基于軟件無線電戰術電臺軟件體系結構設計研究

文/余秀美 銀壯辰

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，自上個世紀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（簡稱SCA），包括設備的軟、硬件體系架結構、安全及波形接口規范，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。本文將結合戰術電臺的基本功能特點，開展基于軟件無線電的戰術電臺系統軟件體系結構設計研究。

2 戰術電臺的基本功能特征分析

戰術電臺除了支持多波形、多頻段、多信道、寬帶、抗干擾等無線通信相關功能之外；還需要進一步適應未來網絡化、業務綜合化、多任務、功能軟件定義化、小型化等方面的需要；對于設備的易操作性、可擴展性、易升級性、可靠性及維護性等用戶體驗相關要求也更高。相關設備不僅需要提供多種通信手段，也需要提供多種組網、媒體以及通信服務。系統功能如圖1所示。

（1）無線通信：提供戰斗網絡、自組網、TDMA、短波、超短波等多種波形、多頻段、多信道、多種裝備形態、寬帶、抗干擾等相關功能；

（2）組網服務：提供RAP、互連互通、轉發、路由、多數據鏈網絡接入等組網服務；

（3）媒體服務：提供話音、圖像、視頻、流媒體等媒體格式轉換；

（4）安全保密：包含傳輸安全，如物理層加解密；信息安全，如訪問控制、鑒權、認證、文件加密等；

（5）系統管理與控制：包括人機交互代理、網管代理、電臺管理、電臺控制、系統自檢、系統日志服務等；

（6）信息服務：多源數據融合等

（7）通信服務：無線性能增強，報文壓縮，區分服務（話音、話音、圖像、視頻、報文、文件、電子郵件、即時通信）等；

（8）數據服務：數據分發處理等。

3 系統軟件體系結構設計研究

基于軟件無線電的戰術電臺需采用開放體系架構，將模塊化的硬件單元通過標準接口構成通用的硬件平臺，用寬帶接收機代替窄帶接收機，將寬帶A/D、D/A變換器盡量靠近天線，通過加載波形軟件實現無線通信功能的通信系統。本文從軟件無線電戰術電臺系統軟件組成結構、軟件架構兩個方面展開系統軟件體系結構設計說明。

3.1 系統的軟件功能組成結構設計

基于圖1所示的戰術電臺的系統功能，下一代戰術電臺的系統軟件組成結構如圖2所示。

如圖2的系統軟件組成，除了系統操作環境之外，其它安全保密、業務、管理控制的相關模塊功能都已在系統功能中進行相關描述，不再贅述。而系統操作環境主要由操作系統、傳輸機制、核心框架、各類接口驅動、網絡協議棧、平臺設備及平臺服務組成，為系統的其它功能模塊提供統一的運行支持環境。

（1）實時操作系統為系統提供多進程、多線程支持，為了提高系統的上層軟件的可移植性，需要遵循POSIX標準，并且對于波形應用使用的接口，需要約束到更小的子集；

（2）接口驅動、網絡協議棧：提供設備的各種接口驅動，底層網絡協議棧等；

（3）傳輸機制：用于屏蔽底層傳輸鏈路的差異，為系統提供標準的客戶/服務器操作，支持分布式環境下組件之間的統一通信。通常在GPP環境中使用CORBA中間件作為傳輸，而對于DSP、FPGA等資源受限的環境，通常使用硬件抽象層作為傳輸機制。

（4）核心框架：提供平臺管理、波形管理、分布式文件系統等相關功能，具體接口要求遵循軟件通信體系結構規范要求，其功能可根據具體設備需要，進行柔性組合；

（5）平臺設備：平臺設備用于訪問系統硬件資源，遵循軟件通信體系結構規范的基本設備接口，其中針對商業成熟的模塊等，除了硬件平臺預留相關的接口，軟件上也采用邏輯設備對相關模塊進行抽象封裝；

（6）平臺服務：被應用所公用的非硬件組件，就稱作平臺服務組件，軟件通信體系結構規范不約束其接口。

圖1：戰術電臺的系統功能

3.2 系統的軟件架構設計

圖2所示的系統軟件可分為三層、四個子系統。三層包括基礎操作層、傳輸層和服務層；四個子系統分別為控制與管理子系統、服務子系統和無線傳輸子系統。其中控制與管理子系統的管理控制將作用于系統服務子系統和無線傳輸系統；系統服務子系統除了直接承載設備的某些功能，同時也為無線傳輸子系統提供傳輸數據；而安全保密子系統負責系統的傳輸安全和信息安全的相關功能；人機交互接口將直接響應電臺外部用戶的操作，并將操作的具體職能經過統一處理后，作用于系統的其它部分。具體如圖3所述。各部分系統之間的關聯關系由以下章節進行描述。

3.2.1 系統操作環境

系統操作環境，為系統其它部分的軟件提供運行環境，主要包括操作系統、核心框架、傳輸機制及平臺設備平臺服務。系統操作環境與其它部分的關聯關系如圖4所示。

3.2.2 人機交互接口

人機交互接口包括人機交互代理、網管代理、電臺參數注入、秘鑰參數注入，負責接收接收外界用戶的控制命令或業務數據，并將該數據提交至數據分發模塊或其他模塊，另一方面接收數據分發模塊或其他模塊返回的結果，并將該結果傳遞給外界數據請求者。與其它子系統的關聯結構如圖5所示。

