對NASA天基SDR技術的分析

李海潮， 崔 亭， 劉 涌

(1西安衛星測控中心西安710043 2北京跟蹤與通信技術研究所北京100094)

引 言

眾所周知，軟件無線電的基本思想是將數字化處理(寬帶A/D和D/A變換)盡可能地靠近射頻天線，建立一個滿足“A/D—DSP—D/A”模型的開放的、可擴展的、結構最簡的通用硬件平臺，在這個硬件平臺上把盡可能多的無線通信功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等，用可升級的、可替換的軟件來實現［1］。迄今為止，受硬件工藝水平的限制，純粹的軟件無線電概念并沒有在實際產品中得到廣泛的應用，但是基于軟件無線電概念的軟件定義無線電SDR(Software Defined Radio)技術卻越來越受到人們的重視。

SDR技術并不是一個具體的無線通信系統的實現方法，而是實現軟件無線電概念的一個架構體系。采用SDR技術的無線通信系統，具備可重構和可編程的能力，可適用多種標準、多個頻帶，實現多種功能。

目前，SDR具有多種體系標準，如GNURadio、VanuRadio、OMG-SBC、JTRS-SCA、STRS等。其中， JTRSSCA是美國國防部(DOD)制定的地基SDR體系標準，而STRS則是NASA發布的第一個天基SDR體系標準。

NASA借鑒JTRS-SCA和工業界的成功經驗，總結了近十多年來美國在天基SDR技術研究、演示驗證等方面的成果，于2006年發布了天基無線通信系統的SDR體系標準STRS(Space Telecommunications Radio System)。至今，STRS標準已進行過兩次更新。2012年NASA將采用STRS標準的SCaN測試平臺放置到國際空間站(ISS)上，并邀請眾多高校和研究機構利用該測試平臺進行天基SDR關鍵技術的研究、測試和驗證。本文對NASA的天基SDR技術發展狀況進行分析、探討。

1 NASA天基SDR技術研究現狀

NASA對天基SDR技術的研究，可以追溯到2000年JPL研發Blackjack可編程GPS接收機。下面給出NASA天基SDR技術研究的主要發展歷程［2，3］。2000年，JPL研制Blackjack可編程GPS接收機，首次使用天基SDR技術;2003年，NASA發射低功耗收發航天器DTO，演示早期天基SDR技術;2005年，NASA成立天基SDR技術研究組;2006年，NASA發布世界上第一個天基SDR技術標準STRSver 1.0，2007年和2010年又先后發布STRS ver 1.01和STRS ver 1.02;2012年，NASA發射采用STRS標準研發的SCaN測試平臺到國際空間站，進行天基SDR技術研究和演示驗證試驗。

目前，采用天基SDR技術的美國天基無線通信系統主要有三類:①GPS-Blackjack接收機，搭載的航天器包括SRTM、Champ、JASON、GRACE;②ITT的 LPT系統，搭載的航天器包括 STS-107、Global Flyer、F-16 AFSS、AFRL TacSat-2;③JPL的UHF-Electra系統，搭載的航天器主要是MRO(火星偵察軌道器)和MSL(火星科學實驗室)。

2 STRS結構標準

為了在NASA的航天任務中推廣天基SDR技術，由NASA空間通信導航辦公室(簡稱SCaN)資助，于2005年成立了天基SDR研究組，成員是來自JPL、APL GRC、GSFC、JSC等相關研究機構的工程師。2006年，NASA發布了世界上第一個開放的天基SDR標準STRS ver1.0。目前，STRS標準的最新版本是ver 1.02［4，5］。

STRS標準并不是具體的天基無線通信系統的實現方法，而是一個抽象的模型協議。它把天基無線通信系統抽象化后，按其所需提供的能力和特性劃分層次，包括底層硬件、上層操作系統、操作環境和頂層的信號處理應用等多個層次。它描述了軟件執行過程中各個軟件單元間的結構關系，以及操作環境和信號處理模塊之間的API接口。

制定STRS標準的目標是為各類航天器提供通用的天基SDR技術架構，在緊密結合現有標準的基礎上，實現天基無線通信系統功能和接口的標準化。通過抽象出天基無線通信系統的發射、接收信號形式，實現信號處理應用模塊軟、硬件組件的可重用。重用符合天基SDR技術標準的軟、硬件組件，可使天基無線通信系統的實現不依賴于具體任務，從而降低任務風險和對單個軟件/硬件廠商的依賴。

NASA使用基于STRS標準的通用天基無線通信系統平臺，可為各類航天任務提供多樣化信號處理功能，可根據不同任務階段、任務需求重構天基無線通信系統，實現特定要求的通信、導航等功能。

2.1 硬件架構

圖1是STRS標準中規定的硬件架構。硬件架構主要包括通用多功能處理模塊(GPM)、信號處理模塊(SPM)和射頻處理模塊(RFM)三個部分。

GPM完成天基無線通信系統中軟件模塊的運行、管理，由通用多功能處理器、系統總線、存儲器、TT&C接口、地面支持遙測和測試接口、操作環境、系統控制和無線配置軟件等構成。

