劉錚 施峻武 唐麒

【摘要】 本文結(jié)合在資源受限的小型化設(shè)備上實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的應(yīng)用需求，在對(duì)SCA核心框架進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)SCA標(biāo)準(zhǔn)級(jí)核心框架的接口冗余、靈活性較差等問(wèn)題，通過(guò)裁剪修改核心框架接口和優(yōu)化接口之間繼承關(guān)系等方式，對(duì)SCA核心框架進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了輕量級(jí)核心框架，提高了核心框架的靈活性。

【關(guān)鍵字】 軟件無(wú)線電 SCA 核心框架 接口

一、引言

軟件無(wú)線電的核心思想是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)，并使用軟件來(lái)描述通信系統(tǒng)中的各模塊功能，通過(guò)在通用硬件平臺(tái)上加載不同軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信制式功能。軟件無(wú)線電克服了傳統(tǒng)通信設(shè)備開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、移植和升級(jí)成本高難度大、兼容性差、組網(wǎng)局限等問(wèn)題，在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了軍方和商業(yè)組織的廣泛研究。

SCA作為一個(gè)比較成熟的規(guī)范，在軟件無(wú)線電研究領(lǐng)域具有廣泛的指導(dǎo)意義。然而由于功能需求的差別，將SCA完整的軟件架構(gòu)移植到小型設(shè)備時(shí)將產(chǎn)生接口冗余和資源浪費(fèi)等問(wèn)題，因此本文針對(duì)小型設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景研究了SCA軟件架構(gòu)的優(yōu)化和裁剪問(wèn)題，通過(guò)對(duì)SCA核心框架的優(yōu)化有效節(jié)省了系統(tǒng)資源，并提高了系統(tǒng)的靈活性。

二、SCA核心框架

SCA的設(shè)計(jì)理念具有硬件通用化、軟件功能化、波形模塊化可移植等特點(diǎn)，是目前軟件無(wú)線電研究的主要參考。SCA規(guī)范將軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)劃分為三大部分：硬件平臺(tái)，軟件平臺(tái)（操作環(huán)境），波形應(yīng)用；軟件平臺(tái)又被分為核心框架、中間件、硬件抽象層、板級(jí)支持包、操作系統(tǒng)等部分。按照SCA規(guī)范，核心框架以一組開(kāi)放的API接口的形式呈現(xiàn)，按照功能可劃分成基本設(shè)備接口、基本應(yīng)用接口、框架控制接口、框架服務(wù)接口四類。

以核心框架為核心構(gòu)造的軟件平臺(tái)是應(yīng)用軟件與底層硬件之間的交互途徑，核心框架通過(guò)開(kāi)放給應(yīng)用層的統(tǒng)一化的接口和服務(wù)，為開(kāi)發(fā)者提供底層軟件和硬件通用功能的高層次抽象和封裝，并為上層應(yīng)用波形提供了標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)規(guī)范。核心框架的設(shè)計(jì)給軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供了可靠的兼容性，軟件平臺(tái)只要提供了核心框架規(guī)定的接口，即可兼容支持各種基于SCA開(kāi)發(fā)的波形應(yīng)用；另一方面，核心框架為波形應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供了廣泛的移植性，按照SCA核心框架的接口定義開(kāi)發(fā)的波形組件，可以移植到所有SCA軟件平臺(tái)上。

目前廣泛應(yīng)用的SCA2.2.2版本給出了支持分布式跨平臺(tái)的通信體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)，然而該版本體系結(jié)構(gòu)為適應(yīng)廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，忽視了具體設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)景的差異性。在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，核心框架經(jīng)常不需要支持完整的功能，不需要實(shí)現(xiàn)所有的操作，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中SCA核心框架的接口只會(huì)部分實(shí)現(xiàn)，其他很多無(wú)需使用的接口會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，冗余而復(fù)雜的接口關(guān)系也會(huì)加大開(kāi)發(fā)難度。但是，由于SCA標(biāo)準(zhǔn)級(jí)核心框架具有固定的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)接口關(guān)系和接口實(shí)現(xiàn)方面有強(qiáng)制性要求，用戶不可避免地面臨上述問(wèn)題，靈活性受到限制。

三、SCA核心框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文針對(duì)SCA應(yīng)用在小型化設(shè)備時(shí)遇到的核心框架靈活性的問(wèn)題，面向輕量級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)核心框架進(jìn)行了優(yōu)化，在保證能夠滿足功能需求的前提下，對(duì)不需要的接口及接口間的關(guān)系進(jìn)行裁剪和調(diào)整，達(dá)到降低系統(tǒng)資源占用和提高系統(tǒng)靈活性的目的。

