基于SCA的戰術數據鏈波形設計和實現＊

李 莉 李 鷹

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

戰術數據鏈作為信息化戰爭的重要裝備，擔負著戰場態勢信息、作戰命令信息和超視距目標指示信息等戰術數據的傳輸任務[1]。

未來戰爭中，為了充分發揮數據鏈的作用，在數據鏈波形體制和空中接口標準不同時有效地實現三軍的互通、互連及互操作，必須采用軟件無線電的設計思想。基于美軍聯合戰術無線電系統（JTRS）的核心思想就是采用軟件無線電技術實現通信系統，軟件通信體系架構（SCA）規范是在實施JTRS計劃的過程中發展和成熟起來的一個標準[2～3]。因此可以根據SCA規范對數據鏈波形進行全新設計，以使數據鏈具有靈活的應變能力，從而提高通信業務的質量，簡化系統硬件的組成，并且通過軟件重用等技術減少新波形的開發周期。

SCA是一個還處于驗證與發展階段的規范，需要在實踐運用中不斷地改進和完善。目前SCA規范中還存在著一些定義矛盾和不完整的地方，這些都給波形的設計和實現帶來了很大困難。本文在充分考慮波形跨平臺的可移植性和可復用性的基礎上，結合對現役某數據鏈波形的設計、開發的實踐經驗，給出了基于SCA的數據鏈波形設計和開發時應遵循的一些原則和方法。

2 基于SCA的數據鏈系統架構

數據鏈設計的基本核心是：在遵循我軍軟件無線電體系結構標準的基礎上，依據SCA規范實現數據鏈的軟件開發，并在解決關鍵技術的基礎上完成樣機的研制，以期提供一個基于軟件無線電設計思想的數據鏈波形開發典型實例。針對現役某數據鏈波形的特點以及SCA規范的要求，給出數據鏈系統架構的層次結構如圖1所示。

我們將整個系統架構定義為六層，從底向上分別是：硬件層、設備驅動層，實時操作系統層、中間件服務層、核心框架控制接口層、波形開發及應用層[4]。硬件層和設備驅動層構成硬件架構，設備驅動層到波形開發應用層構成軟件架構，其中設備驅動層同時包含在軟件架構和硬件架構中。軟件架構和硬件架構的融合構成系統架構。

圖1 數據鏈系統架構的層次結構圖

硬件體系結構的設計采用面向對象技術的設計思想，充分體現實現系統的開放性、模塊化。根據現役某數據鏈設備目前使用的硬件資源以及SCA規范要求的兼容性與可操作性，我們提出硬件架構由機箱類和硬件模塊類組成。機箱類的屬性有模塊插槽數、組成要素、背板類型、平臺環境、功率和冷卻要求等。機箱類有獨特的物理、接口、平臺電源和外部環境屬性，由于這些屬性是最底層的，故不同模塊的機箱類不能被共享。硬件模塊類有兩種截然不同的硬件模塊類型，一種包含軟件集中處理單元，如數字信號處理器模塊和通用處理器模塊；另一種是不可編程的功能模塊，如射頻單元。

硬件平臺由射頻收發模塊、波形處理模塊、主控制模塊等構成，所有模塊都采用CPCI總線方式，以提高系統硬件的兼容性和可擴展性。數據鏈的協議處理由主控制模塊承擔，數據鏈的信號處理由以FPGA、DSP為核心的波形處理模塊完成。主控制模塊由32位 MCU（ARM9內核）微控制器、SDRAM、FLASH、以太網控制器、UART、實時鐘（RTC）等部件組成；波形處理模塊由Xilinx公司的Virtex－6系列FPGA、TI公司的四個C66X內核的TMS320C6670、SDRAM、FLASH、AD／DA等部件組成。

軟件架構是依據硬件平臺的資源以及SCA規范的要求而提出的。定義軟件結構的目的就是為了提供一種標準的、開放的、可互操作的軟件平臺，實現波形應用的可移植性和可重用性[7]。軟件架構的操作環境（Operating Environment，OE）和應用（Applications）構成通用軟件平臺[5]，使數據鏈波形能夠從一個戰術平臺移植到另一個戰術平臺。OE包括核心框架（Core Frame work，CF）、CORBA（Common Object Request Broker Architecture）中間件、嵌入式實時操作系統以及網絡接口層和板級支持包等。應用包含多個組件，這些組件由CF的控制接口管理。應用組件之間或組件與系統提供的服務和設備（系統組件）之間的通信是通過SCA定義的Port接口。組件間通信由CORBA提供的邏輯“軟件總線”來完成，根據用戶需求定制不同的數據鏈波形，不同的數據鏈波形可在平臺上動態地加載、卸載。

