软件通信体系结构规范的演进研究＊

仇建军 王晓阳 张 琼

（1.海军驻武汉地区通信军事代表室 武汉 430079）（2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

1 引言

软件无线电，即部分或全部的物理层功能由软件定义，由于其具有波形可移植性、互操作性，产品可重配置，便于新技术的引用和升级等优点，被视为无线电的发展趋势而受到越来越广泛的关注和研究。而DSP、FPGA、GPP处理速度的提升和功耗的优化、模数转换器性能的提升、基于对象的编程和使硬件抽象且独立的中间件技术的应用以及使波形在异构处理结构中布置的有效的软件体系结构的开发，都使以前停留在概念上的软件无线电成为现实［9］。美军联合战术无线电（JTRS）提出的软件通信体系结构（SCA）为无线通信系统的发计和开发提供了详细的规范，建立了独立于设备的结构框架，如图1所示。

图1 SCA：软件通信体系结构

SCA 定义了嵌入软件无线电（SDR）平台的操作环境（OE），并定义了标准的机制来加载和配置到这些平台的SDR波形。另外，SCA 为了实现SDR 平台提供标准的服务而定义了一组通用的应用可编程接口（API），这些API可被波形应用使用。需要注意的是，SCA并没有将硬件模块标准化，而是由业界完全开放的、竞争性地开发相关的SDR 平台。这些制造商可以从商用现货（COTS）供应商获得操作环境软件，从而降低开发这类软件无线电所需的费用。

2 SCA的过去

由于早期的一些如Speakeasy、FM3TR 等软件无线电项目的成功经验都表明，一个标准的软件无线电体系结构框架有利于在一系列SDR 电台家族上开发通用的波形软件，从而提高互操作性并有助于减少开发的费用和风险。因此后续开展的JTRS 项目开始建立软件通信体系结构（SCA）规范，并在2000年发布了第一个正式的版本SCA 1.0，接着在2001年发布了一个较为完备的版本SCA 2.2，其最初的经典SCA 软件体系结构如图2所示。在该体系结构中用统一建模语言（UML）来图形化表示接口，并用接口定义语言（IDL）来定义接口，其可从大的方面分为总线及板级硬件驱动层、提供串行和网络接口的网络和串行接口服务层、为应用提供多线程支持的符合可移植操作系统接口（POSIX）规范的操作系统接口层、提供分布式处理环境中消息传递功能的公共对象请求代理体系结构（CORBA）中间件层、为波形应用提供底层软硬件抽象的核心框架层以及提供通信功能的应用层六个部分组成。其中前五层构成一个通用的软件平台，为应用层的波形开发提供了统一的、开放的底层支持和服务，从而获得波形应用的可移植性、可重用性和互操作性。而在2004年发布的SCA 3.0版本中增加了专用硬件附录，希望通过建立抽象的处理资源，将其分配到各种任务中来解决专用硬件（如DSP、FPGA）的问题，但该方案是面向软件的，不足以赶上DSP和FPGA的能力，尤其是在SCA 中并没有明确地定义抽象等级，迫使供应商用结果去解释规范，而每种实现差异很大，实际上成了专有实现，同时，实现抽象需要额外的软件，这也削弱了DSP和FPGA的性能优势。因此3.0版本推出一段时间后又重新回到2.2版本的基础上，JTRS的联合办公室在2006年推出了SCA2.2.2版本，该版本弃用了API附录的方式，改由JTRS的接口控制工作组（ICWG）制定通用的标准API规范，同时弃用了安全规范附录，其规范较为成熟。整体上来看，从01年发布的SCA 2.2版本开始，后续的规范大部分都未做改变。因此现在推出的符合SCA 规范的软件无线电产品都是以SCA 2.2.2版本为基础的。

图2 最初的SCA 软件体系结构

3 SCA的现在

随着软件技术、专用数字芯片的发展以及SCA 开发经验的积累，以2.2版本为基础的SCA 已越来越难满足对异构平台间波形可移植性的要求。因此，在2009年在SCA2.2.2基础上相继提出了SCA Next和ESSOR Architecture概念。这些概念的提出是为了提升体系结构以减少波形在多种SDR 平台间移植所需的开销。

3.1 SCA Next到SCA 4.0

从2009年提出SCA Next概念，经过3年时间的讨论，最终在2012年2月形成正式的SCA 4.0版本，标志着说明体系结构，设计和实现一个软件无线电与之前相比有了根本性的改变。SCA 4.0 遵循模型驱动体系结构（MDA）的方法进行开发，该方法是首先对应用领域进行高度抽象的建模，这个模型和实现它的技术（或者底层技术）完全没有关系，称之为平台无关模型（PIM）。然后，PIM 将被转换为一个或多个平台相关模型（PSM），PSM 将用一个特定的实现技术来描述私有的系统，最后，PSM 将被翻译成源代码。SCA 4.0中基本的规范被开发成PIM，附录E 定义了本地或分布式的客户／服务器操作的传输机制，不在限于CORBA，还包括C＋＋、SOAP，DDS、MHAL通信服务等。其附录E－1就定义了CORBA PSM 模型。其模型驱动结构［5］示意图如图3所示。

图3 模型驱动结构（MDA）示意

同时，SCA 4.0的OE 配置文件和操作系统功能单元（UoF）可按轻量级、中等、完整三个等级进行适应性调整。另外，不同于以前无论是否需要组件必须实现所有继承的接口，在SCA 4.0中组件的接口可根据需要进行裁剪，优化了组件的连接流程从而加快了启动时间并提高了可移植性。并且设计新的API来提高DSP 和FPGA 处理器的移植能力。现在，供应商正积极研制符合SCA 4.0规范的商用现货，PrismTech公司已推出第一款适合SCA 4.0规范的中间件产品。

