余秀美　黃耕文

(廣州海格通信集團股份有限公司　廣州　510656)

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關(guān)于軟件無線電技術(shù)軍事化應用思考*

余秀美黃耕文

(廣州海格通信集團股份有限公司廣州510656)

摘要隨著軟件無線電技術(shù)的逐漸成熟，尤其是美軍JTRS計劃研制的新型電臺已陸續(xù)裝備到部隊，業(yè)內(nèi)提出將軟件無線電技術(shù)應用于下一代裝備的呼聲也日益高漲。自20世紀末就開始對軍用軟件無線電技術(shù)的跟蹤和研究，并通過多種不同類型項目的研發(fā)，已突破和掌握了其中的關(guān)鍵技術(shù)，也制訂出一系列的標準，并研制了多款樣機，但若要將軟件無線電技術(shù)應用于實際裝備，還有一些工程問題亟需解決。論文針對軟件無線電的設備系統(tǒng)頂層架構(gòu)設計、波形應用軟件的組件化設計以及設備工程化開發(fā)流程等問題進行了探討，并提出相關(guān)的解決思路。

關(guān)鍵詞軟件無線電; 軟件通信體系結(jié)構(gòu); 軍事化應用

Class NumberTN92

1引言

軟件無線電起源于軍事領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)靈活性的特殊需要，自20世紀90年代就已經(jīng)明確提出了完整的軟件無線電概念和體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電技術(shù)的核心思想是設計實現(xiàn)一個具有開放的、標準化的、模塊化的通用硬件平臺，將各種通信功能如調(diào)制解調(diào)方式、工作頻段、信道接入方式、業(yè)務種類、通信協(xié)議、加密方式、可編程射頻前端等用軟件的方式來實現(xiàn)，通過加載不同的波形軟件實現(xiàn)不同的通信需求及功能。為了達到該目標，美軍推出了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)計劃。該計劃以軟件無線電和模塊化為主要設計思想，通過制訂系統(tǒng)頂層設計規(guī)范——軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范[1～2](簡稱SCA)，包括設備的軟、硬件體系架結(jié)構(gòu)及波形接口規(guī)范，實現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)無線通信裝備中軟件組件配置、管理、互聯(lián)互通的標準化。目前SCA規(guī)范已經(jīng)成為國際上軍用無線通信的事實參考標準，各國都以該規(guī)范為基礎(chǔ)，進行相關(guān)的研究與應用。我國從20世紀90年代就開始跟蹤研究軟件無線電技術(shù)，并通過一系列的項目研制已突破和掌握了其中的關(guān)鍵技術(shù)。但過去往往偏重于核心框架、中間件及波形應用等關(guān)鍵技術(shù)的突破，而要將軟件無線電技術(shù)應用于實際裝備，并獲取軟件無線電技術(shù)應用帶來的設備的功能性能等方面的好處，不僅需要掌握關(guān)鍵技術(shù)，還需要進一步解決工程化應用所引入的問題，以下將針對這些問題進行逐一的探討。

2關(guān)于軟件無線電設備的系統(tǒng)頂層架構(gòu)設計

SCA規(guī)范通過提煉各種無線通信系統(tǒng)的共同屬性，采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設計和分析方法對各部分的組成、層次劃分以及互連方式進行了描述，從而使其涵蓋了各種特定的應用領(lǐng)域。SCA是一套適用于軟件可編程電臺的法則、方法和設計標準，它獨立于系統(tǒng)實現(xiàn)，促進了設備的軟件和硬件的可移植性和可配置性。但對于具體應用，還需要考慮更多設備相關(guān)的要素，本文將針對設備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計作探討，并提出參考模型，并設想在艦載通信系統(tǒng)上應用的組成結(jié)構(gòu)。

