關(guān)于軟件無(wú)線電技術(shù)軍事化應(yīng)用思考*

余秀美　黃耕文

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司　廣州　510656)

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關(guān)于軟件無(wú)線電技術(shù)軍事化應(yīng)用思考*

余秀美黃耕文

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司廣州510656)

摘要隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的逐漸成熟，尤其是美軍JTRS計(jì)劃研制的新型電臺(tái)已陸續(xù)裝備到部隊(duì)，業(yè)內(nèi)提出將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于下一代裝備的呼聲也日益高漲。自20世紀(jì)末就開(kāi)始對(duì)軍用軟件無(wú)線電技術(shù)的跟蹤和研究，并通過(guò)多種不同類(lèi)型項(xiàng)目的研發(fā)，已突破和掌握了其中的關(guān)鍵技術(shù)，也制訂出一系列的標(biāo)準(zhǔn)，并研制了多款樣機(jī)，但若要將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際裝備，還有一些工程問(wèn)題亟需解決。論文針對(duì)軟件無(wú)線電的設(shè)備系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)、波形應(yīng)用軟件的組件化設(shè)計(jì)以及設(shè)備工程化開(kāi)發(fā)流程等問(wèn)題進(jìn)行了探討，并提出相關(guān)的解決思路。

關(guān)鍵詞軟件無(wú)線電; 軟件通信體系結(jié)構(gòu); 軍事化應(yīng)用

Class NumberTN92

1引言

軟件無(wú)線電起源于軍事領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)靈活性的特殊需要，自20世紀(jì)90年代就已經(jīng)明確提出了完整的軟件無(wú)線電概念和體系結(jié)構(gòu)。軟件無(wú)線電技術(shù)的核心思想是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種通信功能如調(diào)制解調(diào)方式、工作頻段、信道接入方式、業(yè)務(wù)種類(lèi)、通信協(xié)議、加密方式、可編程射頻前端等用軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)加載不同的波形軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信需求及功能。為了達(dá)到該目標(biāo)，美軍推出了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)(JTRS)計(jì)劃。該計(jì)劃以軟件無(wú)線電和模塊化為主要設(shè)計(jì)思想，通過(guò)制訂系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)規(guī)范——軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范[1～2](簡(jiǎn)稱(chēng)SCA)，包括設(shè)備的軟、硬件體系架結(jié)構(gòu)及波形接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信裝備中軟件組件配置、管理、互聯(lián)互通的標(biāo)準(zhǔn)化。目前SCA規(guī)范已經(jīng)成為國(guó)際上軍用無(wú)線通信的事實(shí)參考標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)都以該規(guī)范為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)的研究與應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)90年代就開(kāi)始跟蹤研究軟件無(wú)線電技術(shù)，并通過(guò)一系列的項(xiàng)目研制已突破和掌握了其中的關(guān)鍵技術(shù)。但過(guò)去往往偏重于核心框架、中間件及波形應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)的突破，而要將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際裝備，并獲取軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的設(shè)備的功能性能等方面的好處，不僅需要掌握關(guān)鍵技術(shù)，還需要進(jìn)一步解決工程化應(yīng)用所引入的問(wèn)題，以下將針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行逐一的探討。

2關(guān)于軟件無(wú)線電設(shè)備的系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)

SCA規(guī)范通過(guò)提煉各種無(wú)線通信系統(tǒng)的共同屬性，采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方法對(duì)各部分的組成、層次劃分以及互連方式進(jìn)行了描述，從而使其涵蓋了各種特定的應(yīng)用領(lǐng)域。SCA是一套適用于軟件可編程電臺(tái)的法則、方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，它獨(dú)立于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)了設(shè)備的軟件和硬件的可移植性和可配置性。但對(duì)于具體應(yīng)用，還需要考慮更多設(shè)備相關(guān)的要素，本文將針對(duì)設(shè)備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作探討，并提出參考模型，并設(shè)想在艦載通信系統(tǒng)上應(yīng)用的組成結(jié)構(gòu)。

