基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)的控制臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

郝嘉祿　施峻武　習(xí)勇　王萌

摘 要： 針對(duì)實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)的軟件無線電平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了控制臺(tái)軟件，以友好的圖形化界面方式提供了對(duì)軟件無線電目標(biāo)平臺(tái)的監(jiān)控、操作、配置和管理等功能。測(cè)試表明，該控制臺(tái)軟件操作簡(jiǎn)單、顯示直觀、便于管理且易于與其他軟件集成，極大地簡(jiǎn)化了用戶對(duì)軟件無線電平臺(tái)的開發(fā)與管理，同時(shí)對(duì)軟件無線電技術(shù)的推廣應(yīng)用也具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 軟件無線電； 軟件通信體系結(jié)構(gòu)； 核心框架； CORBA； 控制臺(tái)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0050?04

Abstract： For the software defined radio （SDR） platform based on software communication architecture （SCA） developed by the laboratory independently， the console software was designed and implemented in combination with the actual application requirements， which provides the functions of monitoring， operation， configuration and management to SDR target platform with friendly GUI. The test results show that the console software is simple to operate， visualized to display， easy to manage， and liable to integrate with other software， and can simplify the users′ development and management of the SDR platform greatly. It has great significance to generalize and apply SDR technology.

Keywords： software defined radio； software communication architecture； core framework； CORBA； console

0 引 言

軟件無線電是指軟件定義的、能實(shí)現(xiàn)多種通信功能的無線電通信系統(tǒng)[1]。其核心思想是構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將通信的各種功能如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件完成，加載不同的軟件以實(shí)現(xiàn)不同的通信模式和功能[2]。

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)是軟件無線電系統(tǒng)的核心部分，是指導(dǎo)軟件無線電系統(tǒng)開發(fā)的一套獨(dú)立于具體實(shí)現(xiàn)的方法集合。美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（Joint Tactical Radio System，JTRS）發(fā)布的軟件通信體系結(jié)構(gòu)[3]（Software Communication Architecture，SCA）是提出最早、最成熟、全球支持力度最大、應(yīng)用最廣泛的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，并成為事實(shí)上的軟件無線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)外基于SCA規(guī)范開發(fā)的軟件無線電平臺(tái)已經(jīng)逐步投入使用。然而，SCA規(guī)范涉及到中間件、操作系統(tǒng)、XML、UML等諸多軟件工程概念，對(duì)通信工程師而言，理解SCA規(guī)范具有相當(dāng)大的難度。為了簡(jiǎn)化波形和平臺(tái)的開發(fā)及管理，與SCA相關(guān)的輔助配套軟件，如集成開發(fā)環(huán)境、波形數(shù)據(jù)庫(kù)、控制臺(tái)軟件等就顯得尤為重要。就軟件無線電平臺(tái)的監(jiān)控管理而言，國(guó)外SCARI++軟件套件[4]中的Radio Manager，OSSIE[5]的WaveDash等提供了可視化的圖形用戶界面用于平臺(tái)的管理，但國(guó)內(nèi)具備此類功能的系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)仍處于起步階段。

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的基于SCA規(guī)范的軟件無線電平臺(tái)設(shè)計(jì)了控制臺(tái)軟件，以友好的界面方式提供了監(jiān)控、操作、配置和管理軟件無線電目標(biāo)平臺(tái)的功能。

1 SCA簡(jiǎn)介

SCA是一種開放的通用體系結(jié)構(gòu)，它定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、可互操作的軟件平臺(tái)，通過該軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)底層硬件與波形軟件相互隔離。

SCA平臺(tái)模型圖如圖1所示，主要由操作系統(tǒng)、傳輸機(jī)制和服務(wù)、核心框架接口、應(yīng)用環(huán)境描述和應(yīng)用資源組成。SCA規(guī)范中詳細(xì)定義了核心框架（Core Framework，CF）的各種接口和相互關(guān)系，并使用通用對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）中間件作為分布式環(huán)境的消息傳輸機(jī)制，而應(yīng)用環(huán)境描述定義了各種應(yīng)用資源（如波形組件）對(duì)系統(tǒng)資源的利用情況。