RFM對天基無線通信系統接收、發送的信號進行射頻處理，包括濾波、放大、數字化等。RFM組件主要包括濾波器、RF開關、功分器、LNAs、功放、A/D、D/A等。

SPM對來自于RFM的格式化數據進行接收、變換、數字信號處理等。SPM組件包括ASICs、FPGAs、DSPs、存儲器、連接光纖或總線。此外，按照STRS標準協議，硬件架構還包括安全模塊(SEC)、網絡模塊(NM)和光纖模塊(OM)等。STRS標準協議對各種底層硬件模塊的類型及內部要求進行了詳細說明和規定，這里不再展開討論。

圖1 STRS硬件架構Fig.1 STRS hardware architecture

2.2 軟件架構

STRS軟件架構規定了天基無線通信系統中不同軟件模塊間的相互關系，軟件模塊與系統操作環境、硬件平臺之間的接口關系，以及操作環境與硬件平臺之間的接口關系。STRS軟件架構的運行環境如圖2所示。

圖2 STRS軟件架構的運行環境Fig.2 Operating environment of STRS software architecture

運行環境的頂層是信號處理應用和高級服務，接下來是可移植操作系統(POSIX)的API接口子集和STRS的API接口，然后是操作系統(OS)和STRS基礎架構，最后是硬件抽象層HAL的API接口和BSP、Drivers、GPM、Specialized HW等物理硬件驅動。

軟件架構也采用分層形式，以不同的軟件組件實現，具體的軟件組件名稱和功能如表1所示。

表1 STRS軟件組件描述Table 1 STRS software components descriptions

2.3 STRS與SCA的區別

雖然STRS和SCA都隸屬于SDR技術范疇，但是應用環境的不同決定了二者不盡相同。為更好地理解STRS，本節簡要分析兩者的區別。

首先從軟件和硬件的隔離方式來區分SCA和STRS，如圖3所示。

SCA采用通用對象請求中介架構(簡稱CORBA)和核心框架作為中間件，將無線通信系統平臺的上層軟件與底層硬件隔離。STRS則采用STRS API、基礎架構和硬件抽象層(HAL)API作為中間件，STRSAPI可實現對無線通信系統平臺發射、接收信號的抽象化，HAL API可實現底層硬件接口的抽象化，從而在隔離軟、硬件的同時，保證軟、硬件組件的相互獨立性和可重用性。

圖3 SCA/STRS軟件和硬件隔離方式Fig.3 The separation types of software and hardware for SCA and STRS

就應用環境和信號特點而言，基于STRS標準的天基無線通信系統與基于SCA標準的地基無線通信系統之間存在如下不同點:

①天基無線通信系統適用于地外空間，必須考慮太空輻射環境下的信號處理和存儲要求。其系統技術復雜度、工作能力和設備冗余度都受到限制，工作能力較地基無線通信系統差，與地面其它通信系統相比，性能更差，一般滯后1～2代;

②天基無線通信系統受航天器尺寸、重量、功耗等限制，結構開銷必須折中考慮;

③相比地基無線通信系統，天基無線通信系統的可靠性要求更高，如載人航天任務具有高級別的可靠性要求，對于關鍵安全應用，必須進行防止單點失效設計;

④天基無線通信系統的傳輸速率要求一般在每秒千比特量級，有的甚至要求達到每秒吉比特量級，而地基無線通信系統的傳輸速率通常只能達到每秒數十兆比特;

⑤天基無線通信系統的信號頻率可高達Ka頻段，而地基無線通信系統的信號頻率只能達到S頻段;

⑥天基無線通信系統必須具備遠程、無線加載數據的能力。

3 SCaN測試平臺

為了進行天基SDR技術研究及STRS標準的應用測試和演示驗證，NASA于2008年啟動了通信、導航和組網可重構測試平臺計劃，即CoNNeCT project，供NASA各部門及業界其它機構、高校等進行研究。該計劃后來更名為SCaN計劃。

SCaN計劃的技術研究領域包括:①演示應用天基SDR技術后天基無線通信系統的可重構性，即天基無線通信系統中多功能處理器、FPGA、DSP資源的可編程性、可重配性;②天基無線通信系統的頻譜效率;③天基無線通信系統的組網技術;④定位、導航、授時;⑤高數據率通信;⑥天線組陣技術;⑦認知應用;⑧多址通信;⑨RF感知應用等。

SCaN計劃的測試平臺如圖4所示［5］。該測試平臺是一個由基于SDR技術的可編程、可重配置的發射、接收模塊和相應的射頻天線組成的天基無線通信系統，它工作在S、Ka、L頻段。NASA已于2013年完成了該測試平臺的發射和在軌運行試驗，并與Ka頻段TDRSS衛星進行了高速率通信測試。2013年4月該測試平臺完成了在美國白沙地區進行的網絡服務支持測試。同時SCaN團隊還升級Glenn/Goddard/TDRSS(GGT)波形，使得GGT信號性能提升了6dB。

