一種新型SCA電臺的分析與設(shè)計

張海燕， 叢 鍵

（西南通信技術(shù)研究所，四川 成都 610041）

0 引言

戰(zhàn)術(shù)電臺作為機步師、快反旅等戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中用于構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要通信裝備，長期以來都獲得高度重視和重點發(fā)展。借鑒美軍戰(zhàn)術(shù)電臺的裝備體系建設(shè)規(guī)劃和技術(shù)演進路線，新型戰(zhàn)術(shù)電臺的發(fā)展趨向于在通用化的電臺硬件平臺上集成多種通信模式、覆蓋更寬頻段、支持多種用途并具備先進的安全保密和抗干擾能力。

在戰(zhàn)術(shù)無線通信的使用環(huán)境中，通常缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，因此具有自組織、自愈合的移動自組網(wǎng)功能，是新型電臺需要具備的基本能力，具體包括：支持路由、中繼、網(wǎng)關(guān)等多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；提供點對點、點對多點、組播、廣播多種網(wǎng)絡(luò)通信模式、能自動實現(xiàn)入網(wǎng)、退網(wǎng)、重入網(wǎng)；能支持子網(wǎng)內(nèi)、子網(wǎng)間動態(tài)路由；能夠動態(tài)控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、路由機制和帶寬分配等。

由于無線電信號的傳播特點，無線通信部分是戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中較容易入侵的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的基于業(yè)務(wù)流的加密技術(shù)已無法滿足新型電臺網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的安全保密需求。本文重點參照 JTRS系列電臺的設(shè)計思想，基于SCA的紅黑隔離機制，設(shè)計一種具有安全保密功能的新型電臺以滿足戰(zhàn)術(shù)通信安全保密的組網(wǎng)應(yīng)用需求。

1 美軍JTRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從JTRS的設(shè)計目標[1]來看，與民用通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展思路近似，即通過減少網(wǎng)絡(luò)體系中節(jié)點的種類（JTRS是通過讓同一種設(shè)備能夠承擔(dān)更多的應(yīng)用功能來達到這一目標），來構(gòu)造一個扁平化的、全IP的、具有全球無縫覆蓋能力的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]。

JTRS的應(yīng)用場景中主要包括以下要素：

1）海上單位通過AMF-M或MIDS-J經(jīng)衛(wèi)星連接到空中平臺，實現(xiàn)到GIG的接入。

2）陸地單位GMR與HMS通過WNW、SRW構(gòu)建若干個子網(wǎng)，并經(jīng)過AMF-SA/空中平臺或經(jīng)過UHF SATCOM實現(xiàn)子網(wǎng)間的互聯(lián)以及接入到GIG。

3）覆蓋范圍：WNW/SRW 用于構(gòu)建小范圍的局域網(wǎng)絡(luò)；WNW 用于為局部地理范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)互連，提供干線傳輸支撐；JAN-TE、UHF SATCOM、Link16用于實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)互連；MUOS用于實現(xiàn)GIG的全球覆蓋目標。

JTRS部署應(yīng)用典型場景[3]如圖1所示。

JTRS系統(tǒng)由一系列具有覆蓋較寬頻率范圍、具有MANET路由選擇能力、基于SCA架構(gòu)的SDR系列電臺構(gòu)成。JTRS計劃是以增量的方式[4]推進，處于每一層網(wǎng)絡(luò)體系上的電臺部署的波形都是具備MANET能力的組網(wǎng)波形，每種組網(wǎng)波形不僅能完成戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中某一特定作戰(zhàn)需求，而且為基于IP的業(yè)務(wù)提供通用傳輸能力。目前，按照 JTRS 演進步驟已基本完成WNW、SRW、MUOS及JAN_TE四種波形在不同的 JTRS的各域上的功能、性能驗證工作，已完成驗證的 JTRS中的電臺及組網(wǎng)波形類型如表1所示。

表1 已完成驗證的電臺及組網(wǎng)波形

2 兩款典型新型電臺[4]網(wǎng)絡(luò)特性分析

（1）AN/PRC-155電臺

JTRS HMS項目中的MP背負式電臺（AN/PRC-155）是第一種支持雙信道的SDR戰(zhàn)術(shù)電臺，具備滿足“網(wǎng)絡(luò)中心”要求的連通性和與現(xiàn)役電臺的互操作性能力。AN/PRC-155安裝了兩種先進波形：SRW、MUOS（移動用戶目標系統(tǒng)）。AN/PRC-155電臺配置了SRW波形后具備的通信性能如表2所示。

表2 配置SRW波形的AN/PRC-155電臺通信性能

（2）JTRS GMR

GMR（AN/VRC-107）是為 JTRS提供區(qū)域范圍的一種骨干通信手段來設(shè)計的，也是JTRS中最重要的項目計劃之一，GMR重點強調(diào)的是互操作性、組網(wǎng)能力、自適應(yīng)能力與靈活性。GMR支持的波形包括：WNW、SRW、UHF SATCOM等。JTRS GMR電臺配置了WNW波形后具備的通信性能如表3所示。

