軟件無(wú)線電技術(shù)及其發(fā)展

李曉陸 余 翔 王 琳

【摘要】文章簡(jiǎn)要闡述了軟件無(wú)線電的特點(diǎn)及其發(fā)展歷程,重點(diǎn)分析了推動(dòng)美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)(JTRS)發(fā)展的關(guān)鍵要素及其主要技術(shù),最后給出了軟件無(wú)線電未來(lái)發(fā)展的構(gòu)想。

【關(guān)鍵詞】軟件無(wú)線電SCAJTRS波形集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

1 概述

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)的定義,軟件無(wú)線電是一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái),將各種功能,如調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成,并使寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線,以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng),如圖1所示。

軟件無(wú)線電技術(shù)的設(shè)備具備如下特點(diǎn):

◆開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu),可擴(kuò)展性強(qiáng);

◆模塊化程度高,可配置,易維護(hù);

◆軟件組件化,可移植,可復(fù)用,從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,降低研制成本;

◆可加載多種波形,即統(tǒng)一的平臺(tái)兼容多種通信體制,可大大減少設(shè)備的種類,降低維護(hù)成本;

◆通過(guò)升級(jí)軟件或部分模塊,實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的嵌入;

◆支持靈活的組織應(yīng)用模式,有效地實(shí)現(xiàn)互連互通和互操作。

2 軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展歷程

自1992年Joseph Mitola在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上首次提出軟件無(wú)線電的概念以來(lái),美國(guó)軍方給予了高度的重視,并在其發(fā)展中始終占據(jù)領(lǐng)先的地位。其發(fā)展可歸納為如下幾個(gè)階段:

(1)概念驗(yàn)證與初步體系結(jié)構(gòu)的提出

在1992年和1997年,美國(guó)防部(DOD)先后實(shí)施了Speakeasy和可編程模塊化通信系統(tǒng)(PMCS,Programmable Modular Communication System)計(jì)劃,開(kāi)展軟件無(wú)線電的研究工作。Speakeasy(I、II期)和PMCS計(jì)劃成功完成了多頻段多模式電臺(tái)樣機(jī)的開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了多類電臺(tái)的互通,證明了軟件無(wú)線電在技術(shù)上的可行性,并制定了軍用無(wú)線通信系統(tǒng)的開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)(即紅、黑邊分區(qū)的安全架構(gòu);模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化互聯(lián)總線的硬件結(jié)構(gòu)),為后續(xù)工作的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

(2)JTRS計(jì)劃的頒布;明確需求、使命;推進(jìn)階段與組織管理機(jī)構(gòu)的建立

1997年,美國(guó)防部批準(zhǔn)了JTRS(Joint Tactical Radio Systems,聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電通信系統(tǒng))計(jì)劃,1998年3月發(fā)布了JTRS聯(lián)合作戰(zhàn)需求文件(JORD),10月成立了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)計(jì)劃辦公室(JPO)。JTRS計(jì)劃的使命是開(kāi)發(fā)一系列可互操作,且經(jīng)濟(jì)上可承受的軟件定義無(wú)線電臺(tái),為聯(lián)合部隊(duì)提供安全的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信能力。JTRS計(jì)劃采用漸進(jìn)式采購(gòu)和螺旋式發(fā)展策略。

(3)JTRS計(jì)劃的執(zhí)行

◆ 第一階段(Step 1:于1999年6月完成)為體系結(jié)構(gòu)定義階段,對(duì)需求、波形和技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行分析,提出可保證向下兼容、未來(lái)可擴(kuò)展的JTRS軟硬件體系結(jié)構(gòu),產(chǎn)生基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)定義報(bào)告(ADR)。

◆ 第二階段(Step 2:于1999年10月啟動(dòng))是體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證階段,形成并完善JTRS的重要基礎(chǔ)——軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)標(biāo)準(zhǔn),具體細(xì)分為2A、2B、2C三期。

◆ 第三階段(Step 3:2003年4月開(kāi)始)為采購(gòu)與裝備階段。JTRS將支持保密和非保密的寬帶、窄帶波形和話音、數(shù)據(jù)多媒體業(yè)務(wù),具有動(dòng)中通組網(wǎng)能力,且在體積、功耗和頻譜利用率等性能指標(biāo)上得到進(jìn)一步改善。從2004年開(kāi)始采辦5大群集(Cluster)的JTRS硬件平臺(tái)和波形,逐步裝備部隊(duì)并最終將取代各軍種當(dāng)前使用的各個(gè)頻段的無(wú)線電臺(tái)及一部分專用戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備。