CF由基本應(yīng)用接口、基本設(shè)備接口、框架控制接口和框架服務(wù)接口組成。其中，框架控制接口定義了對(duì)域內(nèi)的設(shè)備、服務(wù)、應(yīng)用工廠、應(yīng)用進(jìn)行管理的域管理接口、設(shè)備管理接口、應(yīng)用工廠接口和應(yīng)用接口等，主要包括DomainManager，DeviceManager，ApplicationFactory，Application等，可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)域內(nèi)組件的統(tǒng)一管理[6]。

CORBA[7]是一種通用對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)，它把各種對(duì)象的操作和屬性封裝在不同的接口中，通過對(duì)象請(qǐng)求代理調(diào)用接口中的操作完成指定功能。CF中各種接口都是按照CORBA形式實(shí)現(xiàn)的。SCA域內(nèi)組件間的通信以及整個(gè)域的控制、配置與管理都是通過CORBA完成的。同時(shí)CORBA也可以為SCA提供事件服務(wù)、日志服務(wù)等，極大地方便了核心框架的實(shí)現(xiàn)與波形應(yīng)用的開發(fā)。endprint

控制臺(tái)軟件正是基于SCA這種標(biāo)準(zhǔn)、開放、可互操作的平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即通過CORBA連接調(diào)用CF接口完成對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的控制管理。

2 控制臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)

軟件無線電系統(tǒng)雖然功能齊全、可擴(kuò)展性強(qiáng)，但對(duì)于波形開發(fā)人員和一般用戶而言，存在體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用難度大、操作過于繁瑣、信息顯示不直觀等問題，且傳統(tǒng)的無線電控制臺(tái)只是針對(duì)單一波形設(shè)計(jì)，因此有必要針對(duì)軟件無線電平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)支持波形重構(gòu)、操作簡(jiǎn)單、便于監(jiān)控和管理的圖形化軟件平臺(tái)。

2.1 設(shè)計(jì)需求

控制臺(tái)軟件主要定位于實(shí)現(xiàn)軟件無線電平臺(tái)的可視化監(jiān)控和圖形化管理，為用戶提供直觀、便捷、高效的平臺(tái)和波形管理模式，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

軟件無線電系統(tǒng)管理人員能夠使用控制臺(tái)軟件從波形數(shù)據(jù)庫(kù)中下載已授權(quán)的波形軟件，并安裝到目標(biāo)平臺(tái)上，進(jìn)而完成波形的部署啟動(dòng)、波形參數(shù)的配置與查詢等功能。同時(shí)，控制臺(tái)軟件可以監(jiān)控整個(gè)平臺(tái)軟硬件的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)更新顯示并提供故障報(bào)警功能。

為了保證控制臺(tái)軟件的功能實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計(jì)需求包括：

（1） 提供與目標(biāo)平臺(tái)、波形數(shù)據(jù)庫(kù)交互的接口；

（2） 實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)平臺(tái)、波形數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通信功能；

（3） 與平臺(tái)管理人員實(shí)時(shí)交互；

（4） 便于與集成開發(fā)環(huán)境、波形數(shù)據(jù)庫(kù)等其他平臺(tái)成果集成。

2.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以上需求分析，控制臺(tái)軟件基于Eclipse[8]平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，Eclipse提供的插件機(jī)制便于與其他系統(tǒng)軟件集成。按照功能劃分，控制臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)分為以下三層：接口層、功能服務(wù)層和人機(jī)交互層，如圖3所示。

接口層：負(fù)責(zé)與軟件無線電平臺(tái)內(nèi)其他模塊建立連接，主要包括HTTP接口、FTP接口和CORBA接口。其中，HTTP接口負(fù)責(zé)與波形數(shù)據(jù)庫(kù)的連接；FTP接口負(fù)責(zé)與目標(biāo)平臺(tái)文件系統(tǒng)的連接；CORBA接口負(fù)責(zé)與目標(biāo)平臺(tái)域管理器的連接。這些連接都是在以太網(wǎng)物理接口的基礎(chǔ)上基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