在改進(jìn)SCA核心框架過(guò)程中，一方面，對(duì)核心框架的各類接口中的冗余接口進(jìn)行裁剪，并修改了設(shè)備和服務(wù)組件的注冊(cè)方式，調(diào)整了相應(yīng)接口的實(shí)現(xiàn)以保證裁剪掉冗余接口后系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；另一方面，使用了選擇性繼承的思想優(yōu)化核心框架靈活性，在細(xì)化接口功能的基礎(chǔ)上調(diào)整了接口間的繼承關(guān)系，將部分接口繼承關(guān)系的選擇權(quán)交給用戶，使用戶實(shí)現(xiàn)時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)核心框架接口進(jìn)行選擇繼承，這種設(shè)計(jì)不僅能提高系統(tǒng)的靈活性，還能減少系統(tǒng)資源占用。

3.1接口的裁剪

小型化設(shè)備通常由單板卡構(gòu)成，功能相對(duì)單一，不需要支持復(fù)雜操作，SCA核心框架應(yīng)用在這樣的環(huán)境中就會(huì)顯得過(guò)于龐大，支持的功能脫離實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)生的接口冗余不僅降低了開(kāi)發(fā)效率還會(huì)加重其資源開(kāi)銷的負(fù)擔(dān)。因此本文在設(shè)計(jì)輕量級(jí)核心框架的過(guò)程中，著重針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)核心框架的接口進(jìn)行了裁剪，以刪除冗余的接口，降低應(yīng)用開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)難度，減少資源開(kāi)銷。主要裁剪內(nèi)容包括：資源管理、設(shè)備管理器和文件服務(wù)的相關(guān)接口等。

首先， SCA設(shè)計(jì)時(shí)為了支持對(duì)復(fù)雜設(shè)備或者說(shuō)設(shè)備組的抽象，在標(biāo)準(zhǔn)級(jí)核心框架的基本設(shè)備接口中提供了聚合設(shè)備（AggregateDevice）接口和父設(shè)備（ParentDevice）接口，用來(lái)描述由多個(gè)功能關(guān)聯(lián)的設(shè)備聚合到一起形成的超設(shè)備。由于小型化設(shè)備上的設(shè)備組件本來(lái)就很少，而且一般都是在處理性能上獨(dú)立的，沒(méi)有使用聚合設(shè)備的需求，為了降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，避免浪費(fèi)，在輕量級(jí)核心框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中裁剪掉了這兩個(gè)接口。

SCA2.2.2規(guī)范中的Device接口提供了用于處理資源分配和回收方面功能的接口函數(shù)（如allocateCapacity和deallocateCapacity等），這些函數(shù)在使用邏輯設(shè)備加載文件和創(chuàng)建進(jìn)程等過(guò)程中應(yīng)用，以描述邏輯設(shè)備的資源占用。

一方面，由于小型化設(shè)備具有單板卡等特點(diǎn)，聚合設(shè)備相關(guān)接口已經(jīng)被裁減掉，沒(méi)有支持跨平臺(tái)跨板卡的設(shè)備資源管理的需求，只需要支持本地的獨(dú)立邏輯設(shè)備的資源管理。

另一方面，實(shí)際硬件設(shè)備種類較為單一，專用處理器（如DSP、FPGA）通常都不具有動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的功能，在對(duì)這類設(shè)備的資源進(jìn)行管理時(shí)只存在已開(kāi)銷和未開(kāi)銷兩種狀態(tài)，因此對(duì)本地單個(gè)設(shè)備的資源管理方式也比較簡(jiǎn)單。因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中將資源管理相關(guān)的接口函數(shù)剪裁掉，核心框架不再負(fù)責(zé)設(shè)備資源的管理，資源的分配和回收全權(quán)交給操作系統(tǒng)來(lái)完成。

其次，對(duì)于框架控制接口，本文優(yōu)化了域管理器的注冊(cè)管理模式。按照SCA2.2.2規(guī)范，每個(gè)板卡上的各設(shè)備組件向該板卡上的設(shè)備管理器注冊(cè)，受該設(shè)備管理器管理，然后各設(shè)備管理器再向域管理器上的管理注冊(cè)器注冊(cè)，受域管理器管理，即設(shè)備組件采用三級(jí)注冊(cè)管理模式。結(jié)合小型化設(shè)備單板卡的特點(diǎn)，域管理器運(yùn)行在唯一的板卡上，設(shè)備管理器一級(jí)的注冊(cè)失去了意義，本文在優(yōu)化中使用域管理器接管設(shè)備管理器的功能，裁剪掉了設(shè)備管理器（DeviceMananger）接口，以及域管理器中與設(shè)備管理器相關(guān)的管理注冊(cè)器（ManagerRegistry）、組件管理器（ComponentManager）和組件工廠（ComponentFactory），各個(gè)設(shè)備組件直接向域管理器注冊(cè)并受其管理。