2.1軟件無線電設備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)參考模型

軟件無線電的主要目的是實現(xiàn)通信功能軟件化，且可以通過加載不同的波形軟件實現(xiàn)不同的通信需求和功能。SCA規(guī)范的軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)范主要規(guī)定了操作系統(tǒng)的API、傳輸機制要求以及核心框架軟件的接口以及功能要求，為軟件無線電設備提供了節(jié)點、波形應用管理、配置以及組件間接口互聯(lián)的通用結(jié)構(gòu)。當前業(yè)內(nèi)基于SCA規(guī)范研究，并開發(fā)相關(guān)的樣機，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)可基本參照SCA的軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)范的規(guī)定[2]，如圖1所示，主要由通用硬件平臺、軟件平臺(也稱作操作環(huán)境)，構(gòu)成基礎(chǔ)平臺，在此基礎(chǔ)平臺上可加載不同的波形應用。

圖1　標準的SCA組成

但對于具體的無線電設備而言，圖1所示的系統(tǒng)組成，還無法充分地體現(xiàn)具體設備系統(tǒng)所需要的軟件，比如人機交互、系統(tǒng)應用等。為此JTRS的安全附錄中[3]提出了如圖2的設備系統(tǒng)軟件功能層次圖。

圖2　設備體系結(jié)構(gòu)功能層次

圖2更完整地描述設備系統(tǒng)的軟件組成，其中核心框架、系統(tǒng)應用、實時操作系統(tǒng)、中間件、BSP及設備驅(qū)動、硬件和總線結(jié)構(gòu)組成了設備的基本平臺；操作系統(tǒng)及中間件為系統(tǒng)應用、波形應用及核心框架提供服務；系統(tǒng)應用與核心框架、波形應用及人機界面有接口；波形應用還需要與核心框架交互；此外，下一代電臺將成為無線網(wǎng)絡節(jié)點的一部分，可能還需要相關(guān)的網(wǎng)絡協(xié)議軟件和安全軟件等。

針對上述問題，并參照圖2的設備系統(tǒng)功能層次，提出了如圖3所示的軟件無線電設備的系統(tǒng)軟件組成的參考方案，其中，系統(tǒng)管理模塊作為設備的管理核心模塊，它接收顯控單元和網(wǎng)管數(shù)據(jù)，用作系統(tǒng)控制管理三個管理代理，根據(jù)具體管理目標，分發(fā)控制與數(shù)據(jù)到硬件平臺管理代理、軟件平臺管理代理及波形管理代理。

圖3各個組成單元的詳細描述如下:

?硬件平臺的管理代理:主要是針對硬件板卡進行管理，如硬件加電自檢、故障檢測與報告等；

?軟件平臺的管理:經(jīng)過核心框架的域管理接口，對軟件平臺各個節(jié)點的組件進行管理、控制、屬性配置等；

?波形應用管理:同樣通過核心框架的域管理器接口，實現(xiàn)波形應用的加載、卸載、啟動、停止、屬性配置、屬性查詢等。

另外，系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應端口的邏輯設備，統(tǒng)一匯集到業(yè)務數(shù)據(jù)分發(fā)服務組件與具體波形應用組件進行交互，考慮到經(jīng)網(wǎng)口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)既有業(yè)務數(shù)據(jù)，也有對設備進行控制與管理的數(shù)據(jù)等，設計了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分發(fā)處理模塊，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和用途進行數(shù)據(jù)的分發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)，如業(yè)務數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務數(shù)據(jù)分發(fā)服務模塊，對于網(wǎng)管數(shù)據(jù)，則分發(fā)到網(wǎng)管代理模塊，其它類型網(wǎng)絡數(shù)據(jù)將根據(jù)實際需要進行相關(guān)的處理。

圖3　軟件無線電設備的系統(tǒng)軟件參考組成

根據(jù)圖3的系統(tǒng)軟件組成，基于分層的體系結(jié)構(gòu)模式，按照軟件通信體系規(guī)范，可設計如圖4所示的軟件無線電設備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖4　軟件無線電設備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的參考模型

由圖4可知，對于一個完整軟件無線電設備系統(tǒng)除了需要包含軟件通信體系結(jié)構(gòu)中所定義的軟件單元，還需要一些更高層的系統(tǒng)管理、信息安全等方面的功能單元，這些功能單元并未標準化，需要根據(jù)實際設備特點進行相關(guān)的設計。

