新一代航空數(shù)據(jù)鏈端機的SCA架構(gòu)設(shè)計?

鐘瑜，陳穎，盧建川

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

新一代航空數(shù)據(jù)鏈端機的SCA架構(gòu)設(shè)計?

鐘瑜，陳穎，盧建川

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

新一代航空數(shù)據(jù)鏈端機發(fā)展技術(shù)需求和SCA自身技術(shù)優(yōu)勢具有高度的一致性，研究SCA技術(shù)在設(shè)備中的設(shè)計實現(xiàn)具有重要意義。通過系統(tǒng)抽象模型構(gòu)建、SCA設(shè)備開發(fā)流程分析以及流程中相應(yīng)的系統(tǒng)構(gòu)件化建模、域描述文件產(chǎn)生、應(yīng)用安裝部署、波形開發(fā)等關(guān)鍵設(shè)計，提出了數(shù)據(jù)鏈端機設(shè)備的SCA架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)方法。

航空數(shù)據(jù)鏈；聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)；軟件通信體系結(jié)構(gòu)；波形開發(fā)規(guī)范

1 引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，數(shù)據(jù)鏈作為戰(zhàn)場神經(jīng)系統(tǒng)，通過信息處理、傳輸和分發(fā)將指揮控制、戰(zhàn)場態(tài)勢等信息進行全軍共享，實現(xiàn)指揮機構(gòu)、作戰(zhàn)部隊、武器平臺鏈接為一體。而航空數(shù)據(jù)鏈作為空中信息樞紐，基于全球柵格狀信息網(wǎng)（GIG）構(gòu)建的聯(lián)合作戰(zhàn)體系通過全維、立體、多頻段、多節(jié)點的柵格化信息交換和智能化信息獲取方式，最大限度地將信息轉(zhuǎn)化為戰(zhàn)場科學(xué)決策能力和作戰(zhàn)能力。美軍是最早開展數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)研制的國家，其數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的裝備和發(fā)展狀況對于面向新一代航電系統(tǒng)的航空數(shù)據(jù)鏈平臺的建設(shè)有很大的借鑒作用。本文將從美軍航空數(shù)據(jù)鏈主要現(xiàn)狀入手，分析其技術(shù)背景和發(fā)展趨勢，提出相應(yīng)設(shè)計思路。

2 航空數(shù)據(jù)鏈主要發(fā)展方向和技術(shù)現(xiàn)狀

美軍現(xiàn)役主要的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈有：主要用于海軍戰(zhàn)斗群內(nèi)艦艇之間戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)交換的Link-11 A／B；主要用于艦載飛機作戰(zhàn)指揮和飛行引導(dǎo)的Link-4 A／C；主要用于戰(zhàn)機、海軍艦船和載機間的任務(wù)管理、武器協(xié)調(diào)、電子戰(zhàn)、情報監(jiān)視、導(dǎo)航以及話音加密通信

航空數(shù)據(jù)鏈平臺是數(shù)據(jù)鏈信息網(wǎng)的空中樞紐，美軍針對第四代戰(zhàn)斗機隱身、先進航電、機載武器以及高機動、超音速巡航等新的戰(zhàn)技能力要求，開展了新一輪的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)改進。最具代表性的是F -22使用的戰(zhàn)機與其他空中平臺及地面中心之間進行戰(zhàn)場態(tài)勢信息共享和機載武器協(xié)同的內(nèi)部飛行數(shù)據(jù)鏈（IFDL），這種采用多波束天線和具備全雙工數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的新型數(shù)據(jù)鏈也稱為機間數(shù)據(jù)鏈。另一方面，美軍目前正針對地面指揮系統(tǒng)對F-22的指揮需求，在Link-16數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)上為F-22裝備基于“戰(zhàn)術(shù)目標瞄準網(wǎng)絡(luò)”TINT波形數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)基于因特網(wǎng)協(xié)議的高速動態(tài)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)兼容。