(4)JTRS計(jì)劃的調(diào)整

2005年1月,由波音公司牽頭的JTRS群集1型號(hào)的研制成本、電臺(tái)的體積、功耗和重量、WNW技術(shù)指標(biāo)均與設(shè)計(jì)要求存在較大差距;系統(tǒng)信息安全存在問(wèn)題,并對(duì)群集5項(xiàng)目產(chǎn)生了很大的影響。美國(guó)國(guó)防部采購(gòu)主管于3月31日簽署了官方采辦備忘錄(ADM),批準(zhǔn)了JTRS新計(jì)劃。

JTRS新計(jì)劃肯定了JTRS定位,主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)整:

1)改變了群集項(xiàng)目模式。將原5個(gè)群集調(diào)整為4個(gè)區(qū)域,如圖2所示:

圖2 調(diào)整后的JTRS計(jì)劃組織結(jié)構(gòu)

2)明確后續(xù)技術(shù)開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)。要求最優(yōu)先開(kāi)發(fā)組網(wǎng)功能,著重研發(fā)3種軟件波形,即寬帶組網(wǎng)波形(WNW)、士兵電臺(tái)波形(SRW)和聯(lián)合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)術(shù)邊緣波形(JANTEW);將電臺(tái)型號(hào)由26個(gè)減少到13個(gè),波形數(shù)目由32個(gè)減少到9個(gè),同時(shí)還減少了一些電臺(tái)的信道數(shù)量。

3)加強(qiáng)集中管理。2006年2月成立的JTRS聯(lián)合計(jì)劃執(zhí)行辦公室(JPEO),負(fù)責(zé)對(duì)JTRS各項(xiàng)目計(jì)劃需求和預(yù)算進(jìn)行核準(zhǔn);組織編寫對(duì)產(chǎn)品系列的測(cè)試和評(píng)估計(jì)劃;為JTRS系列產(chǎn)品確定一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn),以保證滿足GIG的應(yīng)用要求。

4)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制。JTRS采辦方式由“爆炸式”改為“漸進(jìn)式”,將研發(fā)預(yù)算從60億調(diào)低到40億美元。并提出了解決部隊(duì)急需更新裝備的“替代方案”,批準(zhǔn)采購(gòu)了一批“過(guò)渡電臺(tái)”。

(5)JTRS計(jì)劃的快速進(jìn)展

2005年夏,波音公司完成了WNW及其JTRS GMR電臺(tái)高級(jí)性能測(cè)試。2006年1月底,向FCS交付7臺(tái)JTRS GMR,計(jì)劃年內(nèi)再提交50套。隨著JTRS GMR問(wèn)題的解決,通用動(dòng)力公司的HMS(原群集5)電臺(tái)的開(kāi)發(fā)按照進(jìn)度和預(yù)算正常進(jìn)行。

在2006年1月,Thales公司的JTRS增強(qiáng)型多頻段小組內(nèi)/小組間電臺(tái)(原群集2,JEM或MBITR)完成了SCA認(rèn)證和國(guó)家安全局(NSA)1類加密認(rèn)可,通過(guò)了政府的全面測(cè)試與評(píng)估,可確保電臺(tái)能夠滿足作戰(zhàn)需求。這是第一個(gè)通過(guò)認(rèn)證和評(píng)估的JTRS電臺(tái)。

2007年1月,JTRS計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)企業(yè)領(lǐng)域交付了WNW V2.0版;士兵級(jí)集成通信環(huán)境波形V2.1版在位于新澤西州迪克斯堡的C4ISR測(cè)試床所模擬的真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中通過(guò)了技術(shù)測(cè)試。

