基于SCA的軟件無線電臺配置管理設計*

吳 非，廖文瑜，牛吉凌

(中國電子科技網(wǎng)絡信息安全有限公司第三十研究所,四川 成都 610041)

基于SCA的軟件無線電臺配置管理設計*

吳 非，廖文瑜，牛吉凌

(中國電子科技網(wǎng)絡信息安全有限公司第三十研究所,四川 成都 610041)

SCA軟件通信體系架構為軟件無線電系統(tǒng)實現(xiàn)提供了有效途徑，能夠促進軟件無線電系統(tǒng)快速發(fā)展，更好地適應通用性、開放性和移植性需求，其中SCA4.0架構更是提供了靈活實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的方案。本文在現(xiàn)有研究基礎上，結合SCA4.0架構軟件平臺，設計了一種能有效管理SCA軟件無線電臺的軟件框架，可支持使用人機和網(wǎng)管接口對多型電臺設備實現(xiàn)配置管理。軟件框架基于低耦合度和模塊化設計，便于部署和移植，能為軟件無線電臺產(chǎn)品設計和開發(fā)提供支撐。

軟件通信體系架構；軟件定義無線電；核心框架；配置管理

0 引 言

軟件通信體系結構（Software Communication Architecture，SCA）[1]是由美國聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)（JTRS）研究制訂的軟件通信架構標準。基于軟件無線電[2]的設計思想，人們提出了一套全新的軟件無線電系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)框架具有高度的靈活性和開放性，可以有效提高通信系統(tǒng)的通用性和互操作性，減少開發(fā)和升級成本，目前已在軍事通信領域廣泛應用。

從JTRS提出SCA標準至今，經(jīng)歷了超過10年的發(fā)展與應用。SCA標準在實踐與應用過程中不斷完善，特別是在2001年推出SCA2.2版本后，美軍陸續(xù)開發(fā)出AN/PRC-148 JTRS增強型、AN/PRC-152(C)、支持多頻段的AN/PRC-117(G)、支持多通道的AN/PRC-155等多款電臺，在實踐中完成體系結構驗證，實現(xiàn)了波形動態(tài)加載管理功能[3]。2012年2月發(fā)布的SCA4.0[4]規(guī)范對現(xiàn)有標準進行了修訂，允許通過核心框架功能裁剪和配置適合不同規(guī)模平臺滿足應用需求[5]，使其可以更靈活地實現(xiàn)平臺功能。

目前，國內(nèi)外對SCA軟件無線電系統(tǒng)的研究還尚未對軟件無線電臺的配置管理進行專門研究，缺乏靈活有效的管理機制，對電臺內(nèi)各軟硬件資源的管理主要依賴于各廠商提供的管理工具，管理方式復雜，效率較低。針對上述問題，本文參照JTRS電臺設計思想，結合最新的SCA4.0核心框架，設計了一種針對SCA軟件無線電臺的配置管理框架，以滿足不同架構下電臺配置管理的需求。

1 SCA軟件無線電臺架構

SCA軟件無線電臺希望能夠在通用化硬件平臺上支持多種通信方式，具備更寬頻率范圍覆蓋，在戰(zhàn)術無線通信環(huán)境下提供移動自組網(wǎng)功能，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)、高速視頻等多種業(yè)務。

SCA軟件無線電臺配置管理功能需要依托電臺設備的硬件及軟件體系結構，對電臺通用參數(shù)和波形具體參數(shù)進行統(tǒng)一管理。本章將簡要介紹SCA軟件無線電臺硬件和軟件架構。

1.1 電臺通用硬件架構

為適應單信道、雙信道、多信道以及背負式、車載式等多種不同形態(tài)設備的開發(fā)需求，SCA軟件無線電臺使用圖1所示的硬件架構。

圖1 電臺通用硬件架構示意

如圖1所示，電臺使用一個GPP實現(xiàn)主控功能，對外提供電臺管理接口、業(yè)務接入接口和外設設備接口。通用收發(fā)單元實現(xiàn)電臺無線信道傳輸功能，由基帶GPP、基帶DSP、基帶FPGA和射頻FPGA共同組成，可根據(jù)設備形態(tài)配接最多4個通用收發(fā)單元實現(xiàn)多信道支持和寬頻段覆蓋。主控與通用收發(fā)單元之間使用千兆以太網(wǎng)總線連接。

1.2 電臺軟件體系結構

SCA軟件無線電臺的體系結構設計參照美軍JTRS系列電臺的體系結構，并在原有SCA2.2系列版本基礎上引入SCA4.0版本設計思想，通過對核心框架功能模塊的裁剪適應不同應用需求。

