安全FPGA技術實現(xiàn)無人機通信和控制

單芯片加密技術可在單個 FPGA 中經濟高效地實現(xiàn) UAV 命令和控制系統(tǒng)?？?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程 IC 中的部分重新配置功能可節(jié)省 SWaP-C 成本，因為密度較低、功耗較低的 FPGA 可以托管設計。

在過去幾年中，美國軍方及其盟國越來越依賴無人機（UAV）系統(tǒng)在世界各地執(zhí)行監(jiān)視和戰(zhàn)斗任務。安全通信鏈路對于無人機的運行至關重要，既可以基于任務目標控制無人機，也可以可靠地向地面上的任務控制器提供可操作的數(shù)據。加密和解密是固有的要求，增加了無人機電子封裝的復雜性和成本。但是，通過能夠滿足類型 1 加密要求的單個 FPGA，設計團隊可以利用可重新編程性并實現(xiàn)尺寸、重量、功耗和成本的節(jié)省，這稱為 SWaP-C 節(jié)省。賽靈思和先進通信概念公司 （ACCI） 展示了一種基于 FPGA 的無人機通信和控制系統(tǒng)。

無人機應用依賴于在FPGA中實現(xiàn)的單芯片加密（SCC）設計來保護地面控制站和無人機之間的通信。該實現(xiàn)完全保護了遙測、視頻和控制數(shù)據。該示例系統(tǒng)依靠FPGA部分重新配置的強大功能，在可現(xiàn)場升級的解決方案中提供算法交換，所有這些都在較小的產品占位面積內完成。

Xilinx 與領先的國防解決方案開發(fā)商和主要政府機構合作，開發(fā)了 FPGA 設計流程和驗證流程，使單個 FPGA 能夠滿足 1 類加密要求。滿足1類加密要求的舊方法采用了兩個FPGA，一個用于安全地對設計的未加密部分進行分區(qū)。在單芯片實現(xiàn)中，未使用的邏輯元素用于實現(xiàn)分區(qū)。

設計流程隔離了 FPGA 中處理紅色和黑色數(shù)據以及加密/解密功能的區(qū)域（圖 1）。設計的紅色部分處理未加密的數(shù)據，并且必須與處理加密數(shù)據的部分隔離。SCC在功能上位于紅色和黑色兩側之間。這里描述的無人機示例基于使用 SCC 技術的 Virtex-5 FPGA。

圖 1：類型 1 加密要求在 UAV 系統(tǒng)的加密（黑色）和未加密（紅色）區(qū)域之間進行隔離。

無人機演示

在 MILCOM、Xilinx 和 ACCI 等會議上，賽靈思和 ACCI 展示了一款配備 FPGA 的無人機，可在無人機和加固型、基于筆記本電腦的地面控制站之間提供實時加密的控制、遙測和視頻數(shù)據流（圖 2）。真人版曾在空軍聯(lián)合強行進入演習（JFEX）和SOCOM / NPS戰(zhàn)術網絡拓撲（TNT）演習等活動中飛行。它們正在評估用于各種飛機和系統(tǒng)，包括無人機。

圖 2：ACCI無人機展示了單芯片加密和部分重配置的強大功能。

無人機指揮和控制系統(tǒng)使用帶有集成電源處理器的 Virtex-5 FPGA。該系統(tǒng)只需要FPGA、MEMS加速度計和用于無線通信鏈路的物理層。在開發(fā)該系統(tǒng)時，ACCI 從 SCC 設計流程和 Xilinx 的信息保障技術入手，并添加了一個名為“戰(zhàn)術上牢不可破的安全通信”或 TUCNet 的安全通信層。圖克網絡可以加密任何數(shù)字數(shù)據流。例如，它可以處理視頻、遙測、控制甚至語音數(shù)據包。

出于安全和競爭原因，ACCI不會透露TUCNet的技術細節(jié)。但更廣泛地說，該公司依靠協(xié)議跳躍和加密方案跳躍等功能來提供在任何類型的有線或無線網絡上安全的網絡層。

為了滿足1型要求，ACCI必須根據國防機構的規(guī)范隔離FPGA的每個區(qū)域。利用 Xilinx 的 SCC 方法以及隔離驗證工具 （IVT），ACCI 能夠實施該解決方案，并提供驗證隔離的必要文檔。

最值得注意的是，ACCI在單個FPGA中實現(xiàn)了類型1要求。在 Xilinx 與政府機構合作并驗證 Type 1 加密功能之前，設計需要使用多個 IC 或子系統(tǒng)來隔離紅色和黑色數(shù)據以及在每個數(shù)據上運行的算法。SCC 技術簡化了系統(tǒng)實施，從而節(jié)省了 SWaP-C 的成本。至少，SCC技術從實現(xiàn)中消除了一個FPGA，使托管設計所需的PC板空間減半。功耗和成本不會減半，因為雙芯片實現(xiàn)可能使用了密度稍低的FPGA，但節(jié)省的成本是顯著的，甚至重量也減輕了一小部分。