美軍對新一代航空數(shù)據(jù)鏈建設(shè)體現(xiàn)出如下特點和發(fā)展方向：

（1）在開放式體系架構(gòu)下嵌入新體制波形、消息標準和組網(wǎng)協(xié)議等，通過與現(xiàn)有電臺等設(shè)備擁有相同的波形因數(shù)保證與原有系統(tǒng)的兼容性；

（2）提高端機設(shè)備的傳輸帶寬、實時處理能力、抗干擾抗截獲能力以及安全保密性等戰(zhàn)技指標性能；

（3）不斷提升數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)能力，實現(xiàn)從戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈終端向聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)演變；

（4）通過武器指揮、飛控等作戰(zhàn)武器平臺的信息鉸鏈，并與航電系統(tǒng)的集成后，協(xié)同形成作戰(zhàn)部隊新的戰(zhàn)斗力。

從技術(shù)發(fā)展趨勢看，軟件無線電（SDR）技術(shù)是設(shè)計具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統(tǒng)的必然手段，經(jīng)過近二十年發(fā)展已逐步趨于成熟并在國外民用和軍用產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。而軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）技術(shù)正是其發(fā)展過程中對SDR技術(shù)核心設(shè)計思想的集中體現(xiàn)，因此，美軍為解決其戰(zhàn)術(shù)通信長遠發(fā)展問題而啟動的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)（JTRS）計劃，采用了軟件無線電的設(shè)計思想，并定義了SCA規(guī)范，建立了JTRS系統(tǒng)開發(fā)框架。

SCA的基本目標是為管理無線電系統(tǒng)提供一個通用的軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)層面上提出構(gòu)造軟件無線電臺的方法和要素，以及在該框架下軟件的通信體制和管理方法。規(guī)范描述了一個組件的集合，以及如何將組件配置、安裝到一個無線電系統(tǒng)中的功能波形應(yīng)用中，這些內(nèi)容組成了一個定義和構(gòu)建軟件無線電系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時提供了波形或其他應(yīng)用組件在SCA兼容的無線電系統(tǒng)中運行的接口、規(guī)則、約束和規(guī)程等構(gòu)成的運行環(huán)境，包括核心框架（CF）、公共目標請求代理（CORBA）以及操作系統(tǒng)（OS）［1］。

CF提供波形和其他應(yīng)用構(gòu)件使用的通用服務(wù)的集合；波形構(gòu)件的安裝、配置、管理和控制；通用文件系統(tǒng)操作和跨越多種處理平臺訪問的聯(lián)合文件系統(tǒng)；通用底層物理硬件抽象的設(shè)備接口。

CORBA是與HTTP類似的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議層，處于數(shù)據(jù)傳輸機制之上，由于公共目標代理和接口腳本IDL的使用，CORBA支持數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的定制、優(yōu)化和軟件應(yīng)用動態(tài)插入。

OS主要指通用CPU或DSP類專用處理器采用的Vxworks、Linux以及DSP／BIOS等位于底層硬件之上的軟件調(diào)度管理平臺。

本世紀初SCA技術(shù)研究興起，近兩年已逐步從研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)品化，國外陸續(xù)出現(xiàn)了相應(yīng)的設(shè)備和貨架式產(chǎn)品，突出的技術(shù)優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)：