電臺軟件體系架構主要分為電臺操作環(huán)境（Operation Environment，OE）和波形部分。由于SCA2.2.2[6]標準已經(jīng)將安全架構從體系中剝離，因此從實際應用出發(fā)，可用圖2表示SCA軟件無線電臺的軟件體系架構。

圖2 電臺軟件體系結構示意

電臺操作環(huán)境中，GPP處理器之間和內(nèi)部的通信使用CORBA中間件提供，GPP與處理單元之間通信使用MHAL實現(xiàn)[7]。

波形實現(xiàn)獨立于平臺部分，其設計與實現(xiàn)基于SCA規(guī)范，具有良好的開放性。GPP側波形組件主要實現(xiàn)網(wǎng)絡層功能，DSP、FPGA側波形組件實現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，由核心框架提供波形加載切換控制。

電臺軟件架構采用SCA的輕量級核心框架，與功能相關的軟件實現(xiàn)采用SCA組件化設計，與硬件相關的軟件部分設計為設備組件，與應用相關的軟件部分設計為資源組件。

2 軟件無線電臺配置管理設計

為滿足應用需要，軟件無線電臺支持兩種模式的配置管理入口：使用前面板人機界面和網(wǎng)管軟件。前面板主要提供電臺中各操作界面顯示和操作實體；SNMP網(wǎng)管提供位于PC端的用戶操作界面，使用標準的SNMP協(xié)議實現(xiàn)對電臺內(nèi)各配置項的查詢、設置功能，并對電臺狀態(tài)進行監(jiān)控。

配置管理參數(shù)按類型可分為平臺參數(shù)（電臺通用參數(shù)）和波形參數(shù)兩種。電臺通用參數(shù)是電臺中常用的參數(shù)部分，與波形參數(shù)和具體波形無關，常用電臺參數(shù)如音量設置、傳輸功率設置、靜噪設置等。波形參數(shù)與具體波形相關，與電臺平臺無關。各波形中，定義和使用的參數(shù)在種類和數(shù)量上有較大差別。

從電臺軟件體系結構出發(fā)，結合實際SCA軟件無線電臺的硬件架構和配置管理的需求，本文設計了一種對電臺實現(xiàn)配置管理的軟件框架。該軟件框架將對電臺通用參數(shù)進行集中式管理，對波形參數(shù)則根據(jù)具體波形類型和加載情況進行動態(tài)管理。

2.1 電臺配置管理框架

電臺配置管理框架如圖3所示。電臺配置管理軟件主要部署在主控GPP上。配置管理模塊是SCA軟件無線電臺控制管理的核心模塊，負責對電臺內(nèi)部各硬件、軟件的管理功能，對外支持人機、SNMP等多種管理接口。

圖3 電臺配置管理框架

如圖3所示，電臺配置管理模塊主要由人機、SNMP代理、消息分發(fā)、平臺管理、電臺參數(shù)管理、波形參數(shù)管理模塊和嵌入式輕量級數(shù)據(jù)庫共同組成。

平臺管理、電臺參數(shù)管理和波形參數(shù)管理模塊共同構成管理支撐模塊，對上為人機和SNMP代理提供實現(xiàn)具體配置管理功能的接口。管理支撐模塊通過由核心框架提供的管理接口，實現(xiàn)對電臺設備組件、功能組件和資源組件的配置和管理。

2.2 管理消息機制

為降低配置管理模塊各模塊間的耦合度，便于模塊靈活部署和滿足移植需求，配置管理模塊使用管理消息作為模塊間交互機制。

管理消息構成及功能定義描述如下：

（1）消息類型：用于指示管理消息類型；

（2）消息長度：指示本條管理消息長度，包括消息頭和數(shù)據(jù)部分；

（3）消息ID：由消息分發(fā)模塊維護一個消息ID生成器，使系統(tǒng)中某一時段的各類消息擁有一個唯一的ID標識；

（4）通道號：對各通道參數(shù)設置通道號標識，特殊的，對電臺通用參數(shù)管理時，通道號標識為0；

（5）操作類型：涵蓋系統(tǒng)中各種操作動作，包括設置、查詢、清除、響應、上報等類型；

（6）校驗和：提供消息內(nèi)容校驗判斷；

（7）對象ID：由類ID字段和參數(shù)ID字段共同構成，用于唯一指示配置參數(shù)類型，對電臺中所有參數(shù)按類型劃分大類，各大類使用唯一類ID標識，各大類中的具體參數(shù)使用唯一參數(shù)ID標識；