功能服務(wù)層：是控制臺(tái)軟件的核心，主要負(fù)責(zé)完成具體的功能實(shí)現(xiàn)，如波形的下載、上傳，對(duì)目標(biāo)平臺(tái)DomainManager接口函數(shù)的調(diào)用，對(duì)目標(biāo)平臺(tái)產(chǎn)生事件的接收處理等，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的監(jiān)控與管理等功能。

人機(jī)交互層：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的、直觀的顯示平臺(tái)運(yùn)行狀況，并為用戶提供簡(jiǎn)單便捷的界面操作用于對(duì)平臺(tái)的查詢、配置。

2.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

在接口層中，CORBA連接是通過ORB（Object Reference Broker，對(duì)象請(qǐng)求代理）完成的。客戶端的ORB利用IIOP（Internet Inter?ORB Protocol，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)象請(qǐng)求代理互通協(xié)議）與服務(wù)端的ORB進(jìn)行通信，傳遞客戶端的調(diào)用請(qǐng)求。這樣對(duì)于控制臺(tái)而言，只要像調(diào)用本地方法一樣調(diào)用目標(biāo)平臺(tái)對(duì)象操作，而不需關(guān)心底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。FTP與HTTP連接都是基于服務(wù)器和客戶端模型設(shè)計(jì)，F(xiàn)TP和HTTP服務(wù)器分別運(yùn)行在目標(biāo)平臺(tái)和波形數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)上，客戶端由控制臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)。

人機(jī)交互層中針對(duì)平臺(tái)管理、波形管理、波形下載和波形上傳分別設(shè)計(jì)了不同的界面。本層解析用戶的操作行為，調(diào)用功能服務(wù)層的相應(yīng)函數(shù)，完成對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的配置。同時(shí)，接收來自功能服務(wù)層反饋的消息，實(shí)時(shí)更新顯示界面。

功能服務(wù)層是完成控制臺(tái)軟件功能的核心，重點(diǎn)從以下三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.3.1 域管理服務(wù)

在SCA軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，DomainManager是目標(biāo)平臺(tái)的核心，用來進(jìn)行整個(gè)域的控制和配置?？刂婆_(tái)軟件對(duì)平臺(tái)的管理正是通過DomainManager接口實(shí)現(xiàn)的?？刂婆_(tái)域管理服務(wù)通過靜態(tài)IOR（Interoperable Object Reference，可互操作的對(duì)象引用）方式可以獲取DomainManager對(duì)象引用，進(jìn)而調(diào)用其接口完成平臺(tái)的管理。

為了域管理服務(wù)調(diào)用的方便，將DomainManager提供的配置查詢方法封裝為一個(gè)PropertySet接口，其參數(shù)為Properties，DomainManager根據(jù)Properties的ID判斷要進(jìn)行的操作，Properties的value中存放平臺(tái)參數(shù)。其中，ID值主要類型及其對(duì)應(yīng)功能如表1所示。

控制臺(tái)域管理服務(wù)構(gòu)造Properties項(xiàng)，然后以該項(xiàng)為參數(shù)調(diào)用DomainManager的PropertySet即可完成對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的操作。下面以波形實(shí)例的創(chuàng)建為例來說明域管理服務(wù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其順序圖[9]如圖4所示。

操作人員選擇要?jiǎng)?chuàng)建的波形及波形所在通道后，人機(jī)交互層會(huì)調(diào)用控制臺(tái)域管理服務(wù)的create_app函數(shù)。在create_app函數(shù)中構(gòu)造配置項(xiàng)，配置項(xiàng)ID為字符串“CREATE_WAVE”，value值為用戶選擇的通道及波形名稱，然后以此配置項(xiàng)為參數(shù)調(diào)用DomainManager的PropertySet接口，通過匹配字符串ID可知要進(jìn)行波形實(shí)例創(chuàng)建操作，取出value值，然后調(diào)用波形名稱對(duì)應(yīng)應(yīng)用工廠的create函數(shù)，即可在指定通道上完成波形實(shí)例的創(chuàng)建。

2.3.2 事件服務(wù)