（1）開放式的體系架構(gòu)和通用POSIX操作環(huán)境適用于多種嵌入式異構(gòu)分布應(yīng)用環(huán)境；

（2）構(gòu)件化的軟件設(shè)計和標準應(yīng)用接口結(jié)合貨架式通用硬件平臺，極大地提高了應(yīng)用的快速集成效率；

（3）規(guī)范化的軟硬件部署、配置、控制和監(jiān)測接口，降低了新應(yīng)用插入和新技術(shù)擴展復(fù)雜度；

（4）軟件通信中間件和硬件抽象層等組成的SCA基礎(chǔ)軟件平臺提供了應(yīng)用軟件的互操作手段，提高了軟件的可移植性、可擴展性；

（5）有效降低了設(shè)備開發(fā)、調(diào)試、測試、綜合集成以及使用維護全壽命周期成本。

結(jié)合下一代航空數(shù)據(jù)鏈的主要發(fā)展方向和端機設(shè)計相應(yīng)技術(shù)需求，SCA技術(shù)的應(yīng)用將從設(shè)計上保證端機設(shè)備兼容性、擴展性和“三化”要求，同時降低設(shè)備開發(fā)、測試等研制成本和使用維護或綜合集成成本。因此，有必要開展航空數(shù)據(jù)鏈端機設(shè)備的SCA技術(shù)應(yīng)用研究。

3 主要設(shè)計思路

從概念上講，一個SCA的無線電系統(tǒng)具備3個部分：一是波形開發(fā)，二是核心框架，三是域描述。3個部分都可以從物理和邏輯上進行分析［2］。如圖1所示。

圖1 軟件無線電系統(tǒng)的抽象層次Fig.1 The abstraction layer in a radio system

對于波形開發(fā)部分，一個電臺系統(tǒng)從物理上看到的是硬件設(shè)備，而波形則是加載到這些物理設(shè)備上的軟件。從邏輯上看則有兩個層面，一是整套組件形成的波形應(yīng)用或是其他系統(tǒng)服務(wù)，二是提供頂層接口和這一套構(gòu)件控制的應(yīng)用。

核心框架（CF）部分則包括管理無線電系統(tǒng)和部署應(yīng)用所需的所有軟件，從物理上看，CF提供無線電系統(tǒng)中物理設(shè)備的高級管理，從邏輯上CF同樣提供了對波形應(yīng)用和其他服務(wù)的管理。

域描述部分是包含了一系列XML文件，用于描述系統(tǒng)中的硬件資源、波形應(yīng)用結(jié)構(gòu)和波形組件間的關(guān)系連接以及硬件資源間的關(guān)系。

因此，SCA電臺主要開發(fā)過程包括如下幾部分工作：

（1）設(shè)備體系架構(gòu)定義，開展CF、CORBA和OS構(gòu)成的軟件運行環(huán)境，硬件資源配置等體系架構(gòu)設(shè)計；

（2）資源配置XML文件產(chǎn)生，波形、協(xié)議等軟件組件配置、控制、連接以及硬件配置等系統(tǒng)資源配置管理域描述文件設(shè)計；

（3）波形構(gòu)件開發(fā)、建模設(shè)計，針對某一波形應(yīng)用在運行環(huán)境之上進行波形處理軟件的開發(fā)、波形構(gòu)件建模和SCA框架代碼生成；

（4）應(yīng)用部署和運行維護，整機維護工程師根據(jù)XML域描述文件定義對波形應(yīng)用進行裝配、部署和實時監(jiān)測、管理，最終實現(xiàn)電臺相應(yīng)功能。

4 設(shè)計實現(xiàn)途徑

典型SCA電臺硬件設(shè)備管理器管理對象主要有兩種類型，一種是包含軟件集中處理單元的如數(shù)字信號處理和通用控制處理等ExcutableDevice，另一種是智能天線、射頻接收激勵、功放等不可編程模塊，但其控制接口可擴展為LoadableDevice［3］。因此，SCA電臺設(shè)備資源建模如圖2所示。

（1）射頻類擴展類

信號下行傳輸時，完成射頻模擬信號的頻率變換到中頻、濾波、AD采樣等，產(chǎn)生數(shù)字中頻，信號上行傳輸時反之。射頻類控制接口在可編程嵌入式處理器中實現(xiàn)收發(fā)頻點、帶寬、功率等信息的收發(fā)和控制。

（2）數(shù)字信號處理類

完成數(shù)字中頻信號調(diào)制／解調(diào)、基帶數(shù)據(jù)比特流處理得到用戶數(shù)據(jù)以及信息加解密和人機訪問接口控制。設(shè)備包括運行設(shè)備管理器的通用處理器（GPP），以及完成波形和協(xié)議處理的數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。