2.2基于軟件無線電的艦載通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設想

根據(jù)資料顯示[4]，外軍已將軟件無線電技術(shù)應用于艦船設備，構(gòu)成了完全集成的通信系統(tǒng)，可以有效地解決艦載通信系統(tǒng)中各類電臺繁多、功能單一、靈活性差等問題。本文將根據(jù)圖4所提出的設備系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，設想基于軟件無線電的艦載通信系統(tǒng)軟件組成。

艦載無線通信系統(tǒng)一般需要支持短波、超短波、UHF/S衛(wèi)星通信及GPS/北斗衛(wèi)星導航定位等業(yè)務需求。在不考慮多信道的情況下，系統(tǒng)的硬件組成可以采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)。

圖5　艦載無線通信系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)

圖5中電源模塊可為整個系統(tǒng)提供電源服務；系統(tǒng)控制模塊用于部署設備系統(tǒng)管理軟件，包括軟硬件管理及波形應用管理；安全交換模塊用于部署信息安全及網(wǎng)絡交換相關(guān)的軟件單元；信號處理模塊主要部署不同的波形應用軟件；信道模塊用于提供設備射頻控制相關(guān)的功能。針對艦載無線系統(tǒng)需要支持的業(yè)務較為復雜，需要能夠動態(tài)切換波形應用，甚至需要硬件單元可即插即用。因此在軟件通信體系結(jié)構(gòu)上可以考慮部署SCA4.0規(guī)范[1,6]中所提到的全量級的功能單元配置，具體包括:平臺組件注冊/注銷、設備管理器可釋放、遵循全量級的應用環(huán)境配置(AEP)以及支持組件部署四項必選功能單元；支持CORBA、日志服務以及應用可安裝三項可選功能單元。其中，平臺組件注冊/注銷及設備管理器可釋放為硬件平臺可即插即用提供了支撐；而組件部署、應用可安裝為動態(tài)切換波形提供了支持。另外，為了減少不必要的資源占用，裁剪了事件服務、嵌套波形應用、按通道部署波形等可選功能單元。具體軟件部署如圖6所示。

圖中主要描述了系統(tǒng)主控、安全交換、信號處理模塊的軟件單元組成，各個處理器單元都參照了軟件通信體系結(jié)構(gòu)作軟件部署，另外在主控模塊部署與系統(tǒng)管理相關(guān)的軟件單元，為整個系統(tǒng)提供管理和控制。而由于射頻單元通常具有獨立的發(fā)展路徑[7]，針對軟件無線電系統(tǒng)應用，一般需要考慮寬頻段、射頻可編程、射頻可重構(gòu)等方面的要求，對于艦載無線通信系統(tǒng)需要作射頻單元綜合一體化設計，因此本文不考慮信道模塊的軟件部署。

圖6　基于軟件無線電的艦載通信系統(tǒng)軟件部署

3關(guān)于波形組件化設計

SCA規(guī)范中提出了參考網(wǎng)絡協(xié)議的分層模型來進行波形應用軟件的組件劃分[8]，因此以往針對已有的波形進行移植時，通常就以此為原則進行波形組件劃分，比如某個波形被劃分如圖7所示的組件結(jié)構(gòu)。

圖7　通用的波形應用組件劃分

圖7所示的組件劃分顯然顆粒度較粗，雖然體現(xiàn)了波形應用組件化設計的思想，但對于實際電臺研制中，以這種方式進行組件設計，通常使得組件功能復雜，組件軟件復用性差，且移植難度大，難以體現(xiàn)軟件無線電所期望的方便升級、方便維護、方便新技術(shù)插入等方面的優(yōu)點。而事實上，無線通信的處理過程，適合采用經(jīng)典的管道濾波器設計模式，按照這一設計模式，根據(jù)波形軟件處理的步驟進一步細分組件可能是一種更好的設計方案。例如圖8中，由外軍的某超短波窄帶波形的物理層功能，進行組件化設計后，形成流水線式的五個物理層組件，當波形應用軟件以這樣的組件組成，可有效地簡化局部單元的維護和技術(shù)升級，也很容易在不同的波形之間復用組件。