優(yōu)化后的兩級(jí)注冊(cè)模式的具體實(shí)現(xiàn)方法是：在裁剪后的核心框架中，各設(shè)備服務(wù)組件通過(guò)描述文件直接獲取域管理器上的組件注冊(cè)器的對(duì)象引用，并調(diào)用組件注冊(cè)器的相應(yīng)接口完成注冊(cè)；另一方面，調(diào)整域管理器的相關(guān)接口，域管理器在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候繼承負(fù)責(zé)設(shè)備組件和服務(wù)組件的注冊(cè)和注銷的DomComponentRegistry接口和負(fù)責(zé)波形組件的注冊(cè)注銷的FacComponentRegistry接口，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)等注冊(cè)的功能，并且在設(shè)備、服務(wù)組件注冊(cè)的時(shí)候域管理器還會(huì)將組件的對(duì)象引用記錄在列表中，以后可以訪問(wèn)列表獲取已注冊(cè)設(shè)備、服務(wù)等的對(duì)象引用，起到管理的作用。

最后，框架服務(wù)接口中的File， FileSystem和FileManager提供了一個(gè)構(gòu)建分布式文件系統(tǒng)的框架，可以在SCA系統(tǒng)中支持多個(gè)不同的文件系統(tǒng)，完成文件的遠(yuǎn)程訪問(wèn)、讀寫(xiě)、控制等功能。

然而對(duì)于單板卡的小型設(shè)備，文件系統(tǒng)只有一個(gè)，而且沒(méi)有分布式的處理環(huán)境，也就完全沒(méi)有分布式文件系統(tǒng)的需求，反而冗余的結(jié)構(gòu)還會(huì)使文件系統(tǒng)的使用過(guò)程變得復(fù)雜，給使用者帶來(lái)很多不便。

另外由于一般只有一個(gè)GPP設(shè)備，文件系統(tǒng)的服務(wù)完全可以由GPP上的操作系統(tǒng)來(lái)提供，這樣還可以簡(jiǎn)化很多處理。由于使用的是基于POSIX的操作系統(tǒng)，直接用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不會(huì)對(duì)移植性帶來(lái)很大影響。所以，SCA核心框架中支持文件系統(tǒng)的三個(gè)接口也裁剪掉。

此外接口裁剪還包括在小型化設(shè)備上無(wú)法發(fā)揮作用的一些其他接口，由于篇幅限制不再贅述。

3.2 接口繼承關(guān)系的優(yōu)化

SCA核心框架的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，按照應(yīng)用需求使用UML語(yǔ)言建模，達(dá)到對(duì)象屬性抽象的目的，模型則以一組具有規(guī)則和聯(lián)系的接口的形式呈現(xiàn)給開(kāi)發(fā)者，再以接口為單位，使用IDL文件記錄，IDL文件中的接口保證了核心框架的通用性和可移植性，IDL接口之間的關(guān)系則代表了核心框架的體系結(jié)構(gòu)。IDL接口之間主要有繼承和使用兩種關(guān)系，其中繼承關(guān)系很大程度上影響著接口間的耦合性，對(duì)體系結(jié)構(gòu)的靈活性至關(guān)重要。

在SCA2.2.2規(guī)范設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)核心框架中，為了提高系統(tǒng)的通用性，規(guī)范強(qiáng)制限定了各個(gè)接口之間的繼承關(guān)系，并進(jìn)行了嚴(yán)格封裝，這種設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的耦合性，開(kāi)放給用戶的接口受到限制，核心框架的靈活性受到很大影響。

在實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，用戶經(jīng)常希望根據(jù)功能需求對(duì)核心框架的接口進(jìn)行選擇性實(shí)現(xiàn)，但是由于核心框架對(duì)接口繼承關(guān)系的強(qiáng)制性，用戶在設(shè)計(jì)時(shí)必須仍然要保留所有規(guī)定的接口函數(shù)，對(duì)于無(wú)功能需求的接口函數(shù)的處理方式只能是將其實(shí)現(xiàn)為空。