此外，設(shè)備管理器還對整機總線、機箱的模塊插槽數(shù)、組成要素、背板類型、平臺環(huán)境、功率和冷卻要求屬性進行管理。

圖2 SCA電臺設(shè)備建模Fig.2 The SCA radio component-basedmodeling

SCA電臺軟件開發(fā)的整個應(yīng)用系統(tǒng)如圖3所示，包含了與SCA規(guī)范兼容的軟件平臺、開發(fā)平臺、運行維護平臺三方面?；镜能浖脚_包含了若干波形、協(xié)議等應(yīng)用構(gòu)件，CF、CORBA和OS組成的應(yīng)用運行環(huán)境，以及底層硬件抽象和驅(qū)動。

開發(fā)平臺主要實現(xiàn)軟件運行環(huán)境的構(gòu)建以及軟件構(gòu)件、硬件配置等模型的XML域描述文件產(chǎn)生以及應(yīng)用構(gòu)件的開發(fā)，其中還包括應(yīng)用工程師開發(fā)遵循的波形、協(xié)議等應(yīng)用構(gòu)件開發(fā)、測試的相應(yīng)規(guī)范和標準。

運行維護平臺主要解決波形、協(xié)議和其他應(yīng)用構(gòu)件的裝配、部署、管理和控制，以及應(yīng)用線程的實時監(jiān)測和日志管理，提供電臺整機的內(nèi)場測試和外場安裝調(diào)試和排故手段。

圖3 SCA電臺軟件應(yīng)用開發(fā)平臺Fig.3 The development platform of SCA radio application

在完成應(yīng)用軟件運行環(huán)境構(gòu)建以及軟件構(gòu)件和硬件配置等XML域描述文件產(chǎn)生后，針對某一波形應(yīng)用構(gòu)件建模如圖4所示。

圖4 SCA電臺軟件構(gòu)件建模Fig.4 The developmentof SCA radio component-basedmodeling

5 SCA波形開發(fā)規(guī)范

SCA系統(tǒng)開發(fā)過程中一方面重點是構(gòu)建CF、域描述文件等SCA應(yīng)用運行系統(tǒng)，另一方面，針對SCA波形、協(xié)議等應(yīng)用設(shè)計的標準化開發(fā)規(guī)范是航空數(shù)據(jù)鏈端機SCA技術(shù)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

如圖5所示的開發(fā)流程，SCA波形開發(fā)規(guī)范應(yīng)在波形算法信號處理代碼設(shè)計、框架代碼嵌入、應(yīng)用部署和管理控制接口等方面對波形設(shè)計和開發(fā)人員提出了相關(guān)的設(shè)計約束和標準方法，從而實現(xiàn)波形構(gòu)件與CORBA中間件的規(guī)范接口；與核心框架提供的各種控制和服務(wù)接口；與嵌入式實時操作系統(tǒng)的基本服務(wù)接口，最終實現(xiàn)波形應(yīng)用的標準化設(shè)計［4-5］。因此，SCA波形開發(fā)規(guī)范將主要涉及開發(fā)流程中的以下幾方面：

（1）算法組件設(shè)計，建立信號處理波形算法仿真和實現(xiàn)代碼，該部分主要將形成基礎(chǔ)波形輸入輸出數(shù)據(jù)接口、控制接口等標準；

（2）組件硬件抽象層連接HAL設(shè)計，完成波形組件的封裝，該部分主要將形成基礎(chǔ)波形代碼編譯生成、波形代碼封裝等標準；

（3）XML域描述文件生成，產(chǎn)生軟件包描述（SPD）、軟件組件描述（SCD）、設(shè)備包描述（DPD）等文件，該部分將主要形成SCA波形域描述文件生成等標準；

