基于軟件無線電的艦船通信系統架構研究*

余　智　王　玲　汪慧君

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所　武漢　430074)

基于軟件無線電的艦船通信系統架構研究*

余智王玲汪慧君

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所武漢430074)

摘要傳統通信系統由各種功能單一的電臺組成,電臺之間相互獨立、頻段互異、調制類型各不相同,導致電臺之間的互通性很差,系統結構龐大,升級換代復雜。論文提出了一種基于軟件無線電的艦船通信系統,由一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺和各種可以加卸載的軟件構成,實現了多頻段、多模式通信,改變了目前通信系統設備集成式結構,大大減少系統的體積、簡化系統的控制與管理,提高系統的自動化、現代化,并能與目前的各種獨立電臺進行無縫連接,具有良好的兼容性。

關鍵詞軟件無線電; 通信系統

Class NumberTM933

1引言

新時期發展需求對艦船通信系統多模式、多頻段、多通道的對外無線通信能力提出了更高的要求。傳統通信系統,一套信道設備只能執行一個通道的特定頻段、特定模式的通信任務,以設備集成為特點的系統只能依靠增加通信設備的做法,以擴大通信容量。多模式、多頻段、多通道的多任務需求意味著信道設備配置數量的線性增加,必須尋求新的通信體系結構以適應通信系統小型化、綜合化、一體化的發展需求。

基于軟件無線電(SDR)的新一代通信系統通過共享通用的硬件組件,利用軟件的可移植性、可重用性,實現系統的可伸縮性與互連互通性,具備軟件可編程的的通信能力[1],支持新功能/新技術的再嵌入與低成本升級,滿足未來艦船通信發展需求。

2傳統通信系統體系結構

在適應新通信需求發展時,現有以設備集成方式為主的通信技術體制存在如下困難:

1) 裝備以硬件為核心、功能單一,每種通信設備是為特定用途而設計,通信能力的增加意味著通信設備的線性增長,使得系統硬件配置日益龐大、控制管理漸趨復雜,給本已狹小的艦船空間布置帶來了極大壓力,不堪負重;

2) 設備及天線布置難度增大、電磁兼容問題愈發突出,限制了通信系統新裝備和新能力的發揮;

3) 裝備型號種類繁多、電臺間互連互通性差;升級換代成本居高不下,通信能力擴展困難。

傳統通信系統組成如圖1所示[2]。

圖1　傳統通信系統組成

以硬件為核心設計的傳統技術體制已形成瓶頸式的發展,難以與滿足新發展需求,必須尋求新體系結構,解決通信系統及設備小型化、綜合化的難題。

3新一代艦船通信系統體系結構

3.1系統架構

軟件無線電是二十世紀九十年代初期提出的一種全新概念的無線電技術。其概念一經提出,很快就得到了廣泛的應用。軟件無線電技術以一個通用、標準和模塊化的硬件平臺為依托,通過軟件來實現無線電設備的各種功能,通過共享通用的、可互換的軟件與硬件組件,實現系統的可伸縮性與互連互通性,軟件無線電技術是實現系統集成與優化設計的重要技術手段。

基于軟件無線電的艦船通信系統具備多頻段/多模式/多通道的通信能力,人機界面(HMI)支持靈活的、可視化的配置與管理,能按需分配帶寬并支持話音、數據與視頻傳輸,支持新功能/新技術的再嵌入與低成本升級。系統總體架構如圖2所示。

新一代艦船通信系統的集成化和軟件化設計主要體現在三個層面:

1) 天線集成化設計

艦船上層建筑十分擁擠,電子系統中的各類天線,不但占用了上層建筑的大量空間,還帶來復雜的電磁兼容問題。新系統一體化設計盡可能地共享天線,減少艇上天線數量,同時采用天線共形設計,優化整體外形,減少RCS,改善電磁兼容性。由于天線綜合設計難度較大,可行目標是通過集成天線設計,對各類天線進行整合,把天線集成到一起或精簡為幾組,最大限度地壓縮天線數量。

