基于通用處理器的軟件無線電平臺(tái)在NAVTEX系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張達(dá)科 劉鋒 龍文 安琳

?

基于通用處理器的軟件無線電平臺(tái)在NAVTEX系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張達(dá)科1劉鋒1龍文2安琳1

（1.南海航海保障中心 2.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司）

針對(duì)我國海岸電臺(tái)現(xiàn)有NAVTEX系統(tǒng)存在的問題，研究了基于通用處理器的NAVTEX體系架構(gòu)、軟件調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程，并在此基礎(chǔ)上完成典型系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足NAVTEX業(yè)務(wù)的要求，為今后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)整合以及聯(lián)網(wǎng)打下基礎(chǔ)。

奈伏泰斯；通用處理器；軟件無線電；全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)；海岸電臺(tái)

0　引言

奈伏泰斯（Navigational Telex，NAVTEX）是以窄帶直接印字電報(bào)發(fā)送和自動(dòng)接收海上安全信息的系統(tǒng)，是全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（global maritime distress and safety system，GMDSS）的重要組成部分，是海岸電臺(tái)的主要業(yè)務(wù)之一[1]。目前，我國大連、天津、上海、廣州和三亞等海岸電臺(tái)已開通該業(yè)務(wù)。海上安全信息是船舶安全航行必不可少的重要航行資料，包括航行警告、氣象報(bào)告、氣象預(yù)報(bào)和有關(guān)航行安全的其他緊急安全信息，覆蓋范圍包括我國沿海的海上氣象、大勢(shì)（氣壓分布）、風(fēng)暴警告、臺(tái)風(fēng)警告等海上氣象信息及航行通告、警告及其他水上行動(dòng)等安全信息等，多年來為覆蓋區(qū)內(nèi)海上船舶預(yù)防海難事故的發(fā)生和引導(dǎo)船舶的安全航行起到了極為重要的作用[2]。

1　NAVTEX系統(tǒng)現(xiàn)狀

由于GMDSS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出的時(shí)間較早，現(xiàn)有NAVTEX系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)普遍采用模擬無線電通信體制[3]，其典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在交換方式上，系統(tǒng)采用以獨(dú)占物理信道為特征的電路交換方式，設(shè)備間通過二線/四線音頻方式連接，不同站點(diǎn)間通過E1專線方式實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的遠(yuǎn)傳。在設(shè)備形態(tài)上，射頻前端、交換設(shè)備、基帶處理和遠(yuǎn)程控制等設(shè)備主要靠硬件方式實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)功能固化于硬件平臺(tái)中，難以通過簡單的升級(jí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的更新。

圖1　現(xiàn)有NAVTEX系統(tǒng)架構(gòu)

由于電路交換在鏈路共享、數(shù)據(jù)傳輸和多功能通信等方面的先天缺陷，使得現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，無法實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。同時(shí)，固化的硬件平臺(tái)無法滿足在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同無線電系統(tǒng)要求的不同的調(diào)制、編碼、糾錯(cuò)方式和通信協(xié)議等需求。因此，現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法靈活調(diào)整和擴(kuò)展業(yè)務(wù)，無法做到設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源共用，更無法滿足GMDSS現(xiàn)代化的發(fā)展要求。

2　基于軟件無線電平臺(tái)的體系架構(gòu)

2.1　軟件無線電

軟件無線電是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各部分功能；各部分功能都可通過軟件下載和更新來升級(jí)，無需完全更換硬件。受限于現(xiàn)有元器件水平，目前軟件無線電通常是指軟件定義無線電（software defined radio，SDR），即系統(tǒng)中大部分功能由軟件實(shí)現(xiàn)，如調(diào)制解調(diào)、編解碼和通信安全功能等。

目前業(yè)界主流的SDR有基于可編程硬件和基于通用處理器2種實(shí)現(xiàn)方式[4-5]。其中，基于可編程硬件的軟件無線電平臺(tái)采用FPGA+DSP方式[6]，優(yōu)點(diǎn)是可重配置、實(shí)時(shí)運(yùn)行速度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；但依賴于具體廠商硬件，可移植性較差；需在特定硬件架構(gòu)上編程，開發(fā)門檻較高，調(diào)試開發(fā)難度較大；硬件平臺(tái)價(jià)格昂貴，難以批量部署；通常應(yīng)用于傳輸速率高、數(shù)據(jù)流量大、運(yùn)算量較大的場(chǎng)合。基于通用處理器的軟件無線電平臺(tái)采用商用服務(wù)器或普通PC[7]，可采用通用高級(jí)語言（如C/C++）進(jìn)行軟件開發(fā)，擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)、開發(fā)周期短、成本較低；缺點(diǎn)是軟硬件都不是專門為信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)有平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)有限的性能；通常應(yīng)用于速率較低、運(yùn)算量不大、實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。從NAVTEX業(yè)務(wù)計(jì)算量、接口速率、實(shí)時(shí)性和未來兼容其他海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)等方面考慮，采用基于通用處理器的軟件無線電平臺(tái)是合理、高效的選擇。