CORBA體系結(jié)構(gòu)中為了解決對(duì)象間的通信問題定義了事件服務(wù)的概念。CORBA事件服務(wù)提供了一種松散的、異步的通信機(jī)制，建立了一個(gè)通用的分布式事件模型。

控制臺(tái)軟件的一個(gè)重要功能是監(jiān)控目標(biāo)平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)狀態(tài)。而控制臺(tái)界面的更新需要得到平臺(tái)狀態(tài)改變消息事件的驅(qū)動(dòng)。考慮到目標(biāo)平臺(tái)創(chuàng)建了事件通道，因此可以在控制臺(tái)構(gòu)造一個(gè)事件消費(fèi)者，通過接收平臺(tái)推送的事件消息驅(qū)動(dòng)顯示界面的實(shí)時(shí)更新。

事件通道模型如圖5所示，目標(biāo)平臺(tái)狀態(tài)改變后會(huì)通過事件生產(chǎn)者向事件通道發(fā)送相應(yīng)類型事件消息，控制臺(tái)軟件接收事件消息通過功能服務(wù)層解析判斷后推送給人機(jī)交互層完成界面更新。endprint

事件消費(fèi)者收到該事件后，通過sourceId，situation，sourceCategory得到出現(xiàn)故障的設(shè)備，再分析其故障類型、錯(cuò)誤類型后在監(jiān)控界面將報(bào)警消息顯示出來，并且可以通過響鈴等方式及時(shí)通知平臺(tái)管理人員。

2.3.3 HTTP服務(wù)和FTP服務(wù)

由圖3可知，控制臺(tái)軟件可以從波形數(shù)據(jù)庫(kù)中下載波形軟件并將其安裝到目標(biāo)平臺(tái)。由于波形數(shù)據(jù)庫(kù)是基于Web服務(wù)構(gòu)建的，因此在控制臺(tái)軟件中實(shí)現(xiàn)一個(gè)HTTP客戶端。另外考慮到目標(biāo)平臺(tái)支持FTP服務(wù)，所以波形軟件的上傳通過FTP完成。Apache Jakarta Common子項(xiàng)目的工具包提供了對(duì)兩種協(xié)議的支持[10]，只需直接調(diào)用工具包提供的相應(yīng)函數(shù)即可完成以上兩項(xiàng)功能。

3 軟件的運(yùn)行

在Eclipse環(huán)境下啟動(dòng)控制臺(tái)波形管理界面，連接目標(biāo)平臺(tái)后軟件運(yùn)行如圖6所示，整個(gè)界面分為6個(gè)功能區(qū)。

界面各功能區(qū)介紹如下：

#1區(qū)為通道列表區(qū)，顯示目標(biāo)系統(tǒng)中配置的無線通道列表。

#2區(qū)為通道信息快視區(qū)，顯示#1區(qū)域中所選通道的詳細(xì)信息，包括通道名稱、頻率范圍和正在運(yùn)行的波形。

#3區(qū)為通道占用設(shè)備區(qū)，顯示#1區(qū)域中所選通道所占用的板卡以及板卡上的設(shè)備占用情況。

#4區(qū)為通道波形管理區(qū)，顯示#1區(qū)域中所選通道上的可加載波形，并提供對(duì)波形的加載、卸載以及配置操作。

#5區(qū)為已安裝波形及實(shí)例顯示區(qū)，顯示目標(biāo)系統(tǒng)中已經(jīng)安裝的波形以及正在運(yùn)行的波形實(shí)例。

#6區(qū)為波形應(yīng)用管理工具欄。

4 結(jié) 語

本文在分析軟件通信體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了控制臺(tái)軟件，并在硬件平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟件無線電平臺(tái)的監(jiān)控管理功能，極大地簡(jiǎn)化了用戶對(duì)平臺(tái)的操作配置。下一步工作計(jì)劃是建立一個(gè)完整的軟件無線電支撐應(yīng)用系統(tǒng)，從軟件無線電波形、平臺(tái)的開發(fā)到管理監(jiān)控都能通過簡(jiǎn)單的圖形化界面操作實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)軟件無線電技術(shù)的推廣應(yīng)用。

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