圖2　基于軟件無線電的通信系統總體架構

2) 信道設備一體化設計

信道設備一體化主要借助軟件無線電技術,使軟件設計盡可能地靠近射頻前端,最大程度地體現射頻綜合一體化以及信道設備軟無化設計思路。

射頻綜合一體化設計主要通過多通道模擬射頻集成系統,實現多通道模擬下變頻器、多通道模擬上變頻器、功率庫和天線交換分配矩陣功能。多功能綜合集成系統可以根據目前的技術水平,將主要的頻段劃分為多個頻段,在各自的頻段上進行射頻綜合,如將2MHz～18GHz劃分為2～400M、0.4～2G和2～18G幾段[3]。多功能模擬射頻集成系統具有開放式結構,采用統一的中頻接口。

中頻之后信道設備采用軟無化設計,主要是采用一種模塊化的通用、靈活的信號處理平臺,通過軟件的方式實現無線電功能,在系統資源管理的調配下,在任意時刻根據需要下載相應的通信應用模塊,實現不同體制、不同功能應用波形,實現多通道多制式多功能的可重構軟件化信道機,并能同時通過加載軟件算法或是升級軟件就實現業務功能的升級與擴展[4]。

3) 資源管理與調配一體化

資源管理與調配中心實現對整個系統的流程控制、參數設置,并在人機界面(HMI)上支持靈活的、可視化的配置與管理。通信軟件功能模塊在系統軟件、功能隊列管理和一個圖形化功能用戶接口管理下有序工作,實現統一資源管理與調配,規劃系統的資源管理流程,減少人工干預環節,提高通信管理效率。

基于軟件無線電的新系統中,由于天線集成化、射頻綜合化、信道設備軟件無線電化三方面設計,硬件資源大部分實現共用,各部分功能大都由軟件實現。整個系統可以在共享通用的硬件平臺下,通過可互換的通信軟件,實現通信功能。

3.2系統特點

基于軟件無線電技術實現的新一代綜合通信系統,與傳統系統相比,新系統具有以下優點:

1) 系統模塊化:采用這種新型體系結構的通信系統,可用軟件來定義并實現系統功能,通過裁剪模塊配置不同需求的通信系統,保證了系統配置的靈活性與可管理性;

2) 可用標準硬件模塊結構來實現多通道、多模式、多任務通信,滿足了系統對多種通信能力的綜合集成的要求,同時有利于系統的小型化和一體化;

3) 自身體系結構的開放性,保證了系統與現役通信裝備互連互通能力,且方便了新波形的嵌入,能夠覆蓋各種通信頻段,全面兼容現役各種波形體制和信號制式,并具有良好可擴展性。

4) 業務智能化,用戶使用智能快捷;

5) 系統統一指揮、統一組織管理,分時分頻分域使用,改善了系統電磁兼容性能。

4系統技術方案

系統技術方案具體分資源調度管理體系、硬件體系、軟件體系、安全體系四部分進行設計。

4.1系統資源控制管理分層體系結構

軟件無線電的系統遵從統一的硬、軟件架構,通過配置軟件即可重置系統功能,為系統提供了良好的開放性和靈活性,系統結構也大為簡化,但卻給系統的控制與管理工作帶來了巨大挑戰。與傳統通信系統控制不同,系統中綜合控制除了常規管理外,更重要的是要能根據不同的任務對系統中的資源進行重配置、管理和控制。新體系采用面向對象的方法和基于任務管理的策略,運用統一的控制管理體系,系統資源控制管理分層體系結構如圖3所示。