2.2　系統(tǒng)架構(gòu)

基于通用處理器的NAVTEX系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)化發(fā)信機(jī)、信息播發(fā)軟件、信息處理軟件、控制管理軟件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件組成。網(wǎng)絡(luò)化發(fā)信機(jī)通過IP網(wǎng)口對(duì)外提供業(yè)務(wù)和管理接口，中控臺(tái)所有軟件和數(shù)據(jù)庫均部署于基于x86平臺(tái)的通用服務(wù)器上，整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于通用處理器平臺(tái)的NAVTEX播發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)

1）信息播發(fā)軟件提供各業(yè)務(wù)功能的操作界面，是中控系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)操作平臺(tái)。主要實(shí)現(xiàn) NAVTEX 廣播業(yè)務(wù)，包括報(bào)文編輯、報(bào)文編碼、報(bào)文播發(fā)、數(shù)據(jù)管理、報(bào)文統(tǒng)計(jì)和報(bào)文打印等。

2）信息處理軟件對(duì)從信息播發(fā)軟件收到的數(shù)據(jù)按照NAVTEX標(biāo)準(zhǔn)定義進(jìn)行編碼調(diào)制，將其調(diào)制為短波基帶信號(hào)，發(fā)送至發(fā)信機(jī)；為兼容其他海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)，信息處理軟件可將上層其他業(yè)務(wù)軟件提供的控制指令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)一步封裝，將其適配為實(shí)時(shí)SSB話音、DSC報(bào)文、NBDP報(bào)文等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)承載類型的傳輸服務(wù)，并向應(yīng)用層提供調(diào)用接口。

3）控制管理軟件提供收發(fā)射機(jī)設(shè)備控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)自檢等功能。實(shí)現(xiàn)收發(fā)信設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、發(fā)射機(jī)的選擇、接收機(jī)的控制等；可查看設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際需求對(duì)設(shè)備資源進(jìn)行靈活合理地調(diào)配；實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)查詢、配置、故障檢測(cè)與報(bào)警的管理等。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件存儲(chǔ)全網(wǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。采用對(duì)稱雙活機(jī)制，一旦存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)故障，無需人工干預(yù)，另一臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)接管，為海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)。

2.3　軟件調(diào)制技術(shù)

軟件調(diào)制技術(shù)通過軟件方式生成指定調(diào)制方式的波形樣值，實(shí)現(xiàn)數(shù)字序列和模擬信號(hào)之間的映射，將傳統(tǒng)復(fù)雜的模擬信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為單一的“比特流”序列處理。以NAVTEX業(yè)務(wù)為例，業(yè)務(wù)員在值班席位輸入廣播報(bào)文后，信息播發(fā)軟件區(qū)分中文、字母和數(shù)字分別進(jìn)行編碼輸出，然后按照通信協(xié)議分別加入報(bào)頭和報(bào)尾信息發(fā)送給信息處理軟件；信息處理軟件按照NAVTEX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行4B/3Y報(bào)文編碼，生成指定的格式序列進(jìn)行FSK調(diào)制，并計(jì)算生成FSK波形樣值數(shù)據(jù)；FSK波形樣值數(shù)據(jù)以IP方式傳送至網(wǎng)絡(luò)化發(fā)信機(jī)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化后，上變頻至指定頻率發(fā)送，原理流程如圖3所示。

圖3　軟件調(diào)制技術(shù)原理流程

3　測(cè)試結(jié)果

3.1　指標(biāo)比對(duì)