2.1軟件無(wú)線電設(shè)備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)參考模型

軟件無(wú)線電的主要目的是實(shí)現(xiàn)通信功能軟件化，且可以通過(guò)加載不同的波形軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信需求和功能。SCA規(guī)范的軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)范主要規(guī)定了操作系統(tǒng)的API、傳輸機(jī)制要求以及核心框架軟件的接口以及功能要求，為軟件無(wú)線電設(shè)備提供了節(jié)點(diǎn)、波形應(yīng)用管理、配置以及組件間接口互聯(lián)的通用結(jié)構(gòu)。當(dāng)前業(yè)內(nèi)基于SCA規(guī)范研究，并開(kāi)發(fā)相關(guān)的樣機(jī)，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)可基本參照SCA的軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)范的規(guī)定[2]，如圖1所示，主要由通用硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)(也稱(chēng)作操作環(huán)境)，構(gòu)成基礎(chǔ)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)平臺(tái)上可加載不同的波形應(yīng)用。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)的SCA組成

但對(duì)于具體的無(wú)線電設(shè)備而言，圖1所示的系統(tǒng)組成，還無(wú)法充分地體現(xiàn)具體設(shè)備系統(tǒng)所需要的軟件，比如人機(jī)交互、系統(tǒng)應(yīng)用等。為此JTRS的安全附錄中[3]提出了如圖2的設(shè)備系統(tǒng)軟件功能層次圖。

圖2　設(shè)備體系結(jié)構(gòu)功能層次

圖2更完整地描述設(shè)備系統(tǒng)的軟件組成，其中核心框架、系統(tǒng)應(yīng)用、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件、BSP及設(shè)備驅(qū)動(dòng)、硬件和總線結(jié)構(gòu)組成了設(shè)備的基本平臺(tái)；操作系統(tǒng)及中間件為系統(tǒng)應(yīng)用、波形應(yīng)用及核心框架提供服務(wù)；系統(tǒng)應(yīng)用與核心框架、波形應(yīng)用及人機(jī)界面有接口；波形應(yīng)用還需要與核心框架交互；此外，下一代電臺(tái)將成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一部分，可能還需要相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件和安全軟件等。

針對(duì)上述問(wèn)題，并參照?qǐng)D2的設(shè)備系統(tǒng)功能層次，提出了如圖3所示的軟件無(wú)線電設(shè)備的系統(tǒng)軟件組成的參考方案，其中，系統(tǒng)管理模塊作為設(shè)備的管理核心模塊，它接收顯控單元和網(wǎng)管數(shù)據(jù)，用作系統(tǒng)控制管理三個(gè)管理代理，根據(jù)具體管理目標(biāo)，分發(fā)控制與數(shù)據(jù)到硬件平臺(tái)管理代理、軟件平臺(tái)管理代理及波形管理代理。

圖3各個(gè)組成單元的詳細(xì)描述如下:

?硬件平臺(tái)的管理代理:主要是針對(duì)硬件板卡進(jìn)行管理，如硬件加電自檢、故障檢測(cè)與報(bào)告等；

?軟件平臺(tái)的管理:經(jīng)過(guò)核心框架的域管理接口，對(duì)軟件平臺(tái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的組件進(jìn)行管理、控制、屬性配置等；

?波形應(yīng)用管理:同樣通過(guò)核心框架的域管理器接口，實(shí)現(xiàn)波形應(yīng)用的加載、卸載、啟動(dòng)、停止、屬性配置、屬性查詢(xún)等。

另外，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)端口的邏輯設(shè)備，統(tǒng)一匯集到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)組件與具體波形應(yīng)用組件進(jìn)行交互，考慮到經(jīng)網(wǎng)口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)既有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也有對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制與管理的數(shù)據(jù)等，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)處理模塊，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型和用途進(jìn)行數(shù)據(jù)的分發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)，如業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)模塊，對(duì)于網(wǎng)管數(shù)據(jù)，則分發(fā)到網(wǎng)管代理模塊，其它類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)將根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相關(guān)的處理。

圖3　軟件無(wú)線電設(shè)備的系統(tǒng)軟件參考組成

根據(jù)圖3的系統(tǒng)軟件組成，基于分層的體系結(jié)構(gòu)模式，按照軟件通信體系規(guī)范，可設(shè)計(jì)如圖4所示的軟件無(wú)線電設(shè)備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖4　軟件無(wú)線電設(shè)備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的參考模型

由圖4可知，對(duì)于一個(gè)完整軟件無(wú)線電設(shè)備系統(tǒng)除了需要包含軟件通信體系結(jié)構(gòu)中所定義的軟件單元，還需要一些更高層的系統(tǒng)管理、信息安全等方面的功能單元，這些功能單元并未標(biāo)準(zhǔn)化，需要根據(jù)實(shí)際設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

