張海燕， 叢 鍵

（西南通信技術(shù)研究所，四川 成都 610041）

0 引言

戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)作為機(jī)步師、快反旅等戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中用于構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的主要通信裝備，長(zhǎng)期以來(lái)都獲得高度重視和重點(diǎn)發(fā)展。借鑒美軍戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的裝備體系建設(shè)規(guī)劃和技術(shù)演進(jìn)路線，新型戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的發(fā)展趨向于在通用化的電臺(tái)硬件平臺(tái)上集成多種通信模式、覆蓋更寬頻段、支持多種用途并具備先進(jìn)的安全保密和抗干擾能力。

在戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信的使用環(huán)境中，通常缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，因此具有自組織、自愈合的移動(dòng)自組網(wǎng)功能，是新型電臺(tái)需要具備的基本能力，具體包括：支持路由、中繼、網(wǎng)關(guān)等多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、組播、廣播多種網(wǎng)絡(luò)通信模式、能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)、退網(wǎng)、重入網(wǎng)；能支持子網(wǎng)內(nèi)、子網(wǎng)間動(dòng)態(tài)路由；能夠動(dòng)態(tài)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由機(jī)制和帶寬分配等。

由于無(wú)線電信號(hào)的傳播特點(diǎn)，無(wú)線通信部分是戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中較容易入侵的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的基于業(yè)務(wù)流的加密技術(shù)已無(wú)法滿足新型電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的安全保密需求。本文重點(diǎn)參照 JTRS系列電臺(tái)的設(shè)計(jì)思想，基于SCA的紅黑隔離機(jī)制，設(shè)計(jì)一種具有安全保密功能的新型電臺(tái)以滿足戰(zhàn)術(shù)通信安全保密的組網(wǎng)應(yīng)用需求。

1 美軍JTRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從JTRS的設(shè)計(jì)目標(biāo)[1]來(lái)看，與民用通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展思路近似，即通過(guò)減少網(wǎng)絡(luò)體系中節(jié)點(diǎn)的種類（JTRS是通過(guò)讓同一種設(shè)備能夠承擔(dān)更多的應(yīng)用功能來(lái)達(dá)到這一目標(biāo)），來(lái)構(gòu)造一個(gè)扁平化的、全I(xiàn)P的、具有全球無(wú)縫覆蓋能力的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]。

JTRS的應(yīng)用場(chǎng)景中主要包括以下要素：

1）海上單位通過(guò)AMF-M或MIDS-J經(jīng)衛(wèi)星連接到空中平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)到GIG的接入。

2）陸地單位GMR與HMS通過(guò)WNW、SRW構(gòu)建若干個(gè)子網(wǎng)，并經(jīng)過(guò)AMF-SA/空中平臺(tái)或經(jīng)過(guò)UHF SATCOM實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間的互聯(lián)以及接入到GIG。

3）覆蓋范圍：WNW/SRW 用于構(gòu)建小范圍的局域網(wǎng)絡(luò)；WNW 用于為局部地理范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)互連，提供干線傳輸支撐；JAN-TE、UHF SATCOM、Link16用于實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)互連；MUOS用于實(shí)現(xiàn)GIG的全球覆蓋目標(biāo)。

JTRS部署應(yīng)用典型場(chǎng)景[3]如圖1所示。

JTRS系統(tǒng)由一系列具有覆蓋較寬頻率范圍、具有MANET路由選擇能力、基于SCA架構(gòu)的SDR系列電臺(tái)構(gòu)成。JTRS計(jì)劃是以增量的方式[4]推進(jìn)，處于每一層網(wǎng)絡(luò)體系上的電臺(tái)部署的波形都是具備MANET能力的組網(wǎng)波形，每種組網(wǎng)波形不僅能完成戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中某一特定作戰(zhàn)需求，而且為基于IP的業(yè)務(wù)提供通用傳輸能力。目前，按照 JTRS 演進(jìn)步驟已基本完成WNW、SRW、MUOS及JAN_TE四種波形在不同的 JTRS的各域上的功能、性能驗(yàn)證工作，已完成驗(yàn)證的 JTRS中的電臺(tái)及組網(wǎng)波形類型如表1所示。