強化了軟件支持功能的優(yōu)勢

在滿足1類加密認證的所有安全要求的同時，ACCI的FPGA算法和處理實現(xiàn)通過使用動態(tài)部分重新配置，加劇了無人機應用中的SWaP-C優(yōu)勢。Xilinx 在 1 類加密系統(tǒng)上所做的工作證明了即使在動態(tài)重新配置部分 FPGA 時，也能保持紅黑數(shù)據的適當隔離。通過動態(tài)部分重新配置，F(xiàn)PGA不必足夠大來容納所有處理算法。它只需要足夠大，就可以同時容納單個最大的數(shù)據處理算法、主控制算法和SCC實現(xiàn)。

ACCI利用獨特的動態(tài)部分重新配置來增加無人機控制和通信系統(tǒng)的功能，并最大限度地減少這樣做的SWaP-C負擔。該系統(tǒng)具有專有的硬件操作系統(tǒng)（硬件操作系統(tǒng)），該系統(tǒng)在FPGA中是靜態(tài)的。HardwareOS 提供系統(tǒng)資源分配和系統(tǒng)服務功能，這些功能是操作系統(tǒng)在傳統(tǒng)的基于軟件的系統(tǒng)體系結構中提供的。

無人機系統(tǒng)依賴于ACCI開發(fā)的應用程序或算法加速器庫。除了安全功能外，支持 TUC 的算法加速器還支持無人機上的遙測和視頻數(shù)據流的實時操作以及數(shù)據轉碼功能。例如，如果 UAV 處于傾斜轉彎狀態(tài)，則視頻幀會因 UAV 幀的俯仰角和滾動角度以及攝像機平移和傾斜設置而水平失真。這個問題是通過動態(tài)加載和運行算法來實時“反向旋轉”視頻幀到正確的方向來解決的。

TUC系統(tǒng)還將數(shù)字視頻從RS-170格式轉碼為MPEG-2和H.264格式等。然后，系統(tǒng)將轉碼后的視頻與來自自動駕駛儀和其他機載傳感器的遙測數(shù)據組合到 MPEG 傳輸流中，該傳輸流可正確模擬 Predator 數(shù)據下載格式。這允許當前處理捕食者格式數(shù)據流的任何系統(tǒng)使用無人機數(shù)據。所有數(shù)據流都經過加密，以便進行地面?zhèn)鬏敗?/p>

系統(tǒng)可以將傳輸?shù)綗o人機的每個數(shù)據包或捕獲的遙測或視頻數(shù)據的每個數(shù)據包加載到FPGA上的靜態(tài)塊RAM（BRAM）中，然后根據需要將任何所需的算法序列動態(tài)應用于每個數(shù)據包。借助 TUC 硬件加速，視頻穩(wěn)定、水平校正、Predator 格式轉碼、傳輸流打包和加密的整個幀處理可在不到 12 毫秒的時間內完成。從相機到每秒30幀的速度，幀之間有33毫秒可用，從而為未來計劃的增強功能提供了充足的處理資源，例如自動目標跟蹤和直接自動駕駛儀控制。

動態(tài)部分重新配置

雖然使用SCC流來幫助維持類型1的要求，但使用動態(tài)部分重新配置的真正優(yōu)勢是顯而易見的：系統(tǒng)每秒可以重新配置FPGA超過100，000次。此外，F(xiàn)PGA架構中固有的數(shù)據流和并行處理可最大限度地減少延遲，并實現(xiàn)實時操作，以優(yōu)化收集的數(shù)據以傳輸?shù)降孛嬲?。ACCI系統(tǒng)對預處理的數(shù)據進行加密，并將安全數(shù)據傳輸?shù)降孛婵刂普尽Ｑ菔局惺褂玫墓P記本電腦解密數(shù)據并將其呈現(xiàn)給用戶。

部分重新配置功能允許 ACCI 利用集成了 PowerPC 的最小、堅固耐用的國防級 Virtex-5 系列成員，從而節(jié)省了更多成本。所選的 XQ5VFX70T 器件包括 11，200 個可配置邏輯模塊 （CLB） 和一個電源控制核心。在沒有部分重新配置的情況下，該設計需要更大的FPGA，這將花費更多成本并使用更多功率。例如，這可能意味著在Virtex-5Q系列中較小的產品和下一個較大的產品之間，靜態(tài)靜態(tài)功耗可節(jié)省5倍。

ACCI 和 Xilinx 正在開發(fā)新版本的無人機演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用國防級 Virtex-6 系列，并進一步增強 SWaP-C 的優(yōu)勢。與具有類似數(shù)量 CFB 的 Virtex-5 FPGA 相比，Virtex-6 FPGA 的功耗降低了 50%。此外，Virtex-6 系列采用 45 nm 工藝技術制造，而 Virtex-5 系列采用 65 nm 工藝制造。新版本的無人機系統(tǒng)不需要具有集成PowerPC硬核的FPGA，而是通過使用軟核MicroBlaze處理器來進一步節(jié)省成本。

審核編輯：郭婷