2.2基于軟件無(wú)線電的艦載通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)想

根據(jù)資料顯示[4]，外軍已將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于艦船設(shè)備，構(gòu)成了完全集成的通信系統(tǒng)，可以有效地解決艦載通信系統(tǒng)中各類(lèi)電臺(tái)繁多、功能單一、靈活性差等問(wèn)題。本文將根據(jù)圖4所提出的設(shè)備系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，設(shè)想基于軟件無(wú)線電的艦載通信系統(tǒng)軟件組成。

艦載無(wú)線通信系統(tǒng)一般需要支持短波、超短波、UHF/S衛(wèi)星通信及GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位等業(yè)務(wù)需求。在不考慮多信道的情況下，系統(tǒng)的硬件組成可以采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)。

圖5　艦載無(wú)線通信系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖5中電源模塊可為整個(gè)系統(tǒng)提供電源服務(wù)；系統(tǒng)控制模塊用于部署設(shè)備系統(tǒng)管理軟件，包括軟硬件管理及波形應(yīng)用管理；安全交換模塊用于部署信息安全及網(wǎng)絡(luò)交換相關(guān)的軟件單元；信號(hào)處理模塊主要部署不同的波形應(yīng)用軟件；信道模塊用于提供設(shè)備射頻控制相關(guān)的功能。針對(duì)艦載無(wú)線系統(tǒng)需要支持的業(yè)務(wù)較為復(fù)雜，需要能夠動(dòng)態(tài)切換波形應(yīng)用，甚至需要硬件單元可即插即用。因此在軟件通信體系結(jié)構(gòu)上可以考慮部署SCA4.0規(guī)范[1,6]中所提到的全量級(jí)的功能單元配置，具體包括:平臺(tái)組件注冊(cè)/注銷(xiāo)、設(shè)備管理器可釋放、遵循全量級(jí)的應(yīng)用環(huán)境配置(AEP)以及支持組件部署四項(xiàng)必選功能單元；支持CORBA、日志服務(wù)以及應(yīng)用可安裝三項(xiàng)可選功能單元。其中，平臺(tái)組件注冊(cè)/注銷(xiāo)及設(shè)備管理器可釋放為硬件平臺(tái)可即插即用提供了支撐；而組件部署、應(yīng)用可安裝為動(dòng)態(tài)切換波形提供了支持。另外，為了減少不必要的資源占用，裁剪了事件服務(wù)、嵌套波形應(yīng)用、按通道部署波形等可選功能單元。具體軟件部署如圖6所示。

圖中主要描述了系統(tǒng)主控、安全交換、信號(hào)處理模塊的軟件單元組成，各個(gè)處理器單元都參照了軟件通信體系結(jié)構(gòu)作軟件部署，另外在主控模塊部署與系統(tǒng)管理相關(guān)的軟件單元，為整個(gè)系統(tǒng)提供管理和控制。而由于射頻單元通常具有獨(dú)立的發(fā)展路徑[7]，針對(duì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)用，一般需要考慮寬頻段、射頻可編程、射頻可重構(gòu)等方面的要求，對(duì)于艦載無(wú)線通信系統(tǒng)需要作射頻單元綜合一體化設(shè)計(jì)，因此本文不考慮信道模塊的軟件部署。

圖6　基于軟件無(wú)線電的艦載通信系統(tǒng)軟件部署

3關(guān)于波形組件化設(shè)計(jì)

SCA規(guī)范中提出了參考網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層模型來(lái)進(jìn)行波形應(yīng)用軟件的組件劃分[8]，因此以往針對(duì)已有的波形進(jìn)行移植時(shí)，通常就以此為原則進(jìn)行波形組件劃分，比如某個(gè)波形被劃分如圖7所示的組件結(jié)構(gòu)。

圖7　通用的波形應(yīng)用組件劃分

圖7所示的組件劃分顯然顆粒度較粗，雖然體現(xiàn)了波形應(yīng)用組件化設(shè)計(jì)的思想，但對(duì)于實(shí)際電臺(tái)研制中，以這種方式進(jìn)行組件設(shè)計(jì)，通常使得組件功能復(fù)雜，組件軟件復(fù)用性差，且移植難度大，難以體現(xiàn)軟件無(wú)線電所期望的方便升級(jí)、方便維護(hù)、方便新技術(shù)插入等方面的優(yōu)點(diǎn)。而事實(shí)上，無(wú)線通信的處理過(guò)程，適合采用經(jīng)典的管道濾波器設(shè)計(jì)模式，按照這一設(shè)計(jì)模式，根據(jù)波形軟件處理的步驟進(jìn)一步細(xì)分組件可能是一種更好的設(shè)計(jì)方案。例如圖8中，由外軍的某超短波窄帶波形的物理層功能，進(jìn)行組件化設(shè)計(jì)后，形成流水線式的五個(gè)物理層組件，當(dāng)波形應(yīng)用軟件以這樣的組件組成，可有效地簡(jiǎn)化局部單元的維護(hù)和技術(shù)升級(jí)，也很容易在不同的波形之間復(fù)用組件。