表1 已完成驗(yàn)證的電臺(tái)及組網(wǎng)波形

2 兩款典型新型電臺(tái)[4]網(wǎng)絡(luò)特性分析

（1）AN/PRC-155電臺(tái)

JTRS HMS項(xiàng)目中的MP背負(fù)式電臺(tái)（AN/PRC-155）是第一種支持雙信道的SDR戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)，具備滿足“網(wǎng)絡(luò)中心”要求的連通性和與現(xiàn)役電臺(tái)的互操作性能力。AN/PRC-155安裝了兩種先進(jìn)波形：SRW、MUOS（移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)）。AN/PRC-155電臺(tái)配置了SRW波形后具備的通信性能如表2所示。

表2 配置SRW波形的AN/PRC-155電臺(tái)通信性能

（2）JTRS GMR

GMR（AN/VRC-107）是為 JTRS提供區(qū)域范圍的一種骨干通信手段來(lái)設(shè)計(jì)的，也是JTRS中最重要的項(xiàng)目計(jì)劃之一，GMR重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是互操作性、組網(wǎng)能力、自適應(yīng)能力與靈活性。GMR支持的波形包括：WNW、SRW、UHF SATCOM等。JTRS GMR電臺(tái)配置了WNW波形后具備的通信性能如表3所示。

表3 配置WNW波形的AN/PRC-155電臺(tái)通信性能

3 新型電臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

新型電臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考美軍 JTRS系統(tǒng)電臺(tái)，均采用SCA系列版本(SCA2.2及SCA2.2.2)[5]作為其系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。SCA強(qiáng)調(diào)通過(guò)多波形的集成能力，使新型電臺(tái)具備良好的多用途工作能力，并提升無(wú)線通信應(yīng)用中的互操作能力。同時(shí)，由于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，SCA對(duì)于通信安全保密性能相對(duì)其他方向有更高的要求，SCA規(guī)范的電臺(tái)體系架構(gòu)如圖2所示。

基于SCA規(guī)范的電臺(tái)軟件體系架構(gòu)將傳統(tǒng)電臺(tái)軟件設(shè)計(jì)從應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)演變?yōu)榉謱釉O(shè)計(jì)，即分解為電臺(tái)操作環(huán)境（OE，Operation Environment）和組網(wǎng)波形。

3.1 電臺(tái)操作環(huán)境（OE）[6]

新型電臺(tái)與傳統(tǒng)電臺(tái)軟件相比增加了 OE用于電臺(tái)的運(yùn)行管理及波形的實(shí)現(xiàn)。新型電臺(tái)的 OE由操作系統(tǒng)、消息機(jī)制、核心框架構(gòu)成。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層為上層的應(yīng)用(包括核心框架和波形應(yīng)用)提供多線程支持。為了實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用的可移植性，SCA規(guī)范都要求有標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)接口，作為操作系統(tǒng)服務(wù)的提供者。另外，操作系統(tǒng)為上層應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件訪問(wèn)接口，屏蔽了底層硬件的異構(gòu)性。

消息機(jī)制為波形應(yīng)用部署在軟件平臺(tái)的部分提供與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的統(tǒng)一消息機(jī)制，在新型電臺(tái)上主要采用三種消息機(jī)制，分別是：

1）GPP類處理器間的輕量級(jí)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（light weight Remote Procedure Call，lwRPC），通過(guò)lwRPC可以充分利用非共享內(nèi)存的多處理器環(huán)境（如通過(guò)公共總線或者rapidIO交換），在傳輸層上實(shí)現(xiàn)了一種邏輯的客戶／服務(wù)器通信方法。