如圖2所示,系統管理體系結構可分為四層,分別為基于任務的管理策略層、服務層、業務組件層和硬件資源層[5]。其中基于任務的管理策略層采用基于任務的管理策略,主要負責對通信任務進行分析和拆解,將一個工作任務分解為若干業務組件的功能組合。服務層基于組件技術為上層提供各種業務組件的管理功能,并同時為同一任務的業務組件間提供通信服務。業務組件層將業務進行面向對象化的封裝供功能層調用,對上層屏蔽具體的硬件細節。硬件資源層主要對系統中所有硬件資源提供驅動支持,并將硬件資源映射為運算資源進行對象化管理。

圖3　系統控制管理體系結構圖

采用面向對象的管理方法和基于任務的管理策略能夠使模塊化通信系統的靈活性得以充分發揮,滿足了系統按所需快速變化的要求。根據不同的使用需求,在系統資源的管理調度下,在共用的設計平臺上,通過加載不同的軟件,實現波形產生、信道重構處理,滿足不同通信功能的任務需求。

4.2基于軟件無線電的硬件體系架構

基于軟件無線電的新一代通信系統,其“軟無”化不僅表現在信道系統,而且還表現在終端設備,甚至表現在全系統的體系結構上。系統及其各類設備均應盡可能采用標準、統一的硬件和軟件結構,實現高度的模塊化、系列化、組合化。

基于軟件無線電的硬件體系設計功能組成如圖4所示。其邏輯上分信號處理段、信息安全段和消息處理段三部分,由五大功能模塊組成,分別是射頻前端、波形處理模塊、信息安全模塊、消息處理模塊、多功能接口模塊,每一部分執行的功能均可通過改變軟件而具有再次可編程的能力[6]。系統可配有多個通道,各通道根據系統的資源調度和分配要求在不同體制、頻段下工作。

寬帶射頻前端在一定頻帶范圍內實現對射頻信號和中頻信號的轉換工作。

波形處理是通信的核心部分,負責對寬帶射頻前端送出的中頻信號進行采樣,并使用多速率(變速率)處理技術對采樣后的數字信號進行處理,完成適當倍數的插值與抽取(采樣速率轉換)、信號濾波、符號速率匹配、調制解調、糾錯編解碼等工作。波形處理部分要求具有可編程能力和靈活調用處理算法的能力,一般采用通用高速數字信號處理器配合大規?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)來構成其主要硬件框架[7]。

信息安全段主要完成信息的加解密工作,同時還實現“黑區”和“紅區”的物理隔離。

消息處理模塊作為SAC體系結構中的核心硬件組件,負責設備管理、域管理、波形加載、協議處理和輸入輸出控制等通信任務和管理任務的處理工作。

多功能接口模塊承擔多種類型的接口轉換任務和網絡控制任務,具有可編程能力,可以適配各種已經裝備的網絡接口或總線接口。

4.3基于軟件無線電的開放式軟件架構及波形組件

基于軟件無線電的系統的核心思想是可配置和模塊化,如何在標準硬件平臺上組織和構建系統軟件,以實現多通道、多模式、多任務、可配置的能力是軟件無線電體系研究的重要內容。

本系統采用基于SCA標準的軟件組件結構來定義一個標準的、開放的、可互操作性的軟件平臺,通過該平臺,可以實現底層硬件與上層應用軟件相隔離,軟件總體架構如圖5所示。

圖4　軟件無線電硬件體系結構圖

圖5　軟件總體構架

該軟件體系結構由操作環境(Operating Environment,OE)和應用組件(Applications)組成。OE包括核心框架(Core Framework,CF)、CORBA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[6],構成了通用軟件平臺,是軟件體系結構的核心內容。所有應用采用組件設計形式,組件間通信由CORBA提供的邏輯“軟件總線”來完成,根據特定的功能,定制符合用戶需求的通信波形(Waveform),不同的波形在平臺上可以實現動態地加卸載。