圖8　某超短波窄帶波形物理層組件劃分

目前各國(guó)在軟件無(wú)線電技術(shù)研究中，都較為重視波形組件化設(shè)計(jì)，根據(jù)歐盟ESSOR項(xiàng)目公開(kāi)的資料顯示[5]，該項(xiàng)目的高數(shù)據(jù)率波形(HDRWF)，在物理層組件劃分上，采用中等粒度的波形組件劃分策略，共劃分了16個(gè)基本軟件項(xiàng)(BSI)。

但組件的顆粒度也不能無(wú)限度的細(xì)化，因?yàn)殡S著組件粒度的細(xì)化、組件數(shù)量的增多，存儲(chǔ)資源、運(yùn)行資源占用開(kāi)銷(xiāo)、組件間通信的開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)快速上升，因此劃分組件的顆粒度需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際能力及需求作相應(yīng)的平衡考慮。

4關(guān)于設(shè)備的工程化開(kāi)發(fā)流程

關(guān)于軟件無(wú)線電技術(shù)如何切入到設(shè)備的研發(fā)過(guò)程，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的模式。美軍的prismTech公司提出了一種通用的波形和電臺(tái)設(shè)計(jì)流，如圖9所示:波形與設(shè)備平臺(tái)是可以并行的設(shè)計(jì)流，當(dāng)波形應(yīng)用、設(shè)備平臺(tái)各自經(jīng)過(guò)獨(dú)立的測(cè)試驗(yàn)證之后，再進(jìn)行系統(tǒng)集成驗(yàn)證，最后形成設(shè)備。

圖9　波形與電臺(tái)設(shè)計(jì)流程案例

圖中可以清楚地看到，引入SCA僅僅影響了波形應(yīng)用組件、平臺(tái)組件的框架，而對(duì)于波形核心的算法的設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有受到影響，因此，通過(guò)提供一些標(biāo)準(zhǔn)的組件框架，就可以有效地降低波形應(yīng)用開(kāi)發(fā)者以及平臺(tái)開(kāi)發(fā)者的技術(shù)門(mén)檻，使其專(zhuān)注于波形業(yè)務(wù)、設(shè)備平臺(tái)本身的需求。

5結(jié)語(yǔ)

本文主要圍繞軟件無(wú)線電技術(shù)的軍事化應(yīng)用，尤其是該技術(shù)應(yīng)用于下一代電臺(tái)裝備研制中可能存在并需要解決的重要工程技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討，并提出相關(guān)的解決思路，期望通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用以及研發(fā)方法的改進(jìn)，軟件無(wú)線電技術(shù)能夠順利地在下一代設(shè)備中得到應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System, Software Communication Architecture Specification, Version4.0[S].2012.

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Military Applications of Software Defined Radio Technology

YU XiumeiHUANG Gengwen

(Guangzhou Haige Communitions Group Incorporated Company,Guangzhou510656)

AbstractWith the gradually mature of software defined radio technology, expecially the new styleradiaos, by JTRS developed, are equiped to troops. Demands for the software defined radio technology applied to the next generation equipment become strong. Since the end of last century, the technology has been tracked and studied. And through a variety of projects, key technologies are break-throughed, also a series of standards are worked out, and some prototypes are developed. But when the technology is to be applied to the actual equipment, there are some engineering problems needing to be solved. In this paper, the problems of the system top-level architecture design for theequipment, component design for the waveform, and the the general design flow for waveform have been discussed, and the solutions are put forward.

Key Wordssoftware defined radio, software communication architecture(SCA), militaryapplications

* 收稿日期：2015年11月7日,修回日期：2015年12月23日

作者簡(jiǎn)介：余秀美，女，工程師，研究方向：軟件無(wú)線電應(yīng)用技術(shù)。黃耕文，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：軍用無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)TN92

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.005