圖2 開發者環境視圖

軟件架構設計首先要評估和分析各類實時操作系統，特別是提出操作系統的移植方法；其次提出CORBA中間的選型要求，并根據其特點提出它的移植方法；第三建立開發者環境，并以此為核心將嵌入式實時操作系統、CORBA中間件和核心框架整合在一起構成開發者環境[12]，它的實現具體見圖2所示。

3 戰術數據鏈波形設計

在戰術數據鏈波形的開發設計中，由于SCA框架的存在，雖然開發過程和常規的算法波形開發類似，但是數據流的生成和調用都有一定的特殊性。除了硬件平臺的設計，軟件分為波形設計、SCA框架設計和上位機波形管理器設計，其中采用開發工具 MATLAB、ISE、CCS、Spectra CX等用于波形設計。

開發一個新的數據鏈波形應用程序，首先要定義波形應用程序的功能。實現一套完整功能的軟件模塊稱為組件，波形組件承載了不同的波形功能，相互之間是獨立、可重用、可擴展的。

戰術數據鏈作為一種特定的戰術傳輸手段，以實現各作戰平臺之間進行快速、高效的戰術鏈接，其傳輸的內容是實時性很強的戰術數據。如果不在規定的時間內完成傳輸，許多戰術數據就失去了意義。因此，波形組件設計時要遵循以下幾個原則：

1）實時傳輸原則

能否滿足實時傳輸要求是數據鏈波形設計中需要考慮的一個重要因素。要求（1）數據鏈的網絡組件一般不采用復雜的路由算法；（2）物理層一般不采用交織組件，嚴禁在采用交織組件時設置深度屬性。

2）格式化信息原則

為了達到戰術平臺間的信息共享，波形組件設計時要遵循“格式化信息原則”，要求采用嚴格的面向比特定義的格式化信息。格式化信息有相對固定的長度，便于各作戰平臺按統一的要求解析、處理。具體體現在（1）物理層采用編碼組件時，編碼后的長度與消息標準的單位數據包要相對應；（2）采用TDMA協議時，單位發送時隙長度與生成的發送波形長度（該長度包括必要的傳輸延遲保護）相匹配[8]。

3）組件粒度合理劃分原則

為了達到良好的可繼承性和可復用性，要求對組件粒度進行合理劃分。如果組件粒度劃分過大，設計出的波形API就沒有好的可繼承性和可復用性，且不利于系統的升級和維護；如果組件粒度劃分過小，在現有的通信體制、技術條件和硬件水平下，有些功能是不可能實現的。標準的API對于波形應用程序的靈活使用和數據鏈系統的升級換代都很重要。

4 數據鏈波形開發

4.1 波形功能分析

基于SCA的數據鏈波形軟件是戰術數據鏈系統的核心軟件，它通過模型化設計，定義好各種波形算法的輸入輸出接口，用戶可以通過CORBA中間件去訪問這些接口，從而達到數據交互的功能，而且通過CORBA中間件的形式，解決了數據鏈波形和外部的異構問題。

一般的，一個數據鏈波形由物理、MAC、安全、IO、網絡等組件來實現其完整的功能。不同的波形由不同的組件構成，并且不同的波形對應的組件數量也不相同。

我們開發的數據鏈波形的主要功能包括：支持實時戰術數據傳輸業務、具備無線自組網功能、支持加密體制。因為篇幅有限，這里不描述安全模塊的設計。我們將數據鏈波形分為輸入輸出模塊、物理層模塊兩個功能模塊，其中輸入輸出模塊負責傳輸音頻信號，物理層模塊負責數字音頻信號的編碼、映射、調制、解調、解映射、解碼等功能。

SCA規范規定每個波形必須包含一個裝配控制器組件（Assembly Controller）[6]，所有對波形中其它組件的配置操作都由這個裝配控制器來完成，控制終端要對波形配置時只需訪問裝配控制器。所以數據鏈波形中共包含三個組件，即物理層組件、音頻組件和裝配控制器組件。

4.2 組件設計與建模

明確了波形的功能之后，進行波形組件設計，這是一個與具體實現相關的過程，包括組件的劃分、組件的配置和組件間的Port端口連接等。在SCA規范中，所有接口的描述以及接口關系的描述都是通過統一建模語言UML語言來完成的，其中類圖和序列圖是最常用的UML圖。SCA規范中所有關于接口的屬性和行為的描述都通過類圖來描述，這些接口的行為又是通過序列圖來描述。物理層組件的UML描述如圖3所示。