（8）數(shù)據(jù)部分：用于攜帶具體配置管理信息。

管理消息由人機模塊、SNMP代理產(chǎn)生，完成請求消息內(nèi)容填充后，使用消息分發(fā)模塊提供的通用接口下發(fā)消息。

消息分發(fā)模塊對消息匯聚后，根據(jù)消息對象ID，將消息送給不同管理支撐模塊進行分類處理。管理支撐模塊調(diào)用核心框架提供的配置管理接口，下發(fā)管理請求消息。不同對象ID的消息使用核心框架的接口不同，后續(xù)介紹各管理支撐模塊時將進行相應說明。

對設置、查詢操作類型的請求消息，送達目的端完成處理后將產(chǎn)生應答消息。通過消息分發(fā)模塊維護一個消息響應鏈表，收到請求消息時將其加入鏈表；收到應答時使用消息ID為索引查找鏈表，對請求進行響應，生成對應的響應消息，避免出現(xiàn)應答請求不匹配的情況。

2.3 參數(shù)自動保存機制

嵌入式數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一接口，實現(xiàn)對電臺參數(shù)、各波形參數(shù)的存取。數(shù)據(jù)庫讀操作發(fā)生在電臺上電和波形加載時刻，分別讀取電臺參數(shù)和各波形參數(shù)。

配置管理模塊中，使用定時器機制來實現(xiàn)參數(shù)自動保存功能，參數(shù)自動保存機制如圖4描述。

實際應用中，只需在電臺參數(shù)管理和波形參數(shù)管理各處理函數(shù)中，將參數(shù)修改標識位置位，然后由后臺定時器任務將參數(shù)保存到數(shù)據(jù)庫。

參數(shù)自動保存提供了一種有效便捷的保存參數(shù)機制，通過合理設置定時器周期，可以避免頻繁地進行數(shù)據(jù)庫寫操作，從而減少系統(tǒng)調(diào)用開銷。

2.4 人機模塊

人機模塊以頁面作為基本操作和功能實現(xiàn)單元。每個頁面根據(jù)其屬性支持相應操作，并對特定按鍵進行響應處理。

圖4 參數(shù)自動保存流程

頁面屬性決定當前操作的參數(shù)對象ID、通道號，對特定按鍵的解析能夠獲取操作類型，由人機界面產(chǎn)生管理消息開始配置管理。

人機模塊根據(jù)頁面當前狀態(tài)刷新顯示頁面，獲取響應信息后完成結果顯示。

2.5 SNMP代理模塊

SNMP代理模塊對來自網(wǎng)管界面的協(xié)議數(shù)據(jù)解析，在對應的頁節(jié)點訪問函數(shù)中添加基于管理消息機制的處理流程。

SNMP代理模塊開發(fā)流程為：

（1）首先完成管理信息庫（MIB）的擬定，確定配置項、對象標識符（OID）、參數(shù)類型和參數(shù)范圍；

（2）使用MibComp工具生成代碼框架；

（3）通過定制MIB訪問例程添加自定義函數(shù)，在代碼框架中將SNMP協(xié)議配置內(nèi)容轉(zhuǎn)為管理消息格式，使用管理消息機制完成配置、查詢功能。

SNMP代理模塊還維護一個接收處理任務，對接收到的上報消息進行處理，對MIB庫中定義為上報類型的消息，封裝成Trap類型消息送給網(wǎng)管。

2.6 平臺管理模塊

電臺平臺管理可向人機和網(wǎng)管提供當前可支持的波形和已安裝波形信息，接收處理波形加載、切換命令，對電臺各通道波形進行安裝、加載和卸載操作。

平臺管理模塊接收處理管理請求消息，使用核心框架提供的組件接口完成操作：

（1）通過遍歷核心框架域管理器（Domain Manager）中的應用工廠（Application Factory）列表，獲取可支持波形列表；

（2）使用應用工廠提供的create接口實現(xiàn)創(chuàng)建波形操作，波形創(chuàng)建時產(chǎn)生一個應用（Application）接口對象；