表3 配置WNW波形的AN/PRC-155電臺通信性能

3 新型電臺體系結(jié)構(gòu)

新型電臺的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計參考美軍 JTRS系統(tǒng)電臺，均采用SCA系列版本(SCA2.2及SCA2.2.2)[5]作為其系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。SCA強調(diào)通過多波形的集成能力，使新型電臺具備良好的多用途工作能力，并提升無線通信應(yīng)用中的互操作能力。同時，由于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的特點，SCA對于通信安全保密性能相對其他方向有更高的要求，SCA規(guī)范的電臺體系架構(gòu)如圖2所示。

基于SCA規(guī)范的電臺軟件體系架構(gòu)將傳統(tǒng)電臺軟件設(shè)計從應(yīng)用到驅(qū)動一體化設(shè)計演變?yōu)榉謱釉O(shè)計，即分解為電臺操作環(huán)境（OE，Operation Environment）和組網(wǎng)波形。

3.1 電臺操作環(huán)境（OE）[6]

新型電臺與傳統(tǒng)電臺軟件相比增加了 OE用于電臺的運行管理及波形的實現(xiàn)。新型電臺的 OE由操作系統(tǒng)、消息機制、核心框架構(gòu)成。

實時操作系統(tǒng)層為上層的應(yīng)用(包括核心框架和波形應(yīng)用)提供多線程支持。為了實現(xiàn)上層應(yīng)用的可移植性，SCA規(guī)范都要求有標準的操作系統(tǒng)接口，作為操作系統(tǒng)服務(wù)的提供者。另外，操作系統(tǒng)為上層應(yīng)用程序提供標準的硬件訪問接口，屏蔽了底層硬件的異構(gòu)性。

消息機制為波形應(yīng)用部署在軟件平臺的部分提供與硬件平臺無關(guān)的統(tǒng)一消息機制，在新型電臺上主要采用三種消息機制，分別是：

1）GPP類處理器間的輕量級遠程過程調(diào)用（light weight Remote Procedure Call，lwRPC），通過lwRPC可以充分利用非共享內(nèi)存的多處理器環(huán)境（如通過公共總線或者rapidIO交換），在傳輸層上實現(xiàn)了一種邏輯的客戶／服務(wù)器通信方法。

2）用于GPP和CE（處理單元）間通信的MHAL，MHAL是對SCA規(guī)范的一個補充，只用于GPP與CE類信號處理芯片的波形組件通信。MHAL能通過復(fù)制的實現(xiàn)來重定向數(shù)據(jù)流，從而在波形啟動時動態(tài)配置處理器上的資源。重定向數(shù)據(jù)鏈和可重新配置的能力對實現(xiàn)容錯和QoS功能的系統(tǒng)十分重要。

3）GPP內(nèi)部通信機制，采用共享內(nèi)存、消息機制等提供GPP內(nèi)部組件間的高效信息交互。

3.2 組網(wǎng)波形

新型電臺的波形采用IP標準的分組交換設(shè)計，采用IPv4配合安全保密模塊共同使用的方式確保無線戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)的安全。新型電臺采用MANET組網(wǎng)協(xié)議及技術(shù)，其信息分組的格式、路由與信令協(xié)議應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、無線傳輸鏈路帶寬受限、電磁環(huán)境惡劣、易受到干擾和攻擊等特點的要求。

組網(wǎng)波形針對自組織/自愈合的MANET的新型電臺應(yīng)用模式，涵蓋了TCP/IP模型的全部內(nèi)容，含多個功能實體，包括：RF、Modem、數(shù)據(jù)鏈路、子網(wǎng)內(nèi)移動互連、INFOSEC（安全保密）、子網(wǎng)間移動互連等。

新型電臺的組網(wǎng)波形設(shè)計采用軟件無線電（SDR）混合無線協(xié)議棧架構(gòu)的設(shè)計思想，波形具有可移植性、可重用性優(yōu)點。符合SCA規(guī)范的標準波形組件，使不同的通信制式、通信協(xié)議可以通過使用或繼承的方式?；谲浖o線電方便的將這些波形組件加載到無線綜合傳輸系統(tǒng)中，既支持現(xiàn)役的各種通信波形技術(shù)，同時又可以添加和擴展新的波形技術(shù)。

圖2 SCA規(guī)范定義的電臺體系架構(gòu)

波形軟件設(shè)計具有如下技術(shù)特點：

1）平臺與波形相獨立，且具有良好的開放性，波形支持動態(tài)部署，且只需要少量的移植代價就可以重新部署到新的平臺。

2）在 GPP類具有實時操作系統(tǒng)支撐的操作環(huán)境中，設(shè)計符合SCA規(guī)范的標準波形組件，該類波形組件完成波形裝配控制及波形應(yīng)用層及網(wǎng)絡(luò)層的功能，不同波形的應(yīng)用層及網(wǎng)絡(luò)層相似的部分可以通過組件的方式相互繼承。