2007年4月,JTRS地面移動(dòng)無(wú)線電臺(tái)(GMR)組件在亞利桑那州的瓦丘卡堡進(jìn)行了演示,其網(wǎng)絡(luò)有9個(gè)節(jié)點(diǎn),其中4個(gè)節(jié)點(diǎn)是加載了WNW、增強(qiáng)型定位與報(bào)告系統(tǒng)(EPLRS)及單信道地面和機(jī)載電臺(tái)系統(tǒng)(SINCGARS)波形的4信道GMR,2個(gè)節(jié)點(diǎn)是海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的艦艇傳統(tǒng)EPLRS,其余節(jié)點(diǎn)是陸軍車載裝備。這次演示證明了GMR與EPLRS等電臺(tái)的互通能力和Ad Hoc組網(wǎng)能力,以及WNW傳輸文本報(bào)文、視頻和白板業(yè)務(wù)的能力。

3 推進(jìn)JTRS計(jì)劃的要素及關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,JTRS在近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展,并通過(guò)實(shí)踐表明軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與傳統(tǒng)無(wú)線電工程存在巨大的差別,JTRS計(jì)劃在組織管理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、設(shè)備集成與維護(hù)等方面都有較大的創(chuàng)新之處,從而為其目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了有力的保障。分析與借鑒其有關(guān)經(jīng)驗(yàn),對(duì)推動(dòng)軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用有著十分重要的意義,簡(jiǎn)要?dú)w納有如下幾點(diǎn):

◆需求清晰,目標(biāo)明確;

◆系統(tǒng)規(guī)劃,且階段性要求明確,組織、分工有較大的創(chuàng)新;

◆抓住本計(jì)劃的關(guān)鍵因素,并做好與其它基礎(chǔ)研究成果的整合;

◆堅(jiān)定信心,及時(shí)解決問(wèn)題。

JTRS的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及以下幾個(gè)方面:

◆軟件無(wú)線電體系架構(gòu);

◆數(shù)字信號(hào)處理;

◆寬帶射頻前端;

◆寬頻段天線;

◆系統(tǒng)總線互聯(lián)及標(biāo)準(zhǔn)接口;

◆波形集成開(kāi)發(fā)環(huán)境;

◆標(biāo)準(zhǔn)符合性認(rèn)證;

◆波形管理。

其中數(shù)字信號(hào)處理、寬帶射頻前端、寬頻段天線和系統(tǒng)總線互聯(lián)及標(biāo)準(zhǔn)接口主要利用商業(yè)貨架技術(shù)和基礎(chǔ)研究課題的成果。

以JTRS計(jì)劃為主導(dǎo)推動(dòng)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及其主要作用包括:

(1)軟件無(wú)線電體系架構(gòu)

JTRS計(jì)劃首先推動(dòng)的工作是SCA標(biāo)準(zhǔn)的研究、頒布與驗(yàn)證。SCA是實(shí)現(xiàn)如下JTRS技術(shù)目標(biāo)的根本保證:

◆通用化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化;

◆平臺(tái)與波形相獨(dú)立,且具有良好的開(kāi)放性;

◆波形動(dòng)態(tài)加/卸載。

SCA標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展和完善,至今已形成SCA V2.2.2版,包括硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)、安全體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。其中軟件操作環(huán)境(OE)由主框架、日志與中間件服務(wù)、設(shè)備接口、波形API、異構(gòu)處理單元和安全保密組成,如圖3所示:

圖3 SCA體系結(jié)構(gòu)及其標(biāo)準(zhǔn)體系

(2)波形集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

波形集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是一套類似于C++軟件編程的集成工具(IDE),它集成了建模、編輯、編譯、連接、庫(kù)管理和調(diào)整等工具(如圖4),涉及到基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)(MDA)的波形設(shè)計(jì)方法、波形描述語(yǔ)言等專門技術(shù),通過(guò)平臺(tái)無(wú)關(guān)模型(PIM)、平臺(tái)相關(guān)模型(PSM)技術(shù)最大程度保證了波形應(yīng)用組件的可移植性及與平臺(tái)的無(wú)關(guān)性。通過(guò)了符合性認(rèn)證的波形集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可在如下方面發(fā)揮作用:

◆規(guī)范波形開(kāi)發(fā)過(guò)程,提高波形組件開(kāi)發(fā)的效率和波形組件的質(zhì)量,降低開(kāi)發(fā)成本;

◆縮短系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)周期;

◆降低第三方波形組件嵌入的難度;

◆保證對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范符合性;提高成熟波形組件的可重用性;

◆為波形的管理提供技術(shù)工具;

