軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的設(shè)計技術(shù)研究

高新華

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的設(shè)計技術(shù)研究

高新華

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的設(shè)計利用了認(rèn)知無線電和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，應(yīng)對受到的干擾和惡意攻擊。從戰(zhàn)術(shù)電臺功能需求出發(fā)，分析戰(zhàn)術(shù)電臺功能重構(gòu)的理論要求?；谶@些要求設(shè)計實現(xiàn)框架、平臺結(jié)構(gòu)、軟件模塊實現(xiàn)方法以及軟件定義節(jié)點功能實現(xiàn)方法。最后通過模塊映射，將模塊動態(tài)部署到軟件定義無線電平臺中，完成功能的綁定，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)電臺的節(jié)點功能定義，以滿足戰(zhàn)場對抗環(huán)境下使用要求，實現(xiàn)抗干擾和反攻擊能力的全面提升。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；戰(zhàn)術(shù)電臺；抗攻擊

0引言

對于戰(zhàn)術(shù)電臺而言，隨著戰(zhàn)場環(huán)境中設(shè)備量的增加和攻擊技術(shù)的發(fā)展，面臨的頻帶擁擠、惡意干擾和網(wǎng)絡(luò)攻擊的問題越來越嚴(yán)重。隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)的發(fā)展，尤其是針對通信協(xié)議的攻擊能力提升，致使在戰(zhàn)場環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)電臺不僅通信效能不斷下降，而且還會受到虛假路由和虛假信息的侵?jǐn)_，嚴(yán)重影響了作戰(zhàn)過程中戰(zhàn)場信息傳輸?shù)募皶r性和正確性。因此，迫切需要利用新技術(shù)，解決戰(zhàn)術(shù)電臺在戰(zhàn)場環(huán)境下通信質(zhì)量下降和虛假信息侵?jǐn)_等問題，提升戰(zhàn)術(shù)電臺在對抗環(huán)境下的通信保障能力。

目前，隨著軟件定義無線電(Software-Defined Network，SDR)、認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)[1-2]和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Network，CN)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Network，SDR)[3]等技術(shù)逐步發(fā)展[4]，可以在一個處理平臺上實現(xiàn)多種功能[5]，給戰(zhàn)術(shù)電臺面臨的問題解決帶來了理想方案[6]。軟件定義無線電技術(shù)是采用硬件功能軟件化的方法，實現(xiàn)硬件功能的軟件定義；認(rèn)知無線電技術(shù)從頻譜認(rèn)知、頻譜動態(tài)分配和認(rèn)知決策等方面提出了提高頻譜利用率的解決方法。美國軍方提出了移動目標(biāo)防御技術(shù)[7]，能夠自動改變一個或多個系統(tǒng)屬性，從而使系統(tǒng)攻擊表面對攻擊者而言是不可預(yù)測的。美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)和國際電信聯(lián)盟(ITU)等研究機(jī)構(gòu)對認(rèn)知無線電技術(shù)的實現(xiàn)進(jìn)行了一些標(biāo)準(zhǔn)化研究工作[8]，為認(rèn)知無線電設(shè)備設(shè)計、實現(xiàn)提供了一定的指導(dǎo)，為實現(xiàn)軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺提供了理論基礎(chǔ)。因此，綜合利用以上技術(shù)，采用環(huán)境認(rèn)知、軟件定義和設(shè)備實體虛擬化的方法，提升復(fù)雜電磁環(huán)境下無線戰(zhàn)術(shù)電臺的通信保障能力，解決無線戰(zhàn)術(shù)電臺面臨的干擾和虛假信息侵?jǐn)_問題。

根據(jù)戰(zhàn)術(shù)電臺在戰(zhàn)場環(huán)境中的使用要求，從軟件定義無線電、認(rèn)知無線電及認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理出發(fā)，提出了一種新型戰(zhàn)術(shù)電臺的設(shè)計方法，在滿足基本需求的同時，在戰(zhàn)術(shù)電臺上增加戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理功能，并提供戰(zhàn)術(shù)電臺的節(jié)點功能可定義能力。以便動態(tài)改變戰(zhàn)術(shù)電臺的設(shè)備功能，滿足對抗條件下的戰(zhàn)術(shù)通信應(yīng)用需要。

