新一代航空數據鏈端機的SCA架構設計?

鐘瑜，陳穎，盧建川

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

新一代航空數據鏈端機的SCA架構設計?

鐘瑜，陳穎，盧建川

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

新一代航空數據鏈端機發展技術需求和SCA自身技術優勢具有高度的一致性，研究SCA技術在設備中的設計實現具有重要意義。通過系統抽象模型構建、SCA設備開發流程分析以及流程中相應的系統構件化建模、域描述文件產生、應用安裝部署、波形開發等關鍵設計，提出了數據鏈端機設備的SCA架構設計實現方法。

航空數據鏈；聯合戰術無線通信系統；軟件通信體系結構；波形開發規范

1 引言

在現代信息化戰爭中，數據鏈作為戰場神經系統，通過信息處理、傳輸和分發將指揮控制、戰場態勢等信息進行全軍共享，實現指揮機構、作戰部隊、武器平臺鏈接為一體。而航空數據鏈作為空中信息樞紐，基于全球柵格狀信息網（GIG）構建的聯合作戰體系通過全維、立體、多頻段、多節點的柵格化信息交換和智能化信息獲取方式，最大限度地將信息轉化為戰場科學決策能力和作戰能力。美軍是最早開展數據鏈系統研制的國家，其數據鏈系統的裝備和發展狀況對于面向新一代航電系統的航空數據鏈平臺的建設有很大的借鑒作用。本文將從美軍航空數據鏈主要現狀入手，分析其技術背景和發展趨勢，提出相應設計思路。

2 航空數據鏈主要發展方向和技術現狀

美軍現役主要的戰術數據鏈有：主要用于海軍戰斗群內艦艇之間戰術數據交換的Link-11 A／B；主要用于艦載飛機作戰指揮和飛行引導的Link-4 A／C；主要用于戰機、海軍艦船和載機間的任務管理、武器協調、電子戰、情報監視、導航以及話音加密通信

航空數據鏈平臺是數據鏈信息網的空中樞紐，美軍針對第四代戰斗機隱身、先進航電、機載武器以及高機動、超音速巡航等新的戰技能力要求，開展了新一輪的航空數據鏈系統改進。最具代表性的是F -22使用的戰機與其他空中平臺及地面中心之間進行戰場態勢信息共享和機載武器協同的內部飛行數據鏈（IFDL），這種采用多波束天線和具備全雙工數據通信網絡的新型數據鏈也稱為機間數據鏈。另一方面，美軍目前正針對地面指揮系統對F-22的指揮需求，在Link-16數據鏈的基礎上為F-22裝備基于“戰術目標瞄準網絡”TINT波形數據鏈，實現基于因特網協議的高速動態Ad Hoc網絡，并與現有數據鏈系統兼容。

美軍對新一代航空數據鏈建設體現出如下特點和發展方向：

（1）在開放式體系架構下嵌入新體制波形、消息標準和組網協議等，通過與現有電臺等設備擁有相同的波形因數保證與原有系統的兼容性；

（2）提高端機設備的傳輸帶寬、實時處理能力、抗干擾抗截獲能力以及安全保密性等戰技指標性能；

（3）不斷提升數據鏈系統的數據分發能力，實現從戰術數據鏈終端向聯合信息分發系統演變；

（4）通過武器指揮、飛控等作戰武器平臺的信息鉸鏈，并與航電系統的集成后，協同形成作戰部隊新的戰斗力。

從技術發展趨勢看，軟件無線電（SDR）技術是設計具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統的必然手段，經過近二十年發展已逐步趨于成熟并在國外民用和軍用產品中廣泛應用。而軟件通信體系結構（SCA）技術正是其發展過程中對SDR技術核心設計思想的集中體現，因此，美軍為解決其戰術通信長遠發展問題而啟動的聯合戰術無線通信系統（JTRS）計劃，采用了軟件無線電的設計思想，并定義了SCA規范，建立了JTRS系統開發框架。

SCA的基本目標是為管理無線電系統提供一個通用的軟件基礎結構，從系統層面上提出構造軟件無線電臺的方法和要素，以及在該框架下軟件的通信體制和管理方法。規范描述了一個組件的集合，以及如何將組件配置、安裝到一個無線電系統中的功能波形應用中，這些內容組成了一個定義和構建軟件無線電系統的基礎結構，同時提供了波形或其他應用組件在SCA兼容的無線電系統中運行的接口、規則、約束和規程等構成的運行環境，包括核心框架（CF）、公共目標請求代理（CORBA）以及操作系統（OS）［1］。

CF提供波形和其他應用構件使用的通用服務的集合；波形構件的安裝、配置、管理和控制；通用文件系統操作和跨越多種處理平臺訪問的聯合文件系統；通用底層物理硬件抽象的設備接口。

CORBA是與HTTP類似的一種數據傳輸協議層，處于數據傳輸機制之上，由于公共目標代理和接口腳本IDL的使用，CORBA支持數據傳輸協議的定制、優化和軟件應用動態插入。