（3）使用應用接口提供的Release Object接口，實現(xiàn)波形卸載操作。

對位于DSP、FPGA側的波形組件，其加載卸載操作通過加載不同的DSP、FPGA鏡像實現(xiàn)。

2.7 電臺參數(shù)管理模塊

電臺參數(shù)管理模塊提供對電臺硬件相關的通用參數(shù)進行統(tǒng)一管理。主要實現(xiàn)以下功能：

（1）上電啟動時，從數(shù)據(jù)庫中讀取電臺參數(shù)，對相應模塊進行初始化設置；

（2）接收處理來自人機和SNMP代理的配置命令，調(diào)整配置項狀態(tài)；

（3）對電量、時間信息進行采集，上報給人機模塊顯示；

（4）實現(xiàn)各類硬件告警、異常信息上報。

對已抽象為設備（Device）的配置管理，使用設備管理器（Device Manager）提供的configure接口實現(xiàn)配置；其余非設備類配置管理則通過調(diào)用硬件驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)。

2.8 波形參數(shù)管理模塊

波形參數(shù)管理模塊提供對各通道各波形參數(shù)管理的統(tǒng)一框架。上電時，根據(jù)加載波形讀取數(shù)據(jù)庫中對應波形參數(shù)，初始化配置波形組件。

因各波形的組件部署情況、參數(shù)種類和配置項有較大差異，與各波形相關的部分使用動態(tài)庫實現(xiàn)。需注意，使用時要根據(jù)需要鏈接加載。

按照SCA中波形可動態(tài)加載和切換的要求，波形參數(shù)管理模塊中各波形相關部分在創(chuàng)建波形時由平臺管理完成加載，波形切換時進行卸載。

波形參數(shù)配置使用核心框架應用（Application）接口對波形組件進行管理和控制。為適應多信道電臺的管理需要，核心框架實現(xiàn)中將加入通道屬性作為選擇應用實例的條件。

3 結 語

本文提出了一種適應SCA軟無體系架構能夠支持多形態(tài)電臺設備配置管理的軟件框架。在實際應用過程中，可通過前面板和網(wǎng)管界面實現(xiàn)對SCA軟件無線電臺參數(shù)進行方便靈活地管理，波形安裝切換等操作，滿足用戶的使用需要。配置管理軟件模塊間使用管理消息機制通信，降低了模塊間耦合度，能夠根據(jù)需要進行快速部署和移植。后續(xù)將對SCA4.0架構與配置管理框架的結合進行進一步優(yōu)化和改進，以提高電臺的可操作性和用戶使用體驗。

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[2] Joe Mitola.The Software Radio Architecture[J].IEEE Communications Magazine,1995,33(5):26-38.

[3] 劉文斌,廖文瑜,彭麟等.電臺軟件架構發(fā)展及其向SCA4.0演進的途徑分析[J].通信技術,2014,47(04):396-400.LIU Wen-bin,LIAO Wen-yu,PENG Lin,et al.The Development of Radio Software Architecture and the Way to the Evolution of SCA4.0[J].Communication Technology,2014,47(04):396-400.

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[5] 蔡卓,張小瓊.SCA4.0規(guī)范概述[J].通信技術,2013, 46(07):126-128. CAI Zhuo,ZHANG Xiao-qiong.SCA4.0 Specification Overview[J]. Communication Technology,2013,46(07):126-128.

[6] JTRS JPEO.SCA Specification Version 2.2.2(2006-05-15),Software Communication Architecture[S]. SA:JTRS JPEO,2006.

[7] 張海燕,叢鍵.一種新型SCA電臺的分析與設計[J].通信技術,2012,45(09):21-24. ZHANG Hai-yan,CONG Jian.Analysis and Design of A New Type SCA Radio Station[J].Communication Technology,2012,45(09):21-24.

吳 非（1982—），男，碩士，工程師，主要研究方向為軟件無線電及通信技術；

廖文瑜（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向為軟件無線電及通信技術；

牛吉凌（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向為電路與系統(tǒng)及射頻微波。

Design of Configure Manage Framework based on SCA SDR Radio

WU Fei, LIAO Wen-yu,NIU Ji-ling
(No.30 Institute of China Cyber Space,Chengdu Sichuan 610041,China)

Software Communication Architecture provides an effective way to implementation Software Defined Radio system, which greatly facilitate the development of SDR system and make the radio more commonality and openness. SCA4.0 Architecture makes it more flexible to design SRD radio. This paper introduces a new software framework to fulfill configure manage demand of SCA SDR radio based on current research and the new SCA4.0 architecture, provides HMI and network manage interface to manage radio. Software framework's low coupling and modular design can make it easy to deploy and transplant, which supports the design and development of SDR radio products.

SCA;SDR;Core framework;Configure manage

TN924;TP311

：A

：1002-0802(2016)-06-0794-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.026

2016-02-09;

：2016-05-07 Received date:2016-02-09;Revised date:2016-05-07