پلتفرم رادیویی ماژولار یکپارچه (IMR) (مروری بر پروژه ساندرا)

[1]) شکل گرفته است که منجر به کاهش اساسی در وزن تجهیزات و هزینه‌های تعمیر و نگهداری هواپیما شده است. این معماری از طریق میزبانی چند برنامه کاربردی اویونیک با سطوح حیاتی متفاوت روی یک پلتفرم محاسباتی مشترک پارتیشن‌بندی شده، توانست حدود هزار کیلوگرم از وزن تجهیزات اویونیک هواپیمای بوئینگ 787 را کاهش دهد.

طبق پیش‌بینی‌های صورت گرفته ترافیک هوایی سالانه اروپا در 2025 حدود 17 میلیون پرواز خواهد بود. این در حالی است که در سال 2005 این عدد 9 میلیون بوده است. در این قاره طرح‌های توسعه‌ای در زمینه مدیریت ترافیک هوایی توسط برنامه SESAR مدیریت می‌شوند. در سال‌های اخیر فناوری‌های مختلفی تحت این برنامه برای بهبود ترافیک هوایی ارائه شده است. با توجه به اهمیت موضوع افزایش قابلیت اطمینان و یکپارچه‌سازی سیستم‌ها در هواپیما، کارشناسان مرکز هوایی اتحادیه اروپا اقدام به برنامه‌ریزی برای دستیابی به فناوری‌های مطلوب در زمینه سیستم‌های مخابراتی کردند.

برپایه مفهوم IMA، اتحادیه اروپا در یک پروژه با عنوان «شبکه یکپارچه هوایی با تلفیق لینک‌های داده رادیویی و آنتن‌ها» که در اصطلاح ساندرا[2] نامیده می‌شود، گام‌ مهمی برای توسعه یک پلتفرم رادیویی ماژولار یکپارچه (IMR) با قابلیت بازپیکر‌بندی، مقیاس‌پذیری و درجه انعطاف‌پذیری بالا را برداشت. این پروژه در سال 2009 آغاز و در سال 2013 با موفقیت آزمایش‌های پروازی آن انجام شد. بر این اساس IMR از طریق فناوری رادیو نرم‌افزاری می‌تواند میزبان چند برنامه رادیویی روی یک پلتفرم پردازنده چند هسته‌ای باشد. از آنجا که امواج رادیویی به جای سخت‌افزارهای مجزا روی ماژول‌های نرم‌افزاری مستقل پیاده‌سازی شده‌اند، سیستم‌ مخابراتی هواپیما دارای وزن، حجم و هزینه کمتری خواهد بود.

علاوه‌ بر این یک چارچوب مدیریت منابع رادیویی (RRM[3]) که بخش جدایی‌ناپذیر از پلتفرم IMR است، از رویکرد رادیوی ماژولار برای بازپیکر‌بندی پویای هسته اصلی برای فعالیت روی انواع لینک رادیویی استفاده می‌کند. بروزرسانی‌های شکل موج می‌تواند از طریق یک تغییر کوچک در کتابخانه‌های نرم‌افزار انجام شود. چارچوب RRM از استاندارد IEEE 802.21 برای تهیه یک پروتکل واحد و پشتیبانی از رادیوهای مختلف استفاده می‌کند. این قابلیت‌ها باعث می‌شود تا IMR با انعطاف‌پذیری بالا بتواند از فناوری‌های رادیویی سابق و آینده پشتیبانی کند.

مروری بر طراحی معماری و شبکه ساندرا

پیش از پرداختن به جزئیات طراحی بهتر است نگاهی به مرزهای درنظر گرفته شده برای سیستم داشته باشیم. شکل 1 مرزهای مطلوب را برای یک سیستم مخابراتی یکپارچه شامل تمامی زیرسیستم‌های رادیویی اویونیک نشان می‌دهد.

شکل1- مرزهای سیستمی برای دستگاه مخابراتی یکپارچه

مرزهای سیستم رابط‌های زیر را پوشش می‌دهد.