OS主要指通用CPU或DSP類專用處理器采用的Vxworks、Linux以及DSP／BIOS等位于底層硬件之上的軟件調度管理平臺。

本世紀初SCA技術研究興起，近兩年已逐步從研究轉向產品化，國外陸續出現了相應的設備和貨架式產品，突出的技術優勢也逐漸顯現：

（1）開放式的體系架構和通用POSIX操作環境適用于多種嵌入式異構分布應用環境；

（2）構件化的軟件設計和標準應用接口結合貨架式通用硬件平臺，極大地提高了應用的快速集成效率；

（3）規范化的軟硬件部署、配置、控制和監測接口，降低了新應用插入和新技術擴展復雜度；

（4）軟件通信中間件和硬件抽象層等組成的SCA基礎軟件平臺提供了應用軟件的互操作手段，提高了軟件的可移植性、可擴展性；

（5）有效降低了設備開發、調試、測試、綜合集成以及使用維護全壽命周期成本。

結合下一代航空數據鏈的主要發展方向和端機設計相應技術需求，SCA技術的應用將從設計上保證端機設備兼容性、擴展性和“三化”要求，同時降低設備開發、測試等研制成本和使用維護或綜合集成成本。因此，有必要開展航空數據鏈端機設備的SCA技術應用研究。

3 主要設計思路

從概念上講，一個SCA的無線電系統具備3個部分：一是波形開發，二是核心框架，三是域描述。3個部分都可以從物理和邏輯上進行分析［2］。如圖1所示。

圖1 軟件無線電系統的抽象層次Fig.1 The abstraction layer in a radio system

對于波形開發部分，一個電臺系統從物理上看到的是硬件設備，而波形則是加載到這些物理設備上的軟件。從邏輯上看則有兩個層面，一是整套組件形成的波形應用或是其他系統服務，二是提供頂層接口和這一套構件控制的應用。

核心框架（CF）部分則包括管理無線電系統和部署應用所需的所有軟件，從物理上看，CF提供無線電系統中物理設備的高級管理，從邏輯上CF同樣提供了對波形應用和其他服務的管理。

域描述部分是包含了一系列XML文件，用于描述系統中的硬件資源、波形應用結構和波形組件間的關系連接以及硬件資源間的關系。

因此，SCA電臺主要開發過程包括如下幾部分工作：

（1）設備體系架構定義，開展CF、CORBA和OS構成的軟件運行環境，硬件資源配置等體系架構設計；

（2）資源配置XML文件產生，波形、協議等軟件組件配置、控制、連接以及硬件配置等系統資源配置管理域描述文件設計；

（3）波形構件開發、建模設計，針對某一波形應用在運行環境之上進行波形處理軟件的開發、波形構件建模和SCA框架代碼生成；

（4）應用部署和運行維護，整機維護工程師根據XML域描述文件定義對波形應用進行裝配、部署和實時監測、管理，最終實現電臺相應功能。

4 設計實現途徑

典型SCA電臺硬件設備管理器管理對象主要有兩種類型，一種是包含軟件集中處理單元的如數字信號處理和通用控制處理等ExcutableDevice，另一種是智能天線、射頻接收激勵、功放等不可編程模塊，但其控制接口可擴展為LoadableDevice［3］。因此，SCA電臺設備資源建模如圖2所示。

（1）射頻類擴展類

信號下行傳輸時，完成射頻模擬信號的頻率變換到中頻、濾波、AD采樣等，產生數字中頻，信號上行傳輸時反之。射頻類控制接口在可編程嵌入式處理器中實現收發頻點、帶寬、功率等信息的收發和控制。

（2）數字信號處理類

完成數字中頻信號調制／解調、基帶數據比特流處理得到用戶數據以及信息加解密和人機訪問接口控制。設備包括運行設備管理器的通用處理器（GPP），以及完成波形和協議處理的數字信號處理器（DSP）和現場可編程門陣列（FPGA）。

此外，設備管理器還對整機總線、機箱的模塊插槽數、組成要素、背板類型、平臺環境、功率和冷卻要求屬性進行管理。

圖2 SCA電臺設備建模Fig.2 The SCA radio component-basedmodeling

SCA電臺軟件開發的整個應用系統如圖3所示，包含了與SCA規范兼容的軟件平臺、開發平臺、運行維護平臺三方面。基本的軟件平臺包含了若干波形、協議等應用構件，CF、CORBA和OS組成的應用運行環境，以及底層硬件抽象和驅動。

開發平臺主要實現軟件運行環境的構建以及軟件構件、硬件配置等模型的XML域描述文件產生以及應用構件的開發，其中還包括應用工程師開發遵循的波形、協議等應用構件開發、測試的相應規范和標準。

運行維護平臺主要解決波形、協議和其他應用構件的裝配、部署、管理和控制，以及應用線程的實時監測和日志管理，提供電臺整機的內場測試和外場安裝調試和排故手段。

圖3 SCA電臺軟件應用開發平臺Fig.3 The development platform of SCA radio application

在完成應用軟件運行環境構建以及軟件構件和硬件配置等XML域描述文件產生后，針對某一波形應用構件建模如圖4所示。

圖4 SCA電臺軟件構件建模Fig.4 The developmentof SCA radio component-basedmodeling

5 SCA波形開發規范

SCA系統開發過程中一方面重點是構建CF、域描述文件等SCA應用運行系統，另一方面，針對SCA波形、協議等應用設計的標準化開發規范是航空數據鏈端機SCA技術工程化應用的關鍵問題。