1戰(zhàn)術(shù)電臺的認(rèn)知功能分析

在戰(zhàn)場環(huán)境中，戰(zhàn)術(shù)電臺的主要任務(wù)是進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)通信。隨著技術(shù)的發(fā)展，它逐漸成為了一個綜合戰(zhàn)術(shù)無線通信節(jié)點，不僅完成無線通信傳輸功能，還完成節(jié)點自組網(wǎng)，并且也要執(zhí)行對戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)攻擊的防御任務(wù)。為了對抗在使用過程中遭受到的網(wǎng)絡(luò)攻擊，戰(zhàn)術(shù)電臺在使用過程中必須具有動態(tài)調(diào)整能力，也就是需要根據(jù)環(huán)境的情況，對戰(zhàn)術(shù)電臺的運行參數(shù)進(jìn)行動態(tài)改變，甚至對它的通信協(xié)議和功能進(jìn)行重定義，采用設(shè)備虛擬化的方法，分別構(gòu)建誘騙節(jié)點和通信節(jié)點實體，從而避開對它的攻擊。因此，戰(zhàn)術(shù)電臺必須具有環(huán)境認(rèn)知、智能決策和協(xié)議棧重構(gòu)的功能。這樣，需要在通信及組網(wǎng)功能基礎(chǔ)上，增加環(huán)境感知、智能決策、功能定義和協(xié)議?？杉虞d能力?？赏ㄟ^感知、決策和執(zhí)行等3個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)其環(huán)境的自適應(yīng)，應(yīng)對在使用過程中受到的無線頻譜擁擠、電磁干擾和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

從使用過程來看，它需要感知周圍環(huán)境的電磁環(huán)境參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)中其他實體的運行參數(shù)，對環(huán)境、信道條件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)存在實體、用戶需求以及設(shè)備本身的內(nèi)部情況進(jìn)行推理和動態(tài)決策，根據(jù)決策結(jié)果實時調(diào)整本身的資源配置、運行參數(shù)和運行狀態(tài)，以便高速、可靠地完成信息的傳輸。從環(huán)境認(rèn)知、決策定義功能和網(wǎng)絡(luò)通信執(zhí)行的3個方面來看，認(rèn)知、決策定義和執(zhí)行等3個功能各自閉環(huán)，它們的關(guān)系如圖1所示。

圖1　戰(zhàn)術(shù)電臺系統(tǒng)功能

圖1中，認(rèn)知環(huán)完成外部信息的感知，包括頻譜空穴、鏈路類型認(rèn)知、網(wǎng)絡(luò)類型識別及應(yīng)用服務(wù)識別等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的認(rèn)知功能；決策定義環(huán)完成物理參數(shù)配置、鏈路參數(shù)適配、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議適配和服務(wù)類型適配等自身能力確定功能；執(zhí)行環(huán)根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)運行要求、完成對系統(tǒng)資源調(diào)度、鏈路建立、節(jié)點組網(wǎng)和應(yīng)用會話建立等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能，執(zhí)行信息傳遞的具體業(yè)務(wù)功能。整個系統(tǒng)可以根據(jù)組網(wǎng)需要和外部攻擊信號特征，動態(tài)改變自身的運行狀態(tài)，保證組網(wǎng)通信傳輸能力。

2軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺功能設(shè)計

從戰(zhàn)術(shù)電臺的需求分析中可以看出，通過軟件定義的方法可以滿足戰(zhàn)術(shù)電臺的功能需求。因此，可以設(shè)計一個軟件定義無線節(jié)點，提升戰(zhàn)術(shù)電臺在對抗環(huán)境中的生存能力。它的協(xié)議棧和控制系統(tǒng)必須能夠滿足多種協(xié)議的重構(gòu)要求，通過環(huán)境感知、決策與資源監(jiān)控，完成戰(zhàn)術(shù)電臺的運行實體狀態(tài)修改。軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺中這些功能通過構(gòu)建環(huán)境感知、決策與監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧3個獨立的功能體實現(xiàn)，每個功能體由一系列模塊構(gòu)成，底層模塊提供基礎(chǔ)功能，并通過標(biāo)準(zhǔn)接口為上層服務(wù)。

系統(tǒng)構(gòu)成的層次關(guān)系如圖2所示。圖中，環(huán)境感知功能實現(xiàn)用戶應(yīng)用類型分析、系統(tǒng)服務(wù)能力感知、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議感知、鏈路協(xié)議和物理參數(shù)認(rèn)知等能力；決策與監(jiān)控是整個系統(tǒng)的運行控制核心，實現(xiàn)驅(qū)動環(huán)境感知、執(zhí)行運行決策和狀態(tài)監(jiān)視，包括業(yè)務(wù)服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件監(jiān)控、鏈路協(xié)議運行監(jiān)控與物理資源監(jiān)控與配置等，保證整個系統(tǒng)有序運行。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實現(xiàn)通信業(yè)務(wù)執(zhí)行功能，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同需要，實現(xiàn)不同類型的通信協(xié)議，包括數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)協(xié)議、數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)協(xié)議、語音業(yè)務(wù)協(xié)議和無線自織網(wǎng)協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信協(xié)議運行實體。通過軟件的動態(tài)設(shè)置實現(xiàn)協(xié)議類型可配置和運行參數(shù)可配置，滿足定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能的運行要求。