• رابط‌ تعمیر و نگهداری: به سیستم اجازه می‌دهد تا پس از نصب، امکان اصلاح و بروزرسانی نرم‌افزار وجود داشته باشد.
• رابط‌ پیکر‌بندی: به سیستم امکان پیکر‌بندی را می‌دهد. به عنوان مثال می‌توان آدرس‌های IP را تغییر داد.
• رابط اویونیک: این رابط‌ها امکان اتصال به سیستم‌های اویونیک خارج از IMR را فراهم می‌کند. به عنوان مثال ارسال یا دریافت اطلاعات ناوبری.
• رابط‌ کابین خلبان: ارائه سرویس‌های صوت و داده برای کابین خلبان.
• رابط‌ کابین مسافران: ارائه سرویس‌های صوت و داده برای کابین مسافران. به عنوان مثال ارتباط با سیستم سرگرمی مسافران
• رابط‌های امواج الکترومغناطیس: رابط‌های مربوط به امواج رادیویی
• ورودی تغذیه

در شکل 2 معماری شبکه مخابرات هوایی درنظر گرفته شده برای ساندرا نشان داده شده است. بر اساس این معماری مولفه اصلی توسعه در این پروژه، پایانه ساندرا در بخش هواپیما است. در واقع ترمینال ساندرا تحققی مفهومی از یک سیستم مخابراتی یکپارچه است که شامل یک مسیریاب یکپارچه‌ (IR)، بخش IMR و تعدادی از آنتن‌ها می‌شود. بخش IR وظیفه انجام توابع لایه‌های بالایی همچون مسیریابی، امنیت و ارائه کیفیت سرویس را برعهده دارد. بخش IMR نیز یک رابط مجزا است که از سمت چپ توسط RRM به مسیریاب یکپارچه و از سمت راست توسط پردازنده‌های امواج رادیویی به آنتن‌ها متصل می‌شود. امواج رادیویی زیر برای پروژه ساندرا درنظر گرفته شده است.

• حالت دوم لینک داده VHF (VDL2)
• شبکه دسترسی سراسری باند پهن اینمارست (BGAN) در باند L
• سیستم مخابرات سیار هوایی فرودگاه (AeroMACS) در باند C
• نسل دوم ماهواره پخش ویدئوی دیجیتال (DVB-S2) در باند Ku. این لینک تنها در حالت گیرنده عمل می‌کند.

ماژول RRM قرار داده شده در پلتفرم IMR توابع لایه‌های پایین همچون اختصاص منابع رادیویی و نگاشت کیفیت سرویس را انجام می‌دهد.

­­

شکل2- معماری شبکه مخابرات هوایی ساندرا

طراحی معماری رادیوی ماژولار یکپارچه

پلتفرم IMR توسعه یافته شده در ساندرا به گونه‌ای طراحی شده است که توانایی ارائه زیرساخت‌های کامل مخابراتی برای یک هواپیما را دارد. سامانه‌های مخابراتی رادیویی و ماهواره‌ای، سیستم اجتناب از برخورد و سیستم ابزار فرود (ILS)، از جمله سیستم‌های منتخب برای قرارگیری در ماژول‌های IMR هستند. عملکرد رادیویی به سه بخش اصلی تقسیم می‌شود.

• ته‌سیستم که شامل آنتن‌ها، تقویت‌کننده توان بالا و تقویت‌کننده نویز پایین می‌شود. در واقع این بخش شامل اجزایی است که در نزدیکی آنتن‌ها قرار می‌گیرند.
• توابع گیرنده که جنبه آنالوگ فناوری رادیویی را پوشش می‌دهد و شامل مدارات RF و IF، فیلترها و میکسرها، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ و غیره است.
• توابع پردازشی که جنبه دیجیتال فناوری رادیو را پوشش می‌دهد. این بخش بیشتر توسط FPGAها، DSPها و پردازنده‌های همه منظوره انجام می‌‌شود و شامل پردازنده سیگنال دیجیتال، پروتکل کدگذاری کانال و برنامه کاربردی است.