使用中間件技術可為系統提供一個分布式的環境,保障軟件的可移植、可重用性和可擴展性。系統采用CORBA作為中間件技術,CORBA也可以理解為一種“軟總線”技術,它實際上是指為多個、多種類型的軟件模塊服務的一組虛擬的數據信息傳輸線[8]。這組虛擬的數據信息傳輸線是軟件,是一組通用的標準集成軟件模塊的接口界面,它是各軟件模塊之間進行數據傳輸與聯系的虛擬公共通道和接口界面。它起到類似于計算機系統硬件總線的作用,只要將應用模塊按總線規范生成軟插件,插入總線即可運行。

實時嵌入式操作系統可以為應用程序(包括CF)提供多進程、多線程的支持[9],它可以屏蔽不同硬件平臺間的差異,為上層軟件提供標準的硬件訪問接口和其它的基本操作系統服務,使得上層應用軟件具有設備無關性。

4.4基于軟件無線電架構的安全體系結構

作為艦船通信系統,信息的安全性是不可忽略的。為了保證用戶信息在發送、處理、存儲過程中的機密性和完整性,能夠對不同安全等級要求的信息進行傳輸和接收,確保不同的無線通信系統能夠互連、互通和互操作,必須形成安全體系結構。

系統安全需求包括:加解密機制、信息完整性、認證和授權、接入控制、審計、密鑰和認證管理、安全策略實施和管理、配置管理、內存管理、安裝機制標準化、頻譜管理、算法管理、時間管理、安全傳輸機制、策略管理、安全管理中心。根據安全需求設計了如下圖6基于組件的安全體系結構。安全架構作為通用無線電架構的一部分,通過組件的配合,可形成一個與原有面向對象的軟件無線電結合較為緊密,安全與通信架構融合為一體的通用軟件無線電安全架構。為了統一安全管理,定義了安全管理中心組件SMC(Security Management Center),其作用是管理所有的安全組件。這樣可以統一安全組件的管理,避免出現安全管理組件本身的混亂。安全管理中心作為一個資源(Resource)受上層管理,并且所有的安全組件都從資源接口繼承。

圖6　基于組件的通用軟件無線電安全架構

在安全體系結構中,整個系統的安全功能不只是由一個邊界分明的安全模塊來單獨完成,而由通信保密模塊、黑邊處理器和紅邊處理器共同來完成。無線通信系統的紅邊和黑邊必須相互隔離,不能直接進行信息交換,紅邊和黑邊所有的信息交換必須通過通信保密模塊進行控制和管理[10]。

5結語

近年來興起的軟件無線電技術極大地改變了艦船通信系統的體系結構和設計概念,研究新一代基于軟件無線電的通信系統,改變以往系統基于專用設備集成的“煙囪式”結構,由一個標準化、模塊化的通用硬件平臺和各種可以加卸載的軟件構成,實現多頻段、多模式的通信,解決系統集成的綜合化、模塊化和通用化問題[11],既能兼容傳統的通信手段,又能保證系統按任務所需快速變化的能力和滿足其便于擴展新功能的要求,提高了系統的自動化、現代化能力。

參 考 文 獻

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Architecture Research on the Ship Communication System Based on Software Radio

YU ZhiWANG LingWANG Huijun

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan430074)

AbstractTraditional communication system is composed of different radios with single function, which have different frequencies and modulation types. It leads to poor communication between the radios, great system structure, upgrading complex. This paper proposes a ship communication system based on software radio. It is structured by a general hardware platform which is open and standardized modular, and by various software which can add uninstall. It can realize multiband multimodal communication. This will simplify the control management system, improve the automation and modernization of communication system. It can also give seamless linking and good compatibility with the various radio.

Key Wordssoftware radio, communication system

*收稿日期:2015年12月3日,修回日期:2016年1月28日

作者簡介:余智,女,高級工程師,研究方向:通信系統。王玲,女,高級工程師,研究方向:通信系統。汪慧君,女,工程師,研究方向:通信系統。

中圖分類號TM933

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.003