(8)

統(tǒng)計出的波形可移植性量化初始結(jié)果，基于專家群體的綜合評判，調(diào)整各評估大項權(quán)重系數(shù)δ大小并逐步趨于固定值，從而使得量化評估結(jié)果Q具備準(zhǔn)確性和權(quán)威性。

本方法已在實際軟件無線電項目中應(yīng)用，很好地解決了過去長期存在的波形可移植性評估要素不明確、不能科學(xué)有效量化的難題，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)束語

波形移植是一個非常復(fù)雜的體系，涉及到軟硬件平臺各種資源能力、各接口標(biāo)準(zhǔn)的符合性、波形設(shè)計及開發(fā)因素的規(guī)范性，以及可移植性量化評估的復(fù)雜性。本文基于錢學(xué)森院士提出的以人為主、人機結(jié)合的系統(tǒng)分析思維，采用模糊綜合評判法，并通過人機交互反復(fù)比較、逐次逼近，有效實現(xiàn)了波形可移植性的量化評估。

為了提升波形可移植性量化評估效率，后續(xù)可考慮將人工智能機器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到一些評估大項的量化評估中，以逐步減少專家團隊評估比重。隨著在工程中應(yīng)用的增多，評估權(quán)重系數(shù)的不斷迭代優(yōu)化，評估效率的不斷提高，波形可移植性量化評估模糊綜合評判法將日趨成熟，基于該方法的波形可移植性量化評估在軟件無線電項目及其他無線通信項目中將會得到更加廣泛的應(yīng)用。