（4）建立SCA波形應(yīng)用，配置算法組件實體分布、連接和約束等，形成軟件裝配描述（SAD）文件，該部分將主要形成SCA應(yīng)用裝配等標準；

（5）應(yīng)用安裝，依據(jù)SAD文件將SPD、SCD等若干文件和功能代碼拷貝到指定的硬件運行環(huán)境，構(gòu)成設(shè)備功能應(yīng)用條件，該部分將主要形成SCA波形安裝等標準；

（6）SCA應(yīng)用的部署和測試，核心運行環(huán)境讀取SAD等信息部署應(yīng)用后，對已部署應(yīng)用初始化配置和輸入輸出、連接進行測試并運行應(yīng)用功能，該部分將主要形成SCA波形部署、SCA波形測試、SCA波形維護等標準。

圖5 信號處理算法、協(xié)議等波形封裝Fig.5 The development of signal processing waveform encapsulation

6 結(jié)束語

SCA技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，其技術(shù)優(yōu)勢符合新一代航空數(shù)據(jù)鏈端機的發(fā)展方向和技術(shù)要求，本文在提出端機設(shè)備SCA技術(shù)應(yīng)用的整體設(shè)計思路和主要實現(xiàn)技術(shù)途徑基礎(chǔ)上，強調(diào)SCA波形設(shè)計規(guī)范在工程化應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。因此，在航空數(shù)據(jù)鏈端機SCA技術(shù)應(yīng)用過程中還需依據(jù)設(shè)計流程相關(guān)要素，開展深入研究并形成適用于端機產(chǎn)品工程化要求的波形開發(fā)標準，充分發(fā)揮SCA技術(shù)對新一代航空數(shù)據(jù)鏈端機研制帶來的優(yōu)勢。

［1］JTRS-5000 SCA V2.2.2，Software Communications Architecture Specification［S］.

［2］Bard J，Vincent J，Kovarik Jr.Software Defined Radio：The Software Communications Architecture［J］.Hoboken，NJ，USA：Wiley，2007.

［3］JTRS-5000 SPV3.0，Specialized Hardware Supplement to the Software Communication Architecture（SCA）Specification［S］.

［4］Cook P G，Bonser W.Architectural Overview of the SPEAKeasy System［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17（4）：650-661.

［5］Pucker L.Applicability of The JTRSSoftware Communications Architecture In Advanced Milsatcom Terminals［C］／／Proceedings of IEEE Military Communications Conference.［S. l.］：IEEE，2006：1-5.

ZHONG Yu was born in Zizhong，Sichuan Province，in 1979.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns developmentofembedded system and wireless communication algorithm.

Email：Jade.zhong＠hotmail.com

陳穎（1973—），男，江西臨川人，博士，研究員，主要研究方向為系統(tǒng)工程、數(shù)字信號處理技術(shù)等。

CHEN Ying was born in Linchuan，Jiangxi Province，in 1973. He isnow a senior engineer of professorwith the Ph.D.degree.His research interests include system engineering and digital signal processing，etc.

盧建川（1964—），男，重慶人，碩士，研究員，主要研究方向為航空電子系統(tǒng)工程等。

LU Jian-chuan was born in Chongqing，in 1964.He is now a senior engineer of professorwith the M.S.degree.His research interests include aeronautical electronic system engineering，etc.

Structure Design of Software Communications Architecture for New Generation Radio of Aeronautic Data Link System

ZHONG Yu，CHEN Ying，LU Jian-chuan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The development requirements of new-generation aeronautic data link radio and the advances of Software Communications Architecture（SCA）have high coherences，consequently，the research of SCA implementation in radio is important.In this paper，the abstraction layer in a radio system and the programming of SCA system design are introduced，the component-based software development，domain profile，application installation and thewaveform developmentare designed，the overall designs of SCA for the radio of aeronautic data link system are discussed.

aeronautic data link；JTRS；software communication architecture；waveform development specification

TN913

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.005

鐘瑜（1979—），男，四川資中人，碩士，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)和無線通信算法的研發(fā)；

1001-893X（2012）04-0447-05

2012-01-05；

2012-03-29的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)Link-16；與北約共同開發(fā)并兼容Link-16的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)Link-22。