關于軟件無線電技術軍事化應用思考*

余秀美　黃耕文

(廣州海格通信集團股份有限公司　廣州　510656)

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關于軟件無線電技術軍事化應用思考*

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的逐漸成熟，尤其是美軍JTRS計劃研制的新型電臺已陸續裝備到部隊，業內提出將軟件無線電技術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的跟蹤和研究，并通過多種不同類型項目的研發，已突破和掌握了其中的關鍵技術，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頂層架構設計、波形應用軟件的組件化設計以及設備工程化開發流程等問題進行了探討，并提出相關的解決思路。

關鍵詞軟件無線電; 軟件通信體系結構; 軍事化應用

Class NumberTN92

1引言

軟件無線電起源于軍事領域對通信系統靈活性的特殊需要，自20世紀90年代就已經明確提出了完整的軟件無線電概念和體系結構。軟件無線電技術的核心思想是設計實現一個具有開放的、標準化的、模塊化的通用硬件平臺，將各種通信功能如調制解調方式、工作頻段、信道接入方式、業務種類、通信協議、加密方式、可編程射頻前端等用軟件的方式來實現，通過加載不同的波形軟件實現不同的通信需求及功能。為了達到該目標，美軍推出了聯合戰術無線電系統(JTRS)計劃。該計劃以軟件無線電和模塊化為主要設計思想，通過制訂系統頂層設計規范——軟件通信體系結構規范[1～2](簡稱SCA)，包括設備的軟、硬件體系架結構及波形接口規范，實現了戰術無線通信裝備中軟件組件配置、管理、互聯互通的標準化。目前SCA規范已經成為國際上軍用無線通信的事實參考標準，各國都以該規范為基礎，進行相關的研究與應用。我國從20世紀90年代就開始跟蹤研究軟件無線電技術，并通過一系列的項目研制已突破和掌握了其中的關鍵技術。但過去往往偏重于核心框架、中間件及波形應用等關鍵技術的突破，而要將軟件無線電技術應用于實際裝備，并獲取軟件無線電技術應用帶來的設備的功能性能等方面的好處，不僅需要掌握關鍵技術，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關于軟件無線電設備的系統頂層架構設計

SCA規范通過提煉各種無線通信系統的共同屬性，采用面向對象的系統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，它獨立于系統實現，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的要素，本文將針對設備的系統體系結構設計作探討，并提出參考模型，并設想在艦載通信系統上應用的組成結構。

2.1軟件無線電設備的系統體系結構參考模型

軟件無線電的主要目的是實現通信功能軟件化，且可以通過加載不同的波形軟件實現不同的通信需求和功能。SCA規范的軟件體系結構規范主要規定了操作系統的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點、波形應用管理、配置以及組件間接口互聯的通用結構。當前業內基于SCA規范研究，并開發相關的樣機，其系統組成結構可基本參照SCA的軟件體系結構規范的規定[2]，如圖1所示，主要由通用硬件平臺、軟件平臺(也稱作操作環境)，構成基礎平臺，在此基礎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所示的系統組成，還無法充分地體現具體設備系統所需要的軟件，比如人機交互、系統應用等。為此JTRS的安全附錄中[3]提出了如圖2的設備系統軟件功能層次圖。

圖2　設備體系結構功能層次

圖2更完整地描述設備系統的軟件組成，其中核心框架、系統應用、實時操作系統、中間件、BSP及設備驅動、硬件和總線結構組成了設備的基本平臺；操作系統及中間件為系統應用、波形應用及核心框架提供服務；系統應用與核心框架、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絡節點的一部分，可能還需要相關的網絡協議軟件和安全軟件等。

針對上述問題，并參照圖2的設備系統功能層次，提出了如圖3所示的軟件無線電設備的系統軟件組成的參考方案，其中，系統管理模塊作為設備的管理核心模塊，它接收顯控單元和網管數據，用作系統控制管理三個管理代理，根據具體管理目標，分發控制與數據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:經過核心框架的域管理接口，對軟件平臺各個節點的組件進行管理、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，系統的業務數據，經過相應端口的邏輯設備，統一匯集到業務數據分發服務組件與具體波形應用組件進行交互，考慮到經網口傳輸的數據既有業務數據，也有對設備進行控制與管理的數據等，設計了網絡數據分發處理模塊，根據不同的數據類型和用途進行數據的分發和轉發，如業務數據轉發到業務數據分發服務模塊，對于網管數據，則分發到網管代理模塊，其它類型網絡數據將根據實際需要進行相關的處理。

圖3　軟件無線電設備的系統軟件參考組成

根據圖3的系統軟件組成，基于分層的體系結構模式，按照軟件通信體系規范，可設計如圖4所示的軟件無線電設備的系統體系結構。

圖4　軟件無線電設備的系統體系結構的參考模型

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

2.2基于軟件無線電的艦載通信系統體系結構設想

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

艦載無線通信系統一般需要支持短波、超短波、UHF/S衛星通信及GPS/北斗衛星導航定位等業務需求。在不考慮多信道的情況下，系統的硬件組成可以采用如圖5所示的結構。

圖5　艦載無線通信系統的硬件平臺結構

圖5中電源模塊可為整個系統提供電源服務；系統控制模塊用于部署設備系統管理軟件，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絡交換相關的軟件單元；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的功能。針對艦載無線系統需要支持的業務較為復雜，需要能夠動態切換波形應用，甚至需要硬件單元可即插即用。因此在軟件通信體系結構上可以考慮部署SCA4.0規范[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構作軟件部署，另外在主控模塊部署與系統管理相關的軟件單元，為整個系統提供管理和控制。而由于射頻單元通常具有獨立的發展路徑[7]，針對軟件無線電系統應用，一般需要考慮寬頻段、射頻可編程、射頻可重構等方面的要求，對于艦載無線通信系統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軟件部署

3關于波形組件化設計

SCA規范中提出了參考網絡協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所示的組件結構。

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，難以體現軟件無線電所期望的方便升級、方便維護、方便新技術插入等方面的優點。而事實上，無線通信的處理過程，適合采用經典的管道濾波器設計模式，按照這一設計模式，根據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研究中，都較為重視波形組件化設計，根據歐盟ESSOR項目公開的資料顯示[5]，該項目的高數據率波形(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系統的實際能力及需求作相應的平衡考慮。

4關于設備的工程化開發流程

關于軟件無線電技術如何切入到設備的研發過程，國內還沒有成熟的模式。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、設備平臺各自經過獨立的測試驗證之后，再進行系統集成驗證，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者以及平臺開發者的技術門檻，使其專注于波形業務、設備平臺本身的需求。

5結語

本文主要圍繞軟件無線電技術的軍事化應用，尤其是該技術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問題進行探討，并提出相關的解決思路，期望通過新技術應用以及研發方法的改進，軟件無線電技術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.電臺軟件架構發展及其向SCA4_0演進的途徑分析[J].通信技術，2014，47(4):396-400.

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

[8] 孫佩剛，趙海，張文波，等.基于軟件通信體系結構的波形實現及其研究[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。黃耕文，男，博士，高級工程師，研究方向：軍用無線通信系統應用技術。

中圖分類號TN92

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.005