一種自適應(yīng)的軟件無線電體系架構(gòu)

李蘭花 王玲 施峻武

【摘要】 軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）為軟件無線電臺的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)與實(shí)現(xiàn)無關(guān)的開放式架構(gòu)。SCA4.0是一種自適應(yīng)的軟件無線電體系架構(gòu)，相較之前的版本更靈活，更易升級，同時(shí)支持不同量級的軟件架構(gòu)。這種自適應(yīng)性也能更好的適應(yīng)目前具有不同設(shè)備資源的各類無線電臺。本文首先對SCA4.0規(guī)范的特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，然后以小型化設(shè)備為例介紹了這種自適應(yīng)性的軟件架構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】 SCA4.0 自適應(yīng) 軟件無線電 小型化設(shè)備軟件架構(gòu)

一、引言

SCA規(guī)范的制定實(shí)現(xiàn)了軟件無線電[1]的思想，提高了波形的可移植性、可重用性和互操作性，降低波形的開發(fā)成本。從1999年推出的最初版本到目前為止已有多個(gè)版本，SCA4.0[2-3]是2012年推出的。

SCA規(guī)范軟件架構(gòu)包含了操作系統(tǒng)、核心框架、分布式處理中間件和應(yīng)用層軟件。由于功能完備的軟件架構(gòu)，往往需要占用比較多的資源，這對于一些小型設(shè)備來說并不適合。因此，JTRS提出了一種自適應(yīng)的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，相較之前的版本增加了輕量級組件，功能單元，輕量級AEP，選擇性繼承以及Push Model等機(jī)制，支持不同的傳輸機(jī)制，由此來提高框架的靈活性，便于在不同量級的平臺上實(shí)施。以小型化設(shè)備的軟件架構(gòu)為例，采用輕量級核心框架、輕量級中間件以及輕量級應(yīng)用環(huán)境架構(gòu)能極大地提高設(shè)備的運(yùn)行性能，降低資源的占用率。

二、SCA4.0規(guī)范特性

2.1 PUSH MODEL

在SCA4.0之前的版本，核心框架通過Pull Model獲取注冊資源的各項(xiàng)信息，SCA4.0中通過采用Push Model[4]，一方面可以進(jìn)行直接的信息交換，減少了調(diào)用的總次數(shù)，從而減少啟動(dòng)和初始化的時(shí)間，另一方面，交換信息的屬性和操作是可選的，可以減少不必要的實(shí)現(xiàn)。圖1，對比了Pull Model和Push Model的注冊操作。為了適用Push Model，SCA4.0新制定了一個(gè)ComponentRegister接口用于設(shè)備和波形組件的注冊。

為了實(shí)現(xiàn)Push Model，SCA4.0對端口連接方式進(jìn)行了改進(jìn)。SCA4.0提供了Registered和Obtainable兩種類型的端口提供方式，對應(yīng)于舊版本的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式的端口提供方式。新的端口連接方式采用推送所有信息的方式，用單次的調(diào)用取代了多次連接。圖2對比了SCA2.2.2[5]和SCA4.0中obtainable 端口的連接序列圖。

2.2輕量級組件

輕量級組件和功能單元（UOFs）是SCA4.0的兩個(gè)機(jī)制，用于調(diào)整框架以適應(yīng)不同產(chǎn)品和任務(wù)的需求。之前的SCA版本接口功能齊全，要求實(shí)現(xiàn)的功能往往比實(shí)際需要的大，決定實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口時(shí)，即使是一個(gè)虛擬的實(shí)現(xiàn)，它會(huì)增加額外的成本，如需求分析、設(shè)計(jì)決策、開發(fā)時(shí)間、軟件集成和測試和遵從性測試。SCA4.0采用了新的接口繼承方式——選擇性繼承，開發(fā)人員可以通過預(yù)編譯和IDL指令定義特定的組件選擇性繼承需要實(shí)現(xiàn)的接口功能，這使得組件更小、更注重實(shí)現(xiàn)。

對于輕量級組件的實(shí)現(xiàn)，可參考SCA規(guī)范中各組件的繼承關(guān)系，以ResourceComponent為例，如圖3所示，通過IDL指令和預(yù)編譯配置接口繼承，只有在定義了標(biāo)識符時(shí)，接口才被繼承，例如只有在定義了TESTABLE時(shí)TestableObject接口才需要被實(shí)現(xiàn)，因此通過控制Resource接口的繼承方式就能控制ResourceComponent的大小。

2.3功能單元

UOFs用以提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的方法，允許從一個(gè)組件規(guī)范省略不必要的接口和需求。通過選擇不同的組件和UOFs可以構(gòu)建不同量級的SCA架構(gòu)。SCA4.0推薦了三種量級的架構(gòu)[5]：輕量級架構(gòu)、中量級架構(gòu)和全功能架構(gòu)。輕量級架構(gòu)適用于硬件模塊靜態(tài)配置的無線電臺，提供的是一組最低功能的實(shí)現(xiàn)，往往應(yīng)用在資源受限的平臺環(huán)境。中量級架構(gòu)適用于硬件模塊支持即插即用，但不支持注銷的無線電臺，相對于輕量級架構(gòu)，它引入了可動(dòng)態(tài)配置的功能。全功能架構(gòu)適用于支持硬件模塊的即插即用和可注銷的無線電臺。圖4展示了SCA不同架構(gòu)的UOFs，針對實(shí)際情況可以選擇不同量級架構(gòu)。

三、軟件架構(gòu)