شکل3– مثال پارتیشن‌بندی توابع رادیویی

شکل 3 نحوه پارتیشن‌بندی توابع رادیویی پروژه ساندرا را نشان می‌دهد. البته این تنها مثالی از پارتیشن‌بندی است و می‌توان روش‌های دیگری را نیز درنظر گرفت. پارتیشن‌بندی توابع رادیویی در این مثال از یک راهکار پردازشی باند پایه و رایج بهره می‌برد که برای سیستم‌های رادیویی مختلف استفاده می‌شود. بدین ترتیب با توجه به امکان استفاده از طراحی‌ها و سخت‌افزارهای رایج بازار، پتانسیل زیادی برای کاهش هزینه‌ها وجود دارد. این معماری همچنین از لینک‌های دیجیتال سرعت بالای مدرن استفاده می‌کند که می‌تواند ارتباط بین بخش گیرنده و پردازشی را به خوبی تامین کند. در واقع روند فناوری اخیرا از گذرگاه‌های موازی همچون PCI به سوی لینک‌های نقطه به نقطه سریال همچون PCIExpress، اترنت و CPRI[4] در پیش است. لینک سریال سرعت بالای مدرن از اکولایزرها برای بهبود یکپارچه‌سازی سیگنال در گیرنده استفاده می‌کنند. به دلیل نهفته بودن کلاک در سیگنال، امکان دست‌یابی به سرعت‌های بسیار زیاد نیز وجود داشته و چالش‌های ایجاد خطوط موازی با طول برابر در گذرگاه‌های سریال در آن‌ها وجود ندارد.

امنیت یکی از مهم‌ترین عوامل تجهیزات اویونیک است و می‌تواند از جنبه‌های محرمانه بودن، یکپارچگی و میزان دسترسی سیستم‌ها و داده‌ها مورد توجه قرار گیرد. بیشتر سیستم‌های مخابراتی فعلی هواپیما از لحاظ سخت‌افزار و نرم‌افزار از یکدیگر ایزوله شده‌اند و راهکارهای زیادی برای پیاده‌سازی مکانیزم‌های امنیتی در آن‌ها وجود ندارد. اما با یک سیستم یکپارچه شامل تعداد زیادی سیگنال دیجیتالی، مسئله امنیت از اهمیت بیشتری برخوردار است.

مسئله مهم دیگر در پلتفرم IMR پشتیبانی از شبکه یکپارچه است که شامل رسیدگی و اداره لینک‌های نامتقارن می‌شود. بخش عمده فعالیت‌های مرتبط با این مسئله در سطح شبکه انجام می‌شود که بر طراحی پلتفرم تاثیر خواهد داشت. در واقع چارچوب RRM برای رسیدگی به مسئله یکپارچگی شبکه و پشتیبانی از امواج رادیویی متفاوت، از IP به عنوان مکانیزم سازگار استاندارد IEEE 802.21 استفاده می‌کند.

جدا‌سازی

مفهوم جدا‌سازی و تفکیک برای رویکرد سیستم یکپارچه مخابراتی در دو سطح اعمال می‌شود. اولین سطح مربوط به جداسازی خدمات است. به عنوان مثال سرویس‌های مربوط به کابین خلبان و خدمه پرواز از سرویس‌های مربوط به مسافران تفکیک شود. در سطح دوم برنامه‌های نرم‌افزاری که از منابع مشترکی همچون پردازنده و حافظه استفاده می‌کنند نیازمند جداسازی نرم‌افزار خواهند بود، به گونه‌ای که تداخلی بین نرم‌افزارها به وجود نیاید.

در رویکرد معماری توزیع‌شده سنتی هواپیما، برنامه‌های کاربردی روی منابع اختصاصی اجرا می‌شوند. به عنوان مثال برنامه لینک داده VDL2 روی پردازنده اختصاصی خود اجرا شده و از حافظه و دیگر منابع مختص خود استفاده می‌کند. بنابراین در این نوع معماری تفکیک برنامه‌های مختلف کاملا روشن و از طریق سخت افزار انجام می‌شود که نتیجه آن ایزولاسیون مناسب و عدم انتشار خطا بین برنامه‌ها است. اما اشکال اصلی این معماری بازخوردی از همین موضوع است، زیرا سیستم نیازمند منابع سخت‌افزاری متفاوت و همچنین طراحی‌های اختصاصی برای قابلیت اطمینان است. معماری IMA توانسته است با چالش کشیدن این موضوع، نظر طراحان سیستم‌های اویونیک را به خود جلب کند.