2）用于GPP和CE（處理單元）間通信的MHAL，MHAL是對(duì)SCA規(guī)范的一個(gè)補(bǔ)充，只用于GPP與CE類信號(hào)處理芯片的波形組件通信。MHAL能通過(guò)復(fù)制的實(shí)現(xiàn)來(lái)重定向數(shù)據(jù)流，從而在波形啟動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)配置處理器上的資源。重定向數(shù)據(jù)鏈和可重新配置的能力對(duì)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)和QoS功能的系統(tǒng)十分重要。

3）GPP內(nèi)部通信機(jī)制，采用共享內(nèi)存、消息機(jī)制等提供GPP內(nèi)部組件間的高效信息交互。

3.2 組網(wǎng)波形

新型電臺(tái)的波形采用IP標(biāo)準(zhǔn)的分組交換設(shè)計(jì)，采用IPv4配合安全保密模塊共同使用的方式確保無(wú)線戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)的安全。新型電臺(tái)采用MANET組網(wǎng)協(xié)議及技術(shù)，其信息分組的格式、路由與信令協(xié)議應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、無(wú)線傳輸鏈路帶寬受限、電磁環(huán)境惡劣、易受到干擾和攻擊等特點(diǎn)的要求。

組網(wǎng)波形針對(duì)自組織/自愈合的MANET的新型電臺(tái)應(yīng)用模式，涵蓋了TCP/IP模型的全部?jī)?nèi)容，含多個(gè)功能實(shí)體，包括：RF、Modem、數(shù)據(jù)鏈路、子網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)互連、INFOSEC（安全保密）、子網(wǎng)間移動(dòng)互連等。

新型電臺(tái)的組網(wǎng)波形設(shè)計(jì)采用軟件無(wú)線電（SDR）混合無(wú)線協(xié)議棧架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，波形具有可移植性、可重用性優(yōu)點(diǎn)。符合SCA規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波形組件，使不同的通信制式、通信協(xié)議可以通過(guò)使用或繼承的方式。基于軟件無(wú)線電方便的將這些波形組件加載到無(wú)線綜合傳輸系統(tǒng)中，既支持現(xiàn)役的各種通信波形技術(shù)，同時(shí)又可以添加和擴(kuò)展新的波形技術(shù)。

圖2 SCA規(guī)范定義的電臺(tái)體系架構(gòu)

波形軟件設(shè)計(jì)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1）平臺(tái)與波形相獨(dú)立，且具有良好的開放性，波形支持動(dòng)態(tài)部署，且只需要少量的移植代價(jià)就可以重新部署到新的平臺(tái)。

2）在 GPP類具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支撐的操作環(huán)境中，設(shè)計(jì)符合SCA規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波形組件，該類波形組件完成波形裝配控制及波形應(yīng)用層及網(wǎng)絡(luò)層的功能，不同波形的應(yīng)用層及網(wǎng)絡(luò)層相似的部分可以通過(guò)組件的方式相互繼承。

3）在DSP類具有BIOS操作系統(tǒng)的操作環(huán)境中，按照 MANET無(wú)線協(xié)議棧分層思想設(shè)計(jì)波形數(shù)據(jù)鏈路層和物理層部分波形，不同波形的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，DSP類軟件的加載通過(guò)GPP處理器統(tǒng)一部署。

4）對(duì)FPGA類對(duì)信號(hào)處理實(shí)時(shí)性要求高的處理器，其軟件設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)信號(hào)收發(fā)處理，F(xiàn)PGA類軟件的加載通過(guò)GPP處理器統(tǒng)一部署。

4 新型電臺(tái)采用的安全策略

新型電臺(tái)采用三種機(jī)制保障新型電臺(tái)在無(wú)線上的安全應(yīng)用，三種機(jī)制分別涉及新型電臺(tái)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)策略三個(gè)方面。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