圖4 SCaN測試平臺構成Fig.4 Major components of SCaN testbed

另外，SCaN測試平臺還成為了TDRS-K中繼衛星的第一個Ka頻段在軌用戶。2013年5月SCaN團隊更新了載荷電子軟件(PAS)，完成了JPL設備進行GPS試驗所必需的軟件支持，并用軟件將JPL的SDR設備定義為GPS接收機，成功地在L1、L2、L5三個頻點的載波上實現了定位。

搭載在SCaN測試平臺上的無線通信系統設備主要是由JPL、GD、Harris三家廠商提供的。各家的無線通信系統在硬件結構和器件使用上雖有所不同，但均支持STRS標準。它們的基本配置情況如下:

①JPL Electra無線通信系統，具有S頻段通信和GPS接收能力。它可接收、發射S頻段TDRSS中繼信號，其數據傳輸速率為192kb/s、24kb/s;可接收、解調TDRSS前向鏈路信號，其數據傳輸速率為72kb/s、18kb/s。 它還具備 GPS L1、L2c、L5 頻點載波接收能力和組網能力。

②GD星光無線通信系統，供第四代TDRSS用戶使用。它工作在S頻段，可接收、發射S頻段TDRSS中繼信號，其數據傳輸速率為192kb/s、24kb/s;可接收、解調TDRSS前向鏈路信號，其數據傳輸速率為72kb/s、18kb/s。它也具備一定的組網能力。

③Harris Ka頻段無線通信系統，工作在Ka頻段，可生成長度為223-1的偽隨機碼，其信號形式符合CCSDS 732.0-B-2協議。在SQPSK調制體制下，數據傳輸速率在300kb/s至100Mb/s之間可變;在BPSK調制體制下，數據傳輸速率在300kb/s至25Mb/s之間可變。

4 未來發展

有文獻研究表明，未來版本的STRS標準將加入導航、測距、安全等方面的內容，使遙操作、自主操作、認知無線電以及深空應用等成為可能。格林研究中心(GRC)的研究人員已經撰文探討在STRS中插入認知無線電(CR)的可行性。

正在積極開展的基于SCaN測試平臺的應用研究、測試、演示、驗證活動，推動了NASA天基SDR技術和基礎架構平臺(設計開發軟硬件、測試儀器)的大發展。

在具體應用方面，目前NASA有如下兩個方面的計劃:

①2016年發射載有Ka頻段通用航天應答機的航天器至火星;

②2018年發射載有X/UHF頻段通用航天應答機的航天器至火星。

5 結束語與建議

本文介紹NASA天基SDR技術研究概況，討論2008年發布的STRS ver1.02版的軟、硬件分層結構，及其在2013年發射升空的SCaN測試平臺上的應用情況，分析未來STRS標準的發展方向。

本文根據NASA開展天基SDR技術研究的發展歷程，提出我國開展天基SDR技術研究的三點建議:

①組織我國各航天技術研發、生產單位，制訂和發布開放的、可拓展的、具有自主知識產權的天基SDR技術標準和相應的軟、硬件體系架構［7，8］，前瞻性地規定天、地基航天測控設備通信協議、信號體制、信號處理方法和各類相關接口協議，使其兼具技術發展和設備升級改造的冗余度，解決航天器研發、生產過程中，各單位標準不統一的混亂局面，提高生產效率，降低航天任務風險，滿足我國航天事業快速發展、穩步推進的現實需要。

②大力研發天基無線通信系統的模組化技術，在安全、自主可控前提下，實現硬件模組、軟件模塊、系統操作環境以及這三者之間接口的標準化，使天基無線通信系統具備可遠程操控、可重構和易于組網的能力。

③發射在軌測試平臺，深入開展天基SDR技術應用的測試、驗證工作，摸索天基SDR技術未來的發展和應用方向。

［1］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2001:5～7.

［2］Forum SDR.Comments on NASA Space Telecommunications Radio System(STRS)Open Architecture Specification， SDRF-07-W-0013-V1.0.0［C］.SDR Forum.2007.

［3］NASA.Space Telecommunications Radio System STRS Architecture Standard［S］.Revision 1.02.1.2010.

［4］Todd Quinn， Thomas Kacpura.Strategic Adaptation of SCA for STRS:SDR Forum Technical Conference［C］//Orlando，Florida，Nov.13-17，2006， NASA，2007.

［5］Johnson SK，Reinhart R C，Kacpura T J.CoNNeCT's Approach for the Development of Three Software Defined Radios for Space Application［C］//2012 IEEE Aerospace Conference，Big Sky，MT，United States，2012.

［6］胡行毅.NASA STRS開放架構軟件層次［J］.衛星與網絡，2008，78(11):78～80.

［7］陳大海，張 健，向敬成.軟件無線電體系結構研究［J］.信息與電子工程，2003，1(4):318～322.Chen Dahai， Zhang Jian， Xiang Jingcheng.Research on the Architecture of the Software Radio［J］.Information and Electronic Engineering，2003，1(4):318 ～322.

［8］范建華，王曉波，李云洲.基于軟件通信體系結構的軟件定義無線電系統［J］.清華大學學報(自然科學版)，2011，51(8):1031～1037.Fan Jianhua， Wang Xiaobo， Li Yunzhou.SDR System Based on the Software Communication Architecture［J］.Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，2011，51(8):1031 ～1037.