基于前述研究，為評(píng)估系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)，搭建基于通用處理器的NAVTEX播發(fā)原型系統(tǒng)。其中，網(wǎng)絡(luò)化發(fā)信機(jī)采用海格通信5 kW發(fā)信機(jī)，NAVTEX接收機(jī)采用海華電子三頻NAVTEX接收機(jī)，收發(fā)信機(jī)均符合國際和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)化發(fā)信機(jī)在通用處理器平臺(tái)控制下，按照指定格式發(fā)送報(bào)文，由NAVTEX接收機(jī)進(jìn)行接收比對(duì)。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)比對(duì)如表1所示。通用處理器選型及參數(shù)如表2所示。

表1　系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)比對(duì)

續(xù)表

表2　通用處理器選型及參數(shù)

3.2　性能評(píng)估

為評(píng)估通用處理器平臺(tái)的工作性能，重點(diǎn)對(duì)吞吐率、資源使用率、報(bào)文發(fā)送時(shí)延和接收誤碼率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中：從吞吐率對(duì)發(fā)送端信息處理軟件的編碼調(diào)制性能進(jìn)行評(píng)估，并行建立多個(gè)連接發(fā)送經(jīng)文本編碼后的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)出該模塊的執(zhí)行時(shí)間，以計(jì)算其編碼吞吐率；在資源使用率方面，統(tǒng)計(jì)了單路/雙路/多路NAVTEX業(yè)務(wù)的通用處理器占用率；時(shí)延為信息播發(fā)軟件完成任務(wù)下發(fā)至NAVTEX接收機(jī)開始接收?qǐng)?bào)文的平均延時(shí)；報(bào)文誤碼率為NAVTEX接收機(jī)接收?qǐng)?bào)文的平均誤碼率。

表3　系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)及結(jié)果

4　結(jié)語

隨著GMDSS現(xiàn)代化和海事綜合航海保障的發(fā)展，目前海事航海各種網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多制式兼容并存的趨勢(shì)，未來海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)也將會(huì)朝多網(wǎng)、多制式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方向發(fā)展。因此，基于高性能通用處理器的軟件無線電平臺(tái)為海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)的搭建提供了切實(shí)可行、靈活的解決方案，能夠有效發(fā)揮通用平臺(tái)的高靈活性特點(diǎn)，其快速的開發(fā)模式、較低的購置成本和靈活方便的重配置模式，使其在GMDSS新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用上具有較大的用武之地。下一步工作將在兼容海岸電臺(tái)現(xiàn)有DSC、NBDP、氣象傳真和話音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步研究通用處理器架構(gòu)的基帶算法優(yōu)化方法、基于通用處理器的計(jì)算資源自適應(yīng)調(diào)度，不斷提高平臺(tái)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和有效性，持續(xù)滿足海岸電臺(tái)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。

[1] ITU-Radio communications sector. ITU-R M.540.2 1990. Operational and technical characteristics for an automated direct-printing telegraph system for promulgation of navigational and meteorological warnings and urgent information to ships[S]. Geneva：ITU,1990.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 18766-2009奈伏泰斯系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[3] 高旭.水上通信業(yè)務(wù)中軟件調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2014.

[4] Tan Kun, Liu He, Zhang Jiansong, et al. SORA: high-performance software radio using general-purpose multi-core processors[J]. Communications of the ACM, 2011,54(1): 99-107.

[5] Lin Yuan, Lee Hyunseok, Woh Mark, et al. SODA: a high-performance DSP architecture for software-defined radio[J]. IEEE Micro, 2007,27(1): 114-123.

[6] Hwang Seon-Hwan, Liu Xiaohu, Kim Jang-Mok, et al. Distributed digital control of modular-based solid-state transformer using DSP+ FPGA[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013,60(2): 670-680.

[7] 侯延昭.基于高性能通用處理器的軟基站及其資源調(diào)度研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2014.

Application Research of Software Radio Platform Based on General Purpose Processor in NAVTEX System

Zhang Dake1Liu Feng1Long Wen2An Lin1

(1.The Navigation Guarantee Center of South China Sea(NGCS) MOT 2.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company)

This paper mainly studies the NAVTEX architecture, software modulation key technology and system business process based on general purpose processor，aimed at the existing problem of coast radio station NAVTEX service. On this basis, the typical system development and testing are completed. The test results show that the system meets the requirements of the existing NAVTEX business system. It will lay the foundation for further integration and interconnection between coastal radio stations.

NAVTEX; General Purpose Processor; Software Radio; GMDSS; Coast Radio Station

張達(dá)科，男，1973年生，博士，副研究員，主要研究方向：信息化和水上安全通信等。E-mail: 10317512@qq.com