3.2 ESSOR Architecture

ESSOR Architecture［2］是2009年 由 欧 洲 法、意、西 班牙、瑞典、芬兰和波兰六国发起的欧洲安全软件无线电（ESSOR）项目提出的面向欧洲军用电通信市场完全可持续安全的SDR 体系结构。它是在已发布的JTRS SCA 和APIs的基础上提出的，并在以下几个方面扩展定义：定义DSP和FPGA 处理单元的OE来提供两种基于MHAL和CORBA的规模可变的体系结构；在已发布的JTRS无线电设备（RD）和无线电服务（RS）API拓展定义。图4展示了一个SDR的组成和结构，其中SDR 平台通过APIs提供波形的加载运行。硬件平台受尺寸、重量、功耗、处理能力、射频前端能力（如单工或双工）、主要受电台操作环境，SDR 平台可被分成不同类型（如手持，背负、车载、海军／固定、机载等）。

图4 SDR组 成 和 结 构

·CF：遵循ESSOR 体系结构，与JTRS SCA 2.2.2CF相比只做较少修改、说明和扩展的实现CF接口的实体；

·GPP、DSP 和FPGA的OE：连接GPP、DSP 和FPGA，并执行（如加载和执行代码）的实体。存在不同连接解决方式的两类OE：CORBA 和ESSOR MHAL；

·RD：提供SDR的HW 模块抽象的实体。RD 提供为需要接入HW 模块的其它SDR组件（如WF应用和RS）高层次的软件接口（API）。ESSOR 体系结构对发布的JTRS API规范进行一些修改／说明，并扩展增加的功能如ESSOR Transceiver API，提供详细的定义；

·RS：为波形应用提供软件功能的实体。与波形的操作相关，控制、监控。下载文件和资源配置。和RD 相似，发布的JTRS API规范进行一些修改／说明，提供详细的定义；

·RSS：提供与ESSOR 安全对象一致的安全功能实体。

ESSOR Architecture的提出是为了军事目的开发，并在不同国家的SDR 平台上开发、实现并验证该体系结构。计划在2013年中期进行六个不同国家SDR 平台的高数据速率波形（HDR WF）波形的演示验证工作。

4 SCA的未来

SCA的发展现在正处于关键的阶段，JTRS 联合办公室提出“将SCA 定位为综合性但足够灵活来为几代JTRS及工业产品提供技术基础”的目标、欧洲ESSOR 项目提出的“完善SCA2.2.2来提供完整的SDR 体系结构定义”、美军提出的 基 于SCA2.2.2 建 立的“Government Reference Architecture”为卫星通信终端通用的软件结构等其他国家和地区都采取相似的路线。这样的SCA 发展分歧有着固有的低效率，如多个组织在解决同一个问题上各自发展，缺乏足够的资源而导致相同的失败结果。另外，沿不同途径的SCA 发展可能会造成最后体系结构的不兼容，从而导致规模效应的减小，开发费用的增加。无线电创新论坛（WINNF）提出了世界范围内的SCA 标准协作模型，为不同SCA 标准组织的协调提供一个途径。而主要的SCA 标准开发的JTRS项目和ESSOR 项目都原则上同意了该意见。从两个项目的发展来看，未来的SCA 标准朝着达成世界范围内一致的标准，并重点从波形在不同SDR 平台间移植的代价最少的体系结构改进的方向努力。SCA 标准的发展趋势［4］如图5所示。

图5 SCA 标 准的 发 展 趋势

5 结语

随着元器件性能的不断提升，相关规范的完善，开发经验的积累等，软件无线电越来越受到重视，相关的研究和产品也越来越多。软件通信体系结构作为软件无线电的“操作系统”，为波形开发者提供底层抽象和标准的应用编程接口，使其不再或较少的关注平台，从而获得一系列好处。因此体系结构的优劣决定了整个SDR 系统的稳定，并极大的影响了系统性能的高低。本文介绍了SCA的起源、现状及未来发展，随着新技术的加入，相关标准仍然不断完善，因此关注SCA 标准的发展对软件无线电的研究有现实意义。

［1］Donald R.Stephens，Brian Salisbury，Kevin Richardson.JTRS体系结构 和 标 准［C］／／IEEE 军 事 通 信2006 会 议，2006：3481－3485.

［2］Christian SERRA，ELEKTROBIT，INDRA Sistemas，RADMOR S.A，ESSOR 体系结构－动机和展望［C］／／无线创新论坛技术2010会议，2010.

［3］国际战术无线电市场SDR 技术白皮书［EB／OL］.无线创新论坛［2011－9］.

［4］国际SCA 标准协调模型［EB／OL］.无线创新论坛［2011－6］

［5］Vince Kovarik，"SCA 4.0webcast16"，－PrismTech Ltd，May 2012.（PrismTech Ltd.SCA 4.0网络直播.［2012－5］）.

［6］A.Ahtiainen，H.Berg，U.软件无线电体系结构［C］／／SDR技术进展及产品展览07年会议，2007

［7］JTRS JPEO.软件通信体系结构规范4.0版［S］.2012，4.

［8］JTRS JPEO.软件通信体系结构规范2.2.2版［S］.2006，5.

［9］阎毅，贺鹏飞.软件无线电与认知无线电概论［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［10］杨小牛，楼才义.软件无线电技术与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.