圖3 波形物理層組件的UML類圖

圖3中數據鏈波形建立了七個類，其中CodeandDecode類用于完成編譯碼算法；MapandDemap類用于完成映射和解映射功能；ModulandDemodul類用于完成調制和解調功能；ModulSetup和CodeModelSetup用于完成編解碼參數和調制解調參數的配置功能；ProviderPort和UserPort兩個類來完成建立連接、釋放連接以及數據傳輸的功能。物理層應用程序接口通過自身的control操作來控制各個類的使用。

4.3 組件的實現與應用

完成波形建模后編譯UML模型生成相應的IDL（Interface Description Language）文件，IDL文件對各接口進行標準化定義。我們利用CORBA中間件將UML建立的模型轉化為IDL語言描述的波形組件，生成接口存根對象Sub和接口框架對象Skeleton，實現IDL語言到C＋＋語言的映射[10]。這些波形組件IDL文件給出了數據鏈波形清晰的定義，由于IDL語言是獨立于實現語言的，因此它使得SC波形組件具有靈活的可移植性。

完成波形組件實現后，為了能通過核心框架（CF）對數據鏈波形進行動態加載、卸載、啟用和配置，還必須為每個波形組件編寫相應的域描述文件[9]，這些域描述文件包括SAD（軟件裝配描述文件）、SPD（軟件包描述文件）、SCD（軟件組件描述文件）等[11]。

每個波形組件及組件IDL描述文件共同代表了獨立的功能模塊，完成相應的一系列算法過程。當開發新的波形應用時，我們只需要重新編寫波形應用的SAD文件，即可直接重用這些組件，或稍加修改即可使用，這對于波形應用的開發來說，具有重要的意義。

4.4 波形組件測試

完成上述數據鏈波形的開發工作后，需對波形組件進行測試。我們進行了波形組件的SCA兼容性測試、組件單元測試、應用測試和部署測試。當一個組件被測試時，它的端口、屬性、執行環境和依賴關系都會被測試。對基于SCA的波形組件進行測試能大大減少開發的風險，加速開發流程并提高波形軟件質量和平臺質量。

5 結語

SCA是21世紀我三軍無線通信裝備的發展方向，是實現我三軍互通、互連及互操作，各個戰斗平臺之間高效、可靠地協同通信的有效手段。本文根據對現役某數據鏈波形的開發研究，重點對數據鏈波形的系統架構、波形開發流程進行了深入研究，給出了基于SCA的數據鏈波形開發時應遵循的原則和注意的事項。本文所做的工作對我國新一代戰術數據鏈的研制具有一定的指導意義。

[1]張友愛.戰術數據鏈技術的發展趨勢[J].艦船科學技術，2008，30：1－7.

[2]Modular Software－programmable Radio Consortium.Software Communication Architecture Specification（Version 3.0）[R].Washington：JTRS Joint Program Office，2004.

[3]Modular Software－Programmable Radio Consortium.Application Program Interface Supplement to the Software Communications Architecture Specification APPENDIX D Physical Real－Time Building Block Service Definition.（Version 3.0）[R].Washington：JTRS Joint Program Office，2004.

[4]Modular Software－Programmable Radio Consortium.Application Program Interface Supplement to the Software Communications Architecture Specification APPENDIX H I／O Building Block Service Definition.（Version 3.0）[R].Washington：JTRS Joint Program Office，2004.

[5]Software Communications Architecture Specification ：JTRS Standards Joint Program Executive Office（JPEO）Joint Tactical Radio System（JTRS）Space and Naval Warfare Systems Center 2006：7－40.

[6]Software Communications Architecture Extensions ：JTRS Standards Joint Program Executive Office（JPEO）Joint Tactical Radio System（JTRS）Space and Naval Warfare Systems Center 2006：4－11.

[7]Software Communications Architecture Specification Appendix B：SCA Application Environment Profile；JTRS Standards Joint Program Executive Office（JPEO）Joint Tactical Radio System（JTRS）2006：4－15.

[8]羅壯一，周金榮.戰術數據鏈中的波形設計[J].艦船科學技術，2008，30：66－70.

[9]Software Communications Architecture Specification Appendix D：Domain Profile；JTRS Standards Joint Program Executive Office（JPEO）Joint Tactical Radio System（JTRS）2006：4－15.

[10]Communications Research Centre（CRC），SCA Architect User Guide V.1.0，3701Carling Avenue，P.O.BOX 11490，Station H，Ottawa，Ontario K2H8S2March，2007.

[11]Software Communications Architecture Specification Appendix C：Core Framework IDL；JTRS Standards Joint Program Executive Office（JPEO）Joint Tactical Radio System （JTRS）2006.

[12]Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System，SCA Service and Multi Channel Deployment Extensions JTRS Interface Control Working Group（ICWG），2006：6－23.