圖8　某超短波窄帶波形物理層組件劃分

目前各國在軟件無線電技術(shù)研究中，都較為重視波形組件化設計，根據(jù)歐盟ESSOR項目公開的資料顯示[5]，該項目的高數(shù)據(jù)率波形(HDRWF)，在物理層組件劃分上，采用中等粒度的波形組件劃分策略，共劃分了16個基本軟件項(BSI)。

但組件的顆粒度也不能無限度的細化，因為隨著組件粒度的細化、組件數(shù)量的增多，存儲資源、運行資源占用開銷、組件間通信的開銷也會快速上升，因此劃分組件的顆粒度需要根據(jù)系統(tǒng)的實際能力及需求作相應的平衡考慮。

4關(guān)于設備的工程化開發(fā)流程

關(guān)于軟件無線電技術(shù)如何切入到設備的研發(fā)過程，國內(nèi)還沒有成熟的模式。美軍的prismTech公司提出了一種通用的波形和電臺設計流，如圖9所示:波形與設備平臺是可以并行的設計流，當波形應用、設備平臺各自經(jīng)過獨立的測試驗證之后，再進行系統(tǒng)集成驗證，最后形成設備。

圖9　波形與電臺設計流程案例

圖中可以清楚地看到，引入SCA僅僅影響了波形應用組件、平臺組件的框架，而對于波形核心的算法的設計、硬件平臺的設計并沒有受到影響，因此，通過提供一些標準的組件框架，就可以有效地降低波形應用開發(fā)者以及平臺開發(fā)者的技術(shù)門檻，使其專注于波形業(yè)務、設備平臺本身的需求。

5結(jié)語

本文主要圍繞軟件無線電技術(shù)的軍事化應用，尤其是該技術(shù)應用于下一代電臺裝備研制中可能存在并需要解決的重要工程技術(shù)問題進行探討，并提出相關(guān)的解決思路，期望通過新技術(shù)應用以及研發(fā)方法的改進，軟件無線電技術(shù)能夠順利地在下一代設備中得到應用。

參 考 文 獻

[1] Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System, Software Communication Architecture Specification, Version4.0[S].2012.

[2] Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System, Software Communication Architecture Specification, Version2.2.1[S].2004.

[3] Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System, Security Supplement to the Software Communication Architecture Specification, MSRC-5000 SECV2.2.1[S].2004.

[4] 范慧麗，吳有力.基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成設計研究[J].艦船電子工程，2015(5):65-68.

[5] ESSOR Programme European.Secure Software defined Radio[C]// WINNF Conference，2013.

[6] 劉文斌，廖文瑜，彭麟，等.電臺軟件架構(gòu)發(fā)展及其向SCA4_0演進的途徑分析[J].通信技術(shù)，2014，47(4):396-400.

[7] 彭麟，張明民，劉文斌，等.SCA車載電臺系統(tǒng)設計[J].通信技術(shù),2014，47(8):959-962.

[8] 孫佩剛，趙海，張文波，等.基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)的波形實現(xiàn)及其研究[J].計算機工 程,2006，32(17):170-174.

Military Applications of Software Defined Radio Technology

YU XiumeiHUANG Gengwen

(Guangzhou Haige Communitions Group Incorporated Company,Guangzhou510656)

AbstractWith the gradually mature of software defined radio technology, expecially the new styleradiaos, by JTRS developed, are equiped to troops. Demands for the software defined radio technology applied to the next generation equipment become strong. Since the end of last century, the technology has been tracked and studied. And through a variety of projects, key technologies are break-throughed, also a series of standards are worked out, and some prototypes are developed. But when the technology is to be applied to the actual equipment, there are some engineering problems needing to be solved. In this paper, the problems of the system top-level architecture design for theequipment, component design for the waveform, and the the general design flow for waveform have been discussed, and the solutions are put forward.

Key Wordssoftware defined radio, software communication architecture(SCA), militaryapplications

* 收稿日期：2015年11月7日,修回日期：2015年12月23日

作者簡介：余秀美，女，工程師，研究方向：軟件無線電應用技術(shù)。黃耕文，男，博士，高級工程師，研究方向：軍用無線通信系統(tǒng)應用技術(shù)。

中圖分類號TN92

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.005