這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)中存在大量的空接口函數(shù)，不僅限制了系統(tǒng)的靈活性，而且增加了開(kāi)發(fā)者的負(fù)擔(dān)。由于這些接口在實(shí)現(xiàn)中要經(jīng)過(guò)CORBA的IDL編譯器編譯出了樁碼和框架碼，即使實(shí)現(xiàn)為空也會(huì)帶來(lái)內(nèi)存開(kāi)銷，造成系統(tǒng)浪費(fèi)。因?yàn)樾⌒驮O(shè)備通常功能比較單一，不需要支持豐富的操作，所以這種應(yīng)用場(chǎng)景下空接口函數(shù)更會(huì)頻繁出現(xiàn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用了小粒度選擇性繼承的思想對(duì)核心框架的接口繼承關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化，以降低各接口之間的耦合性，提高了核心框架的靈活性。

一方面，對(duì)封裝了較多功能函數(shù)的接口進(jìn)行粒度細(xì)化，按照功能將其分裂成獨(dú)立的接口，每個(gè)接口具有原來(lái)的一部分接口函數(shù)，對(duì)應(yīng)某種功能特點(diǎn)，以解除SCA中接口封裝帶來(lái)的繼承耦合，為選擇性繼承打下基礎(chǔ)。

另一方面，調(diào)整接口間的繼承關(guān)系，取消掉原來(lái)一些強(qiáng)制的繼承關(guān)系，設(shè)計(jì)成可以根據(jù)需要選擇性繼承的結(jié)構(gòu)，在IDL文件中描述接口繼承關(guān)系的時(shí)候使用宏定義的方式，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景通過(guò)開(kāi)關(guān)宏的方式來(lái)選擇需要繼承的接口，避免繼承不需要的接口。最后，將選擇權(quán)交給用戶，不再只提供給用戶集成過(guò)的接口，對(duì)用戶開(kāi)放更多基本接口，并由用戶來(lái)決定選擇繼承這些接口。

這種繼承關(guān)系優(yōu)化方法應(yīng)用在了基本應(yīng)用接口和基本設(shè)備接口兩類接口中。核心框架中的基本應(yīng)用接口是一組描述應(yīng)用組件屬性的接口，應(yīng)用組件可以通過(guò)繼承并實(shí)現(xiàn)這些接口使應(yīng)用組件具備對(duì)應(yīng)操作。

根據(jù)SCA2.2.2規(guī)范，基本應(yīng)用接口包括生命周期（LifeCycle）、端口獲取器（PortSupplier）、可測(cè)試對(duì)象（TestableObject）、屬性集（PropertySet）和資源（Resource）等，并設(shè)定了嚴(yán)格的繼承關(guān)系——Resource接口強(qiáng)制繼承了上述其他接口，具體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)組件再繼承Resource接口，形成了一個(gè)耦合性極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，限制了子類必須繼承父類的相關(guān)操作，即使子類不需要對(duì)應(yīng)功能。

本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先對(duì)接口進(jìn)行細(xì)化，將Resource中的函數(shù)start，stop分離出來(lái)，做成另外的可控制組件（ControllableComponent）接口，并且將Resource中的屬性identifier也獨(dú)立出來(lái)成為新的組件標(biāo)識(shí)符（ComponentIdentifier）接口，另外Port和PortSupplier兩個(gè)接口合并成了端口存取器（PortAccessor）。

其次，改變接口間的繼承關(guān)系，設(shè)計(jì)Resource接口只繼承所有應(yīng)用都必須支持的接口（如LifeCycle），不再?gòu)?qiáng)制繼承其他的功能性接口，而應(yīng)用組件在繼承Resource的同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇性繼承ComponentIdentifier、PortAccessor、ControllableComponent、TestableObject、PropertySet這五個(gè)接口中的若干，接口繼承關(guān)系如圖 1所示。

類似地，基本設(shè)備接口的繼承關(guān)系也按照選擇性繼承的思想進(jìn)行了優(yōu)化，具體設(shè)計(jì)由于篇幅限制不再贅述

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)接口的裁剪和接口間繼承關(guān)系的優(yōu)化對(duì)SCA核心框架進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)核心框架，降低了資源需求和開(kāi)發(fā)難度，有效提高了核心框架的靈活性，使其更適合資源受限的小型化設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Joint Program Executive Office （JPEO） Joint Tactical Radio System （JTRS）.Software Communications Architecture Specification.Version 2.2.2.2006.

[2] Joint Program Executive Office （JPEO） Joint Tactical Radio System （JTRS）.Software Communications Architecture Specification.Version Next.2010.

[3] Joint Program Executive Office （JPEO） Joint Tactical Radio System （JTRS）.Software Communications Architecture Specification.Version 4.0.2012.

[4] 唐麒.小型化軟件通信體系結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn).學(xué)位論文.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，2011.