در معماری IMA از یک کامپیوتر (به همراه نسخه پشتیبان) به عنوان منبع محاسباتی مشترک بین برنامه‌های کاربردی مختلف استفاده می‌شود. مدیریت اجرای برنامه‌ها در این کامپیوتر توسط یک سیستم‌عامل انجام می‌شود که قابلیت پارتیشن‌بندی فضا و زمان را دارد. بر اساس استانداردها سیستم‌عامل مذکور باید مطابق با ARINC 653 باشد.

در مورد IMR نیز رویکرد مشابهی مورد نیاز خواهد بود. تفکیک سرویس‌های کابین خلبان و مسافران می‌تواند از دو طریق پارتیشن‌بندی نرم‌افزاری یا استفاده از پلتفرم‌های پردازشی متفاوت انجام شود. با این حال توجه به این نکته ضروری است که میزان تحمل‌پذیری خطا در برنامه‌های رادیو نرم‌افزاری کمتر از برنامه‌های فعلی IMA است. مسئله تاخیر باعث محدودیت در تعداد امواج رادیویی می‌شود که می‌توانند از پلتفرم پردازشی مشترک با پارتیشن‌بندی زمانی استفاده کنند.

افزونگی

سازمان‌های نظارتی و مسئول همچون FAA یک حداقل سطح لازم را برای افزونگی تجهیزات اویونیک در نظر گرفته‌اند. این سطح از افزونگی به گونه‌ای است که بروز یک خطا منجر به از دست رفتن هیچ یک از کانال‌های حیاتی مخابرات هواپیما نشود.

در رویکرد معماری توزیع‌شده افزونگی با استفاده از سخت‌افزارها و تجهیزات جداگانه ایجاد می‌شود که نتیجه آن افزایش وزن و حجم سیستم‌ها است. در رویکرد IMR فرصت‌های بیشتر و متنوعی برای ایجاد افزونگی پیش روی طراح قرار دارد که از جمله آن می‌توان به پارتیشن‌بندی فضا و زمان اشاره کرد.

گواهینامه

دریافت گواهینامه یکی از مشکل‌ترین مراحل توسعه سیستم‌های اویونیک است. با این حال اجرای صحیح قوانین و مقررات ذکر شده در استانداردها علاوه بر تسهیل فرایند اخذ گواهینامه، قابلیت اطمینان محصول نهایی را افزایش خواهد داد. هرچند مشخص کردن دقیق استانداردهای مورد نیاز برای توسعه IMR پیچیده و دشوار است، اما می‌توان گفت موارد زیر از مهم‌ترین آن‌ها هستند.

• SAE ARP4754: راهنمای فرایندهای توسعه سیستم‌های اویونیک هواپیماهای غیرنظامی
• DO-178C/ED-12C: ملاحظات نرم‌افزاری در سیستم‌ها و تجهیزات اویونیک هواپیما (در شماره 23 و 24 مجله تشریح شده است)
• DO-248C: گزارش نهایی برای شفاف‌سازی استاندارد DO-178
• DO-254/ED-80: راهنمای تضمین طراحی برای سخت‌افزارهای الکترونیکی هواپیما (در شماره 24 مجله تشریح شده است)
• DO-297: راهنمای توسعه اویونیک ماژولار یکپارچه و ملاحظات دریافت گواهینامه

با این حال با توجه به اینکه استاندارد مشخصی برای IMR تدوین نشده است، یک بررسی دقیق برای مشخص کردن اثرات تغییر معماری سیستم‌های مخابراتی از توزیع شده به ماژولار یکپارچه لازم است.

لینک سریال دیجیتال

همانطور که پیش‌از این گفته شد به دلیل اهمیت مبحث تاخیر در تجهیزات رادیویی، معماری IMR از یک لینک سریال پرسرعت برای ایجاد ارتباط بین بخش گیرندگی و پردازشی استفاده می‌کند. جدول 1 اندازه نرخ بیت نهایی را برای هر سیستم بر اساس نرخ نمونه برداری 16 بیت و دو برابر نمونه‌ برداری بیشتر از پهنای باند آن‌ها (با توجه به قضیه نایکوئیست) نشان می‌دهد.

جدول 1- نرخ بیت مورد نیاز برای لینک دیجیتال پرسرعت

برای برآورده‌سازی این نیازمندی در پروژه ساندرا ابتدا سه نامزد (PCIe، SRIO و CPRI) معرفی و در نهایت لینک سریال CPRI با مشخصات زیر انتخاب شد.