在整個系統(tǒng)中，環(huán)境感知通過認(rèn)知資源與環(huán)境認(rèn)知處理軟件模塊實現(xiàn)環(huán)境認(rèn)知，并且和決策與監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧一起，通過軟件重組構(gòu)成認(rèn)知無線電處理環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的業(yè)務(wù)應(yīng)用組件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件以及物理層可定義模塊與決策與監(jiān)控一起，構(gòu)成軟件定義網(wǎng)絡(luò)處理環(huán)境。其中，業(yè)務(wù)應(yīng)用組件實現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用層，也可以通過外部應(yīng)用系統(tǒng)提供應(yīng)用數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各層之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接，統(tǒng)一由決策與監(jiān)控控制提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在獨立定義運行時，它作為軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制層，在協(xié)同定義運行時，使用外部SDN控制軟件控制網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；協(xié)議可定義模塊與硬件資源構(gòu)成戰(zhàn)術(shù)電臺節(jié)點的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施。外部應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要，可以使用業(yè)務(wù)應(yīng)用接口、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能。

圖2　軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺功能層次關(guān)系圖

3軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對戰(zhàn)術(shù)電臺的功能設(shè)計要求，軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺系統(tǒng)可以按照其環(huán)境感知、決策與監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議處理功能要求，將整個系統(tǒng)分成感知子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等3個子系統(tǒng)。其中，感知子系統(tǒng)完成環(huán)境認(rèn)知、鏈路協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)實體業(yè)務(wù)功能的確定；監(jiān)控子系統(tǒng)實現(xiàn)資源監(jiān)控和運行狀態(tài)監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)其實就是一個網(wǎng)絡(luò)能力構(gòu)成模塊庫，由可重構(gòu)前端模塊、鏈路協(xié)議軟件模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和應(yīng)用業(yè)務(wù)處理模塊等不同層次的處理模塊構(gòu)成。系統(tǒng)由監(jiān)控子系統(tǒng)控制實現(xiàn)一個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實體，并監(jiān)視其運行狀況。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)設(shè)計圖

從系統(tǒng)的實現(xiàn)方法角度來看，感知子系統(tǒng)中的頻譜感知可以采用能量檢測和循環(huán)譜的平穩(wěn)特征檢測來實現(xiàn)；鏈路、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的識別和認(rèn)知通過網(wǎng)絡(luò)對等實體協(xié)商的方式來實現(xiàn)；監(jiān)控子系統(tǒng)除根據(jù)感知結(jié)果決策定義網(wǎng)絡(luò)運行模塊配置外，同時還要監(jiān)視資源利用情況和協(xié)議實體模塊的運行情況，以便動態(tài)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)實現(xiàn)各層的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)功能。由監(jiān)控子系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制系統(tǒng)的運行，動態(tài)構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實體。

4戰(zhàn)術(shù)電臺認(rèn)知的交互過程設(shè)計

在實現(xiàn)過程中，為了與滿足電臺通信其他電臺的互通要求，軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的通信協(xié)議，包括數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)運行交互過程，必需遵照以前各種網(wǎng)絡(luò)物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。與其他電臺不同的是建網(wǎng)和入網(wǎng)過程，需要補(bǔ)充認(rèn)知內(nèi)容，需要定義交互過程協(xié)議。數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)布數(shù)據(jù)，入網(wǎng)申請及重配置申請等；交互過程包括建網(wǎng)過程和入網(wǎng)過程協(xié)議。建網(wǎng)過程是通過2臺或2臺以上電臺共同協(xié)商網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)；入網(wǎng)過程是通過申請加入已經(jīng)運行的網(wǎng)絡(luò)中。典型的交互過程設(shè)計如圖4所示。在鏈路建立時，首先根據(jù)不同的信道占用類型，如專用、共享(CSMA)和分時復(fù)用(TDMA)等，按照要求分配物理通道或跳頻頻段、跳頻頻點，建立電臺的運行環(huán)境；然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議要求，建立路由表等網(wǎng)絡(luò)運行維護(hù)環(huán)境。另外，還可以在網(wǎng)絡(luò)運行時各個節(jié)點根據(jù)需要進(jìn)行協(xié)商，共同決定網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)。

