Latenzzeiten reduzieren

Multicore-DSPs, die mit viel dezentralisierten Echtzeit-Verarbeitungsfunktionen ausgestattet sind, über viel Speicher verfügen und zusätzlich eine große Inter- Chip- und Intra-Chip-Bandbreite bieten, können die Latenzzeiten bei der Analyse und Kategorisierung von Bildern gravierend reduzieren. Als wirklich kritisch kann sich dies beim Einholen von Echtzeit-Antworten des Entscheiders am Boden erweisen, wenn eine unmittelbar bevorstehende Bedrohung erkannt wurde. Ist für die weitere Analyse nur die verlustfreie Übermittlung der Bilder an die Bodenstation erforderlich, sorgen fortschrittliche Codecs wie z.B. JPEG2000 für bestmögliche Bildqualität und kurze Latenzzeiten und vermeiden Abhängigkeiten zwischen den Frames. Multicore-DSPs verleihen UAV-Designern die Fähigkeit zur schnellen und effizienten Implementierung von Codecs wie etwa JPEG2000 in die Software. Ebenso kann jedoch mit fertigen, bewährten Bausteinen begonnen werden, wie man sie in Vision-, Imaging- und Signalverarbeitungs-Bibliotheken vorfindet. Wenn es um Full-Motion-Videos geht, bringt der Einsatz eines Multicore-DSPs abgesehen von der Unterstützung bestehender Videostandards wie H.264 einen zusätzlichen Vorteil mit sich. Die Programmierbarkeit eines solchen Bausteins nämlich erlaubt nicht nur die Unterstützung proprietärer Videoformate, sondern auch neuer Standards wie H.265. Eine weitere wichtige Überlegung betrifft die I/O-Bandbreite und die Fähigkeit zur Unterstützung komprimierter, in Pakete verpackter Videos. Da ein typisches HD-Video eine Datenrate bis zu 10MBit/s benötigt, sollte ein zur Übertragung mehrerer komprimierter Videokanäle genutztes Ethernet-Interface mindestens Gigabit Ethernet (besser mehr) unterstützen. Dennoch ist GigE keineswegs die einzige Option für die Videoübertragung, denn auch PCIe und RapidIO sind für breitbandige Videoverbindungen bestens geeignet. Werden beispielsweise PCIe-Lanes zur Übertragung von Videos verwendet, kann jedes PCIe Gen2 immerhin 5Gbit/s an Daten übertragen, was für vier 1080i60-Kanäle, 24 D1-Kanäle oder mehr als 300 QCIF-Kanäle mit 30 Frames pro Sekunde (fps) ausreicht. Der für Embedded-Systeme konzipierte RapidIO-Standard unterstützt einen größeren Umfang an Nutzdaten und erlaubt die Konfiguration eines nahtlosen, skalierbaren Geflechts aus Verarbeitungsressourcen für Video und Bilddaten.

Erheblich präzisere Resultate

Eine weitere Anwendung an Bord von UAVs ist das Radar. Meist kommt das so genannte Synthetic Aperture Radar (SAR) als zusätzlicher Mechanismus zur Erkennung solcher Objekte zum Einsatz, die von elektro-optischen oder im Infrarotbereich empfindlichen Kameras nicht erfasst werden. Im Verbund mit einem System zur Erkennung beweglicher Bodenziele (Ground Moving Target Indicator – GMTI) können Systeme dieser Art Vorteile bei der Lokalisierung und Verfolgung von Zielen beispielsweise in Wüsten oder dichten Wäldern sowie bei ungünstigen Wetterbedingungen (z.B. bei Regen oder Nebel) bieten. Die erheblich präziseren Resultate, die von derartigen Systemen gefordert werden, sorgen zusammen mit der Notwendigkeit eines größeren Dynamikbereichs dafür, dass sich solche Funktionen auf einem Gleitkomma-Prozessor mit wesentlich größerer Leistungsfähigkeit implementieren lassen. Schnelle Fourier-Transformationen (Fast Fourier Transform – FFT) mit variabler Array-Größe und in Gleitkomma-Technik, die von entscheidender Bedeutung für die SAR-Verarbeitung sind, lassen sich mit fortschrittlichen Multicore-DSPs hervorragend verarbeiten. Einige Multicore-DSPs empfehlen sich aufgrund ihrer Architektur außerdem als äußerst effizienter Mechanismus für „Corner Turns“ bzw. das Transponieren von Matrizen, was einen beträchtlichen Teil effizienter SAR-Algorithmen ausmachen kann. Ein kritisches Subsystem eines UAV ist die Kommunikationsverbindung. Sie stellt einen bidirektionalen Kommunikationskanal geringer Datenrate für die Übertragung von Befehlen und Statusmeldungen zur Verfügung und richtet zusätzlich einen Kanal mit hoher Datenrate ein, der für SIGINT, Video und Radar genutzt wird. Die Datenverbindung sollte über Schutzmaßnahmen gegen Störsender, Interferenzen, Abhören, Strahlung usw. verfügen. Hohe Priorität hat außerdem die ununterbrochene Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung, die deshalb auch bei fehlender Sichtverbindung funktionieren und neben mehreren Frequenzbändern und Wellenformen noch weitere Techniken zur Kapazitäts- und Reichweitensteigerung nutzen muss. DSPs werden bereits seit langer Zeit in der kommerziellen Kommunikation eingesetzt, speziell wenn es um die Einrichtung sicherer, latenzarmer und echtzeitfähiger Kommunikationsverbindungen geht. Die Bauelemente eignen sich bestens für UAV-Kommunikationslösungen, die proprietäre Kanäle geringer Bandbreite ebenso unterstützen müssen wie kommerzielle Breitband-Luftschnittstellen wie LTE, WCDMA und WiMAX.

Einfache Rekonfiguration des Systems

Multicore-DSPs erlauben darüber hinaus eine einfache Rekonfiguration des Systems mithilfe eines einfachen, meist auf C basierenden Programmiermodells. Es gibt heutzutage Multicore-Prozessoren mit einer guten Kombination aus softwareprogrammierbaren Cores und Hardwarebeschleunigung, die den hohen Anforderungen solcher Kommunikationssysteme auf kosteneffektive Weise gerecht werden. Angesichts der knapper werdenden Budgets auf dem Wehrtechnik-Sektor trägt der Einsatz von Multicore-DSPs außerdem zum Schutz der Software-Investitionen bei, indem für Kompatibilität und Portierbarkeit gesorgt wird. Günstig ist in dieser Hinsicht auch der Einsatz von offenen Tools (z. B. des GNU C-Compilers), offenen Betriebssystemen wie etwa Linux und eines offenen Multicore-Programmiermodells wie OpenMP. Bei den heutigen Multicore-DSPs geht es ebenso um die Integration von Komponenten mit dem Ziel, Platz, Gewicht, Kosten und Verlustleistung zu sparen, wie um die Entwicklung hochleistungsfähiger Systeme. Multicore-DSPs reduzieren nicht nur die Leistungsaufnahme, sondern bieten den Designern von UAV-Systemen auch die Möglichkeit zur hocheffizienten und skalierbaren Implementierung von Vision-, Video- und Radarfunktionen. Die Tatsache, dass Multicore-DSPs außerdem eine sichere und flexible Kommunikationsverbindung bereitstellen können, dürfte zusätzlich dafür sorgen, dass diese Bauelemente eine immer wichtigere Rolle in heutigen und künftigen UAVs spielen.