◆為用戶系統(tǒng)的波形重構(gòu)提供技術(shù)手段。

(3)標(biāo)準(zhǔn)符合性認(rèn)證

符合性測(cè)試是對(duì)待測(cè)對(duì)象的接口和功能是否滿足體系結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求進(jìn)行測(cè)試、統(tǒng)計(jì)、分析并形成測(cè)試報(bào)告的過(guò)程。JTRS為保證所開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)線電平臺(tái)和波形符合SCA標(biāo)準(zhǔn)的要求,設(shè)置了波形驗(yàn)收、波形庫(kù)管理和SCA一致性認(rèn)證的專門機(jī)構(gòu)JTEL,即JTRS測(cè)試與認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室(JTRS Test and Evaluation Laboratory)。JTEL有以下三個(gè)方面的職責(zé):

1)一致性測(cè)試

◆提供JTRS波形驗(yàn)收和SCA一致性建議給JPEO;

◆提供JTRS操作環(huán)境SCA一致性建議給JPEO。

2)波形庫(kù)管理

所有經(jīng)過(guò)SCA認(rèn)證的JTRS波形保存在JTEL波形庫(kù)中。

3)先進(jìn)性保證

提供先進(jìn)SDR技術(shù)的指導(dǎo)。

其中一致性測(cè)試的主要內(nèi)容包括:

1)JTRS波形;

2)操作環(huán)境(OE),具體包含:

◆操作系統(tǒng);

◆CORBA中間件;

◆SCA核心框架;

◆電臺(tái)硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng);

3)任何一項(xiàng)有變更的重新認(rèn)證;

4)回歸測(cè)試。

(4)波形管理

波形管理是對(duì)通過(guò)認(rèn)證的戰(zhàn)術(shù)通信波形及其組件數(shù)據(jù)庫(kù)的管理,涉及數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)融合和安全等技術(shù)。

4 未來(lái)發(fā)展的展望

隨著信息化社會(huì)建設(shè)的發(fā)展,迫切需要新型的無(wú)線通信系統(tǒng),具體包括:

◆全空間域的無(wú)線通信;

◆全業(yè)務(wù)域的無(wú)線通信;

◆全距離域的無(wú)線通信;

◆全頻域的無(wú)線通信;

◆可重構(gòu)的無(wú)線通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的單一設(shè)備堆砌式的無(wú)線通信裝備發(fā)展方式難以解決多種傳輸體制并存、頻率資源緊缺的矛盾,并滿足如上需求。此外,與平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施的非一體化設(shè)計(jì)方式降低了系統(tǒng)的效能,增加了成本。軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用將促成通信系統(tǒng)的變革性發(fā)展,首先是通信設(shè)備的計(jì)算機(jī)化,如圖5所示。其主要特點(diǎn)包括:

◆軟/硬件平臺(tái)相互獨(dú)立,且開(kāi)放;

◆符合標(biāo)準(zhǔn)(總線、接口等)要求;

◆模塊化設(shè)計(jì)。

圖5 通信設(shè)備與計(jì)算機(jī)的類比

由此,用戶可以根據(jù)需要,通過(guò)配置(第三方的)應(yīng)用軟件改變或增加設(shè)備的功能,也可以通過(guò)更換或增加某一模塊來(lái)更新、增強(qiáng)部分能力(如配置專業(yè)顯卡等)。

其次,它將改變傳統(tǒng)的設(shè)備研制方式,形成相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈,如圖6所示。由此,用戶可選用最優(yōu)和成本合理的技術(shù)及部件,大大降低使用和維護(hù)成本。

圖6 軟件無(wú)線電設(shè)備開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈

軟件無(wú)線電技術(shù)是各界公認(rèn)的發(fā)展方向,將使通信電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及使用等產(chǎn)生革命性的變化,在產(chǎn)品質(zhì)量、成本、技術(shù)先進(jìn)性等方面發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變。經(jīng)過(guò)20多年的研究,軟件無(wú)線電技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)取得了豐碩的成果,但其最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可能需要多種規(guī)模的技術(shù)驗(yàn)證并完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)做好配套技術(shù)(如核心芯片、操作系統(tǒng)、中間件等)的儲(chǔ)備以及相關(guān)的管理政策,處理好知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問(wèn)題。