電臺(tái)硬件設(shè)計(jì)按照SCA規(guī)范紅黑隔離的需求設(shè)計(jì)，紅邊數(shù)字電路和黑邊數(shù)字電路中間由加密模塊完全隔開，加密前數(shù)字電路稱為紅邊硬件，加密后數(shù)字電路稱為黑邊硬件。紅邊硬件部分包括電臺(tái)應(yīng)用接口、紅邊數(shù)字硬件；黑邊硬件部分包括：黑邊數(shù)字硬件、黑邊AD/DA、射頻處理。

采用紅黑隔離機(jī)制的新型電臺(tái)硬件設(shè)計(jì)如圖 3所示。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)遵照SCA規(guī)范紅、黑架構(gòu)，紅、黑邊軟件平臺(tái)之間的通道通過(guò)安全保密模塊隔離[7]，紅邊、黑邊軟件平臺(tái)分別外掛文件系統(tǒng)，應(yīng)用波形部署在DSP及FPGA的軟件分別通過(guò)紅、黑邊軟件平臺(tái)加載。紅邊軟件平臺(tái)完成上電加載后的軟件平臺(tái)系統(tǒng)牽引，紅邊軟件平臺(tái)的域管理器完成對(duì)平臺(tái)內(nèi)所有設(shè)備及資源的部署及配置管理。紅邊軟件平臺(tái)及黑邊軟件平臺(tái)分別部署獨(dú)立的設(shè)備管理器對(duì)其紅、黑邊內(nèi)所有硬件設(shè)備進(jìn)行。紅黑隔離的軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

應(yīng)用波形的軟件設(shè)計(jì)采用協(xié)議棧分層設(shè)計(jì)的思想，在紅/黑邊分別不同的處理器上分別部署應(yīng)用波形的各層實(shí)現(xiàn)，波形軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)容包括：紅邊網(wǎng)絡(luò)層處理（部署在紅邊GPP）、黑邊網(wǎng)絡(luò)層處理（部署在黑邊GPP）、數(shù)據(jù)鏈路層處理（部署在黑邊GPP）、物理層處理（部署在黑邊DSP及黑邊GPP）[8]。

4.3 新型電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)安全策略

基于SCA紅黑隔離的體系架構(gòu)為安全保密的組網(wǎng)波形實(shí)現(xiàn)提供了一種途徑。組網(wǎng)波形的路由分兩部分：①紅邊路由：無(wú)線子網(wǎng)間路由，子網(wǎng)間路由及路由表的維護(hù)在紅邊完成；②黑邊路由：子網(wǎng)內(nèi)路由，子網(wǎng)內(nèi)路由及子網(wǎng)路由表的維護(hù)在黑邊完成。

黑邊的子網(wǎng)路由主要面向無(wú)線信道的子網(wǎng)內(nèi)通信，當(dāng)IP數(shù)據(jù)包只需要在無(wú)線子網(wǎng)內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可以不經(jīng)過(guò)安全保密模塊解密及紅邊路由直接在黑邊從一個(gè)無(wú)線子網(wǎng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)到組網(wǎng)內(nèi)另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)IP數(shù)據(jù)包已到達(dá)目標(biāo)電臺(tái)或者需要在紅邊做網(wǎng)間中繼時(shí)才需要將加密數(shù)據(jù)包通過(guò)安全保密模塊解密后送入紅邊完成網(wǎng)間中繼功能或者IP數(shù)據(jù)到達(dá)紅邊配接業(yè)務(wù)終端功能。

5 結(jié)語(yǔ)

基于軟件無(wú)線電架構(gòu)、具備寬頻段覆蓋和多用途特點(diǎn)、支持MANET的組網(wǎng)波形是新一代戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)主要的技術(shù)發(fā)展與功能演進(jìn)方向，因此通過(guò)軟件通信架構(gòu)、寬頻段射頻前端、寬帶無(wú)線傳輸、移動(dòng)?xùn)鸥窕越M網(wǎng)等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和綜合集成，實(shí)現(xiàn)通信保障能力明顯提升的新型戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)，是構(gòu)建面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的下一代戰(zhàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要途徑。

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