3.2.3 管理與控制子系統

管理與控制子系統，負責對整個設備的控制與管理，該子系統與其它部分的關聯關系如圖6所示。

該子系統需響應外部資源的連接作命令、控制和狀態管理，具體包括本地的和遠程的HMI以及網絡管理等。外部控制操作不會直接作用于該子系統，而經過服務子系統的數據服務，將所有的控制命令進行統一的分發處理后，再根據具體功能作用于無線傳輸子系統或服務子系統。

系統操作環境為該子系統提供運行環境支持，相關的管理與控制模塊可以根據需要確定是否使用核心框架、中間件、平臺設備及平臺服務的接口，如系統自檢可以包含硬件自檢和軟件自檢，其中硬件自檢只需要基于硬件驅動，而不需要等待節點啟動之后再進行。

一些管理控制功能需要經過安全保密措施，才能進行具體的控制操作，比如遠程的波形加/卸載，需要經過訪問控制、認證等安全處理后，才可以執行實際的波形控制模塊的加/卸載功能。

圖3：基于軟件無線電的戰術電臺系統軟件體系結構組成

圖4：系統操作環境的系統關聯結構

圖5：人機交互接口的系統關聯結構

3.2.4 無線傳輸子系統

無線傳輸子系統根據任務需要，加載合適的波形，完成業務數據的可靠傳輸。該子系統與其它部分的關聯關系如圖7所示。

系統操作環境為該子系統提供運行環境支持，包括操作系統、核心框架、傳輸機制、平臺設備及平臺服務支持。

控制與管理子系統負責控制相關波形加載、切換以及參數配置等相關的管理控制；

服務子系統為該子系統提供待傳輸的業務數據；

傳輸安全由安全保密子系統的傳輸加密負責保障。

3.2.5 服務子系統

服務子系統主要是提供各種標準化的功能服務，包括數據服務、組網服務、通信服務、信息服務及媒體服務。該子系統與其它部分的關聯關系圖8所示。

系統操作環境為該子系統提供運行環境支持，服務子系統主要使用操作系統的API。

外部人機交互的業務數據和控制數據都需要使用該子系統的數據服務進行統一處理，再與其它模塊或子系統交互；

待傳輸的數據經過該子系統相關的服務處理后，如使用通信服務進行傳輸優化處理，再傳遞給無線傳輸子系統。

服務處理需要增加安全措施，需要使用安全保密相關模塊進行安全處理之后，再返回到服務子系統進行處理；

控制與管理子系統根據外部操作命令，對服務子系統實施相關的控制管理。

圖6：管理與控制子系統的系統關聯結構

圖7：無線傳輸子系統的系統關聯結構

圖8：服務子系統的系統關聯結構

圖9：安全保密子系統的系統關聯結構

3.2.6 安全保密子系統

安全保密子系統是系統架構的一部分，為整個設備提供安全保密的功能。

管理與控制子系統提供的一些管理與控制操作需調用安全保密子系統提供的接口，如需調用安全保密子系統的權限查詢接口，為當前用戶提供相應權限的操作。

服務子系統一些服務需與安全保密子系統進行交互，如安全保密子系統解密后的信息需通過服務子系統的數據分發服務發送到指定模塊中。

無線傳輸子系統需使用安全保密子系統提供的接口，如在進行狀態信息存儲前調用安全保密子系統的狀態信息加密接口對其進行加密處理。

系統操作環境除了為安全保密子系統提供運行環境外，安全保密子系統還會對系統中的文件等進行加/解密操作。

安全保密子系統的系統關聯結構如圖9所示。

4 結語

本文結合戰術電臺的基本功能特點，開展了基于軟件無線電的設備系統軟件體系結構研究，提出了相關的參考設計框架。本文所提出的系統軟件體系結構與以往基于軟件無線電的系統軟件體系結構相比，針對軟件通信體系結構規范的內容主要體現為系統的操作環境，而系統其它功能單元則更多從設備的功能特征出發，因此更貼近設備需要，可作為軟件無線電技術在具體設備應用的設計參考。

參考文獻

[1]Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System,Software Communication Architecture Specifica tion,Version4.1[s].2015.

[2]Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System,Software Communication Architecture Specifica tion,Version2.2.2[s].2006.

[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]余秀美,黃耕文.關于軟件無線電技術軍事化應用思考[J].艦船電子工程,2016(05):17-21.

[5]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(05):65-68.

[6]李莉,彭雋.基于軟件無線電的短波通信系統設計[J].艦船電子工程,2013(08):76-78.

[7]彭麟,張明民,劉文斌,丁建鋒.SCA車載電臺系統設計[J].通信技術,2014,47(08):959-962．

[8]余智,王玲,汪慧君．基于軟件無線電的艦船通信系統架構研究[J].艦船電子工程,2016(06):8-12.

[9]劉文斌,廖文瑜,彭麟,丁建鋒.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(04):396-400.

[10]張海燕,叢鍵.一種新型SCA電臺的分析與設計[J].通信技術,2014(09):21-22.