如圖5所示的開發流程，SCA波形開發規范應在波形算法信號處理代碼設計、框架代碼嵌入、應用部署和管理控制接口等方面對波形設計和開發人員提出了相關的設計約束和標準方法，從而實現波形構件與CORBA中間件的規范接口；與核心框架提供的各種控制和服務接口；與嵌入式實時操作系統的基本服務接口，最終實現波形應用的標準化設計［4-5］。因此，SCA波形開發規范將主要涉及開發流程中的以下幾方面：

（1）算法組件設計，建立信號處理波形算法仿真和實現代碼，該部分主要將形成基礎波形輸入輸出數據接口、控制接口等標準；

（2）組件硬件抽象層連接HAL設計，完成波形組件的封裝，該部分主要將形成基礎波形代碼編譯生成、波形代碼封裝等標準；

（3）XML域描述文件生成，產生軟件包描述（SPD）、軟件組件描述（SCD）、設備包描述（DPD）等文件，該部分將主要形成SCA波形域描述文件生成等標準；

（4）建立SCA波形應用，配置算法組件實體分布、連接和約束等，形成軟件裝配描述（SAD）文件，該部分將主要形成SCA應用裝配等標準；

（5）應用安裝，依據SAD文件將SPD、SCD等若干文件和功能代碼拷貝到指定的硬件運行環境，構成設備功能應用條件，該部分將主要形成SCA波形安裝等標準；

（6）SCA應用的部署和測試，核心運行環境讀取SAD等信息部署應用后，對已部署應用初始化配置和輸入輸出、連接進行測試并運行應用功能，該部分將主要形成SCA波形部署、SCA波形測試、SCA波形維護等標準。

圖5 信號處理算法、協議等波形封裝Fig.5 The development of signal processing waveform encapsulation

6 結束語

SCA技術近幾年發展迅速，其技術優勢符合新一代航空數據鏈端機的發展方向和技術要求，本文在提出端機設備SCA技術應用的整體設計思路和主要實現技術途徑基礎上，強調SCA波形設計規范在工程化應用中的關鍵作用。因此，在航空數據鏈端機SCA技術應用過程中還需依據設計流程相關要素，開展深入研究并形成適用于端機產品工程化要求的波形開發標準，充分發揮SCA技術對新一代航空數據鏈端機研制帶來的優勢。

［1］JTRS-5000 SCA V2.2.2，Software Communications Architecture Specification［S］.

［2］Bard J，Vincent J，Kovarik Jr.Software Defined Radio：The Software Communications Architecture［J］.Hoboken，NJ，USA：Wiley，2007.

［3］JTRS-5000 SPV3.0，Specialized Hardware Supplement to the Software Communication Architecture（SCA）Specification［S］.

［4］Cook P G，Bonser W.Architectural Overview of the SPEAKeasy System［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17（4）：650-661.

［5］Pucker L.Applicability of The JTRSSoftware Communications Architecture In Advanced Milsatcom Terminals［C］／／Proceedings of IEEE Military Communications Conference.［S. l.］：IEEE，2006：1-5.

ZHONG Yu was born in Zizhong，Sichuan Province，in 1979.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns developmentofembedded system and wireless communication algorithm.

Email：Jade.zhong＠hotmail.com

陳穎（1973—），男，江西臨川人，博士，研究員，主要研究方向為系統工程、數字信號處理技術等。

CHEN Ying was born in Linchuan，Jiangxi Province，in 1973. He isnow a senior engineer of professorwith the Ph.D.degree.His research interests include system engineering and digital signal processing，etc.

盧建川（1964—），男，重慶人，碩士，研究員，主要研究方向為航空電子系統工程等。

LU Jian-chuan was born in Chongqing，in 1964.He is now a senior engineer of professorwith the M.S.degree.His research interests include aeronautical electronic system engineering，etc.

Structure Design of Software Communications Architecture for New Generation Radio of Aeronautic Data Link System

ZHONG Yu，CHEN Ying，LU Jian-chuan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The development requirements of new-generation aeronautic data link radio and the advances of Software Communications Architecture（SCA）have high coherences，consequently，the research of SCA implementation in radio is important.In this paper，the abstraction layer in a radio system and the programming of SCA system design are introduced，the component-based software development，domain profile，application installation and thewaveform developmentare designed，the overall designs of SCA for the radio of aeronautic data link system are discussed.

aeronautic data link；JTRS；software communication architecture；waveform development specification

TN913

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.005

鐘瑜（1979—），男，四川資中人，碩士，工程師，主要從事嵌入式系統和無線通信算法的研發；

1001-893X（2012）04-0447-05

2012-01-05；

2012-03-29的聯合戰術信息分發系統Link-16；與北約共同開發并兼容Link-16的戰術數據通信系統Link-22。