• طراحی اختصاصی آن برای لینک‌های بین بخش گیرندگی و پردازشی سیستم‌های رادیویی
• نرخ بالای انتقال داده تا 6144 مگابیت بر ثانیه
• پشتیبانی از اتصالات الکتریکی و نوری با طول زیاد
• پشتیبانی از قابلیت توزیع مراجع فرکانس
• پشتیباتی از شکل موج‌های رادیویی مختلف
• تضمین تاخیر رفت و برگشتی کمتر از 5 میکرو ثانیه
• پشتیبانی از توپولوژی‌های مختلف همچون حلقه، درختی و زنجیره‌ای

انتخاب کارت پردازنده و FPGA

پلتفرم پردازنده درنظر گرفته‌شده برای پروژه ساندرا یک کارت تجاری مرسوم بازار است که از پردازنده i7 اینتل استفاده می‌کند. این کارت در داخل یک محفظه PCI قرار گرفته و از کارت‌های [5]XMC پشتیبانی می‌کند. این قابلیت باعث می‌شود تا انتخاب یک کارت XMC با تراشه SX95T شرکت زایلینکس نیازمندی به FPGA و پشتیبانی از اتصال CPRI را برآورده کند. در این پروژه کارت پردازنده توسط شرکت Concurrent Technologies و کارت FPGA توسط Innovative Integration تامین شده است.

انتخاب سیستم‌عامل

سیستم‌عامل بلادرنگ QNX به دلیل بهره‌مندی از معماری میکرو-کرنل قوی، پشتیبانی از رابط سیستم‌عامل قابل حمل یونیکس (POSIX)، پشتیبانی از پردازنده‌های چند هسته‌ای، پشتیبانی از پارتیشن‌بندی زمانی و چند قابلیت دیگر، به عنوان سیستم‌عامل موجود روی پلتفرم پردازنده انتخاب شده است. علاوه بر این انتخاب مذکور مسیر را برای دریافت گواهینامه DO-178C نیز هموار می‌کند.

طراحی IMR

شکل 4 طراحی مقدماتی IMR را در پروژه ساندرا نشان می‌دهد. هملانطور که ملاحظه می‌شود در این طراحی دو پلتفرم پردازشی، دو مرجع فرکانسی، سه واحد فرستنده/گیرنده و یک گیرنده به کار رفته است. برای ایجاد اتصال پلتفرم‌های پردازشی با یکدیگر و همچنین با IRها از ارتباط اترنت استفاده شده است. پلتفرم‌ها می‌توانند دو برنامه‌ VHF/VDL2 و BGAN را به طور همزمان یا یک برنامه‌ AeroMACS یا DVB-S2 را اجرا کنند.

در این طراحی افزونگی برای لینک‌های پرسرعت و پلتفرم‌های پردازشی در نظر گرفته شده است. اگر یکی از پلتفرم‌ها که عملیاتی با اولویت بالا را انجام می‌دهد دچار مشکل شود، عملیات اولویت پایین در پلتفرم دوم متوقف و عملیات اولویت بالای پلتفرم اول روی آن آغاز به کار خواهد کرد.

شکل4- طراحی IMR برای پروژه ساندرا

پیاده‌سازی

مرکز طراحی و توسعه شرکت تالس در بریتانیا نسخه اولیه از IMR را در سال 2014 پیاده‌سازی کرد. تالس این محصول را مطابق با طراحی‌های مدنظر پروژه ساندرا آماده و برای انجام تست‌های عملیاتی به مرکز تحقیقاتی هوافضای کشور آلمان تحویل داد. این مرکز نیز تجهیز مورد نظر را در برلین و روی یک هواپیمای ایرباس 320 آزمایش کرده است. گزارشی در رابطه با نتایج این آزمایش منتشر نشده است، اما به گفته مسئولین تالس در صورت مطلوب بودن نتایج، مراحل بعدی توسعه سیستم تدوین و تا سال 2022 میلادی محصول نهایی برای استفاده در هواپیماها آماده می‌شود.

[1] Integrated Modular Avionics

[2] Seamless Aeronautical Networking through integration of Data links Radios and Antennas (SANDRA)

[3] Radio Resource Management

[4] Common Public Radio Interface

[5] Express Mezzanine Card