3.1核心框架

SCA4.0定制核心框架，去除了一些冗余接口，通過選擇性繼承實(shí)現(xiàn)輕量級組件。SCA4.0規(guī)范中將CF組件分為五類：基本構(gòu)件組件，用于提供SCA軟件產(chǎn)品的一些共同特征、約束和關(guān)聯(lián)的抽象；基本應(yīng)用組件為應(yīng)用開發(fā)者提供應(yīng)用結(jié)構(gòu)定義；框架控制組件為組件在平臺上執(zhí)行部署提供結(jié)構(gòu)定義；基本設(shè)備組件提供的結(jié)構(gòu)定義將被用于實(shí)現(xiàn)和管理域內(nèi)的物理設(shè)備，如對設(shè)備進(jìn)行加載、執(zhí)行和聚合操作；框架服務(wù)組件為平臺開發(fā)者提供與邏輯設(shè)備不直接相關(guān)的通用軟件功能。在此針對處理器能力有限，系統(tǒng)硬件模塊固定，不存在分布式結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)備提出輕量級核心框架[6]的設(shè)計(jì)建議：移除文件服務(wù)由于小型化設(shè)備中其它專用處理器一般不向CF提供文件服務(wù)，可轉(zhuǎn)由GPP操作系統(tǒng)來提供文件服務(wù)，不需要專門的文件服務(wù)管理。在不需要使用嵌套應(yīng)用時(shí)可移除集合操作組件。盡量少的繼承接口，使用輕量級組件。例如當(dāng)不需要測試時(shí)，可不繼承TestableObject接口。先制定要求，再定制組件。在設(shè)備資源已知，設(shè)備信息基本不變時(shí)使用靜態(tài)部署提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.2 中間件

SCA4.0支持不同的傳輸機(jī)制，SCA2.2中指定CORBA這種傳輸機(jī)制作為中間件，但是由于CORBA常采用TCP/IP作為 底層傳輸機(jī)制，引入的延時(shí)較大，對于一些產(chǎn)品并不適用。在此針對小型化設(shè)備的輕量級中間件設(shè)計(jì)建議：1）使用小型化的CORBA產(chǎn)品。CORBA/e是一種嵌入式CORBA規(guī)范，用于開發(fā)分布式嵌入式系統(tǒng)。CORBA/e定義的三種量級的架構(gòu)：完全量級CORBA 架構(gòu)、輕量級CORBA架構(gòu)）、超輕量級CORBA 架構(gòu)。其中，完全量級適用于一般的GPP；輕量級適用于資源受限的處理器（如DSPs）；超輕量級適用于資源高度受限的處理器（如應(yīng)用程序同時(shí)分布在DSPs和FPGAs上）。2）使用其他傳輸機(jī)制，如數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS），簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）等。DDS信息分發(fā)中間件是一種輕便、能夠提供實(shí)時(shí)信息傳送的中間件技術(shù)，應(yīng)用于分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，能可靠實(shí)時(shí)的交換分配群體數(shù)據(jù)。SOAP用于在分布式環(huán)境中發(fā)送消息，并執(zhí)行遠(yuǎn)程過程調(diào)用。SOAP基于XML的輕量級協(xié)議，使不同操作系統(tǒng)平臺和不同編寫語言的應(yīng)用程序可以進(jìn)行相互通信。

3.3 應(yīng)用程序環(huán)境架構(gòu)

AEP是基于POSIX實(shí)時(shí)應(yīng)用程序支持標(biāo)準(zhǔn)。SCA操作環(huán)境中的操作系統(tǒng)應(yīng)是滿足POSIX兼容的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并且提供AFP指定的功能和選項(xiàng)。在SCA4.0規(guī)范附錄B中詳細(xì)的說明了與AEP相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。附錄中定義的實(shí)時(shí)描述文件，只需在包括了這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的UOF使用即可。需要注意的是一旦引入約束，每個(gè)使用該功能的程序都必須遵守該項(xiàng)約束。SCA4.0包括了AEP和輕量級AEP（LwAEP）兩種描述。在小型化設(shè)備中建議使用LwAEP，它既能滿足資源受限的操作系統(tǒng)上的可移植性，還能保證系統(tǒng)的性能，減少集成和重用代碼的開發(fā)，減少代碼的修改量，提高代碼的可移植性。

四、結(jié)束語

在軟件無線電項(xiàng)目的實(shí)施過程中，SCA規(guī)范本身的語義不清、重復(fù)定義和不完整往往給軟件無線電架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)帶來了諸多挑戰(zhàn)。然而JTRS最新提出的SCA4.0是一種自適應(yīng)的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，為解決這些問題提出了很多優(yōu)化機(jī)制，使框架具有更靈活、輕量級，更易實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的特點(diǎn)，這讓它在未來的軟件無線電發(fā)展中將占有不可或缺的位置。本文分析了SCA4.0規(guī)范的各類優(yōu)化機(jī)制，適用于多種平臺，并提出將各類特征機(jī)制應(yīng)用于輕量級軟件架構(gòu)，從而使得SCA的自適應(yīng)性能夠在資源受限的小型化設(shè)備中體現(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 范建華， 王曉波， 李云洲. 基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)的軟件定義無線電系統(tǒng)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2011， 51（8）： 1031-1037.

[2] JTRS JPEO. SCA Specification Version 4.0 （2012-02-28），Software Communications Architecture Specification [S].

[3] JTNC. Software Communications Architecture Specification 4.0 Users Guide [EB/OL]. （2010-11-30） [2014-12-11]. http：//jtnc.mil/Pages/ StandardsAndAssessments.aspx， 2012.

[4] 蔡卓， 張小瓊. SCA 4.0 規(guī)范概述[J]. 通信技術(shù)， 2013， 7： 041.

[5] 劉文斌， 廖文瑜， 彭麟， 等. 電臺軟件架構(gòu)發(fā)展及其向 SCA4. 0 演進(jìn)的途徑分析[J]. 通信技術(shù)， 2014， 4： 011.

[6] 唐麒. 小型化軟件通信體系結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2011.