圖4　認(rèn)知交互過程設(shè)計

5硬件平臺選擇和模塊映射

軟件定義電臺的硬件平臺可以選用軟件定義無線電平臺。使用各種可編程器件搭建硬件平臺，如FPGA、DSP和通用CPU等，通過加載不同軟件模塊實現(xiàn)硬件的功能定義。目前，隨著FPGA、DSP和CPU的容量與處理能力的不斷提高，可以選擇資源豐富、運行速度快的器件，承載多種可配置應(yīng)用實體的運行，以滿足多種功能軟件模塊同時加載的需求。硬件平臺主要包括射頻前端收發(fā)模塊、FPGA、DSP和中央處理器CPU等，根據(jù)電臺能力需要，選擇合適的射頻、FPGA容量、DSP能力和CPU等各器件，可以利用2個硬件通路，分別完成認(rèn)知檢測和網(wǎng)絡(luò)通信，整個系統(tǒng)由監(jiān)控子系統(tǒng)通過控制通道對其資源進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)度。各個軟件定義模塊分別加載到相應(yīng)的硬件中，執(zhí)行相應(yīng)的功能，系統(tǒng)的組成和模塊映射關(guān)系如圖5所示。在軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺中，除天線和射頻前端及AD/DA器件的功能由硬件的能力決定外，其他部分的功能都可由軟件定義來完成，可重構(gòu)射頻前端通過微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)實現(xiàn)，它可以在一定范圍內(nèi)控制和調(diào)整硬件的指標(biāo)。認(rèn)知通道中，通過寬帶接收實現(xiàn)寬帶信號的接收和檢測，F(xiàn)PGA和DSP分別加載通信參數(shù)識別和鏈路檢測處理模塊，完成物理參數(shù)和鏈路通信的認(rèn)知；通信通道中，F(xiàn)PGA和DSP可以分別加載物理層協(xié)議處理和鏈路層協(xié)議處理模塊，實現(xiàn)鏈路建立功能；中央處理器承載檢測、資源調(diào)度模塊、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層軟件定義模塊的運行，實現(xiàn)節(jié)點的功能定義。

圖5　硬件平臺選擇和模塊運行映射

在使用過程中，軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺可以運行在獨立組網(wǎng)模式和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運行模式。如果運行在獨立組網(wǎng)模式下，可以通過內(nèi)部軟件定義控制整個電臺的運行狀態(tài)；在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運行模式中，通過外部控制系統(tǒng)控制戰(zhàn)術(shù)電臺的運行狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)點功能的定義?？梢愿鶕?jù)任務(wù)要求、和環(huán)境認(rèn)知結(jié)果，通過軟件在一個平臺上重構(gòu)多個電臺運行實體，實現(xiàn)多種實體功能的軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺，包括認(rèn)知實體、誘餌實體和通信實體等，可以利用虛擬化的方法實現(xiàn)一體多機(jī)，實現(xiàn)認(rèn)知、防護(hù)和通信等功能的多位一體，既可以保證通信的正常進(jìn)行，還可以消耗敵方的對抗資源。

6結(jié)束語

通過對軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的功能需求研究，在綜合軟件無線電、認(rèn)知無線電和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺設(shè)計方法，它通過軟件模塊加載和節(jié)點功能的動態(tài)定義，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)電臺的功能定義和重構(gòu)。

在應(yīng)用過程中，可以通過虛擬化實體的方法，實現(xiàn)一體多機(jī)，在一個平臺上實現(xiàn)環(huán)境認(rèn)知、通信和防御的虛擬化實體，在動態(tài)適應(yīng)環(huán)境和靈活完成通信任務(wù)的同時，還可以利用資源優(yōu)勢和重構(gòu)能力，通過各種不同的方式消耗敵方網(wǎng)絡(luò)攻擊資源，提高對抗環(huán)境下自身防護(hù)能力，達(dá)到獲取信息優(yōu)勢的目的。

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Design of Tactical Software-defined Radio

GAO Xin-hua

( The 54 Research Institute of CETC， Shijiazhuang Hebei 050081， China)

Abstract：Cognitive Radio (CR) and Cognitive Network (CN) technology can be used to in tactical radio against interference,jamming andmalicious attacks.Firstly,the theoretical requirements for tactical radio function reconfiguration are analyzed based on design requirements and technical theory,then implementation framework,platform structure,and implementationmethods of software modules and software-defined node function are designed.Finally，themodules can be deployed dynamically in the SDR platform by module mapping to software to realize the function binding.The SDR communication station can be adaptive to the contested battlefield and obtain the improved anti-jamming and anti-attack capabilities.

Key words：Cognitive Radio;Cognitive Network;Communication Station;Anti-attack

中圖分類號：TN924

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-85-4

作者簡介：高新華(1971—)，男，高級工程師，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全。

收稿日期：2016-01-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.23

引用格式：高新華.軟件定義戰(zhàn)術(shù)電臺的設(shè)計技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):85-88,93.