3）在DSP類具有BIOS操作系統(tǒng)的操作環(huán)境中，按照 MANET無線協(xié)議棧分層思想設(shè)計波形數(shù)據(jù)鏈路層和物理層部分波形，不同波形的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，DSP類軟件的加載通過GPP處理器統(tǒng)一部署。

4）對FPGA類對信號處理實時性要求高的處理器，其軟件設(shè)計采用傳統(tǒng)設(shè)計方式，實現(xiàn)高速實時信號收發(fā)處理，F(xiàn)PGA類軟件的加載通過GPP處理器統(tǒng)一部署。

4 新型電臺采用的安全策略

新型電臺采用三種機制保障新型電臺在無線上的安全應(yīng)用，三種機制分別涉及新型電臺硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)策略三個方面。

4.1 硬件設(shè)計

電臺硬件設(shè)計按照SCA規(guī)范紅黑隔離的需求設(shè)計，紅邊數(shù)字電路和黑邊數(shù)字電路中間由加密模塊完全隔開，加密前數(shù)字電路稱為紅邊硬件，加密后數(shù)字電路稱為黑邊硬件。紅邊硬件部分包括電臺應(yīng)用接口、紅邊數(shù)字硬件；黑邊硬件部分包括：黑邊數(shù)字硬件、黑邊AD/DA、射頻處理。

采用紅黑隔離機制的新型電臺硬件設(shè)計如圖 3所示。

4.2 軟件設(shè)計

軟件平臺的軟件設(shè)計遵照SCA規(guī)范紅、黑架構(gòu)，紅、黑邊軟件平臺之間的通道通過安全保密模塊隔離[7]，紅邊、黑邊軟件平臺分別外掛文件系統(tǒng)，應(yīng)用波形部署在DSP及FPGA的軟件分別通過紅、黑邊軟件平臺加載。紅邊軟件平臺完成上電加載后的軟件平臺系統(tǒng)牽引，紅邊軟件平臺的域管理器完成對平臺內(nèi)所有設(shè)備及資源的部署及配置管理。紅邊軟件平臺及黑邊軟件平臺分別部署獨立的設(shè)備管理器對其紅、黑邊內(nèi)所有硬件設(shè)備進行。紅黑隔離的軟件設(shè)計如圖4所示。

應(yīng)用波形的軟件設(shè)計采用協(xié)議棧分層設(shè)計的思想，在紅/黑邊分別不同的處理器上分別部署應(yīng)用波形的各層實現(xiàn)，波形軟件實現(xiàn)內(nèi)容包括：紅邊網(wǎng)絡(luò)層處理（部署在紅邊GPP）、黑邊網(wǎng)絡(luò)層處理（部署在黑邊GPP）、數(shù)據(jù)鏈路層處理（部署在黑邊GPP）、物理層處理（部署在黑邊DSP及黑邊GPP）[8]。

4.3 新型電臺網(wǎng)絡(luò)安全策略

基于SCA紅黑隔離的體系架構(gòu)為安全保密的組網(wǎng)波形實現(xiàn)提供了一種途徑。組網(wǎng)波形的路由分兩部分：①紅邊路由：無線子網(wǎng)間路由，子網(wǎng)間路由及路由表的維護在紅邊完成；②黑邊路由：子網(wǎng)內(nèi)路由，子網(wǎng)內(nèi)路由及子網(wǎng)路由表的維護在黑邊完成。

黑邊的子網(wǎng)路由主要面向無線信道的子網(wǎng)內(nèi)通信，當(dāng)IP數(shù)據(jù)包只需要在無線子網(wǎng)內(nèi)的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時，可以不經(jīng)過安全保密模塊解密及紅邊路由直接在黑邊從一個無線子網(wǎng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)到組網(wǎng)內(nèi)另外一個節(jié)點。當(dāng)IP數(shù)據(jù)包已到達目標電臺或者需要在紅邊做網(wǎng)間中繼時才需要將加密數(shù)據(jù)包通過安全保密模塊解密后送入紅邊完成網(wǎng)間中繼功能或者IP數(shù)據(jù)到達紅邊配接業(yè)務(wù)終端功能。

5 結(jié)語

基于軟件無線電架構(gòu)、具備寬頻段覆蓋和多用途特點、支持MANET的組網(wǎng)波形是新一代戰(zhàn)術(shù)電臺主要的技術(shù)發(fā)展與功能演進方向，因此通過軟件通信架構(gòu)、寬頻段射頻前端、寬帶無線傳輸、移動?xùn)鸥窕越M網(wǎng)等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和綜合集成，實現(xiàn)通信保障能力明顯提升的新型戰(zhàn)術(shù)電臺，是構(gòu)建面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的下一代戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)的重要途徑。

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