关于软件无线电技术军事化应用思考*

余秀美　黄耕文

(广州海格通信集团股份有限公司　广州　510656)



关于软件无线电技术军事化应用思考*

余秀美黄耕文

(广州海格通信集团股份有限公司广州510656)

摘要随着软件无线电技术的逐渐成熟，尤其是美军JTRS计划研制的新型电台已陆续装备到部队，业内提出将软件无线电技术应用于下一代装备的呼声也日益高涨。自20世纪末就开始对军用软件无线电技术的跟踪和研究，并通过多种不同类型项目的研发，已突破和掌握了其中的关键技术，也制订出一系列的标准，并研制了多款样机，但若要将软件无线电技术应用于实际装备，还有一些工程问题亟需解决。论文针对软件无线电的设备系统顶层架构设计、波形应用软件的组件化设计以及设备工程化开发流程等问题进行了探讨，并提出相关的解决思路。

关键词软件无线电; 软件通信体系结构; 军事化应用

Class NumberTN92

1引言

软件无线电起源于军事领域对通信系统灵活性的特殊需要，自20世纪90年代就已经明确提出了完整的软件无线电概念和体系结构。软件无线电技术的核心思想是设计实现一个具有开放的、标准化的、模块化的通用硬件平台，将各种通信功能如调制解调方式、工作频段、信道接入方式、业务种类、通信协议、加密方式、可编程射频前端等用软件的方式来实现，通过加载不同的波形软件实现不同的通信需求及功能。为了达到该目标，美军推出了联合战术无线电系统(JTRS)计划。该计划以软件无线电和模块化为主要设计思想，通过制订系统顶层设计规范——软件通信体系结构规范[1～2](简称SCA)，包括设备的软、硬件体系架结构及波形接口规范，实现了战术无线通信装备中软件组件配置、管理、互联互通的标准化。目前SCA规范已经成为国际上军用无线通信的事实参考标准，各国都以该规范为基础，进行相关的研究与应用。我国从20世纪90年代就开始跟踪研究软件无线电技术，并通过一系列的项目研制已突破和掌握了其中的关键技术。但过去往往偏重于核心框架、中间件及波形应用等关键技术的突破，而要将软件无线电技术应用于实际装备，并获取软件无线电技术应用带来的设备的功能性能等方面的好处，不仅需要掌握关键技术，还需要进一步解决工程化应用所引入的问题，以下将针对这些问题进行逐一的探讨。

2关于软件无线电设备的系统顶层架构设计

SCA规范通过提炼各种无线通信系统的共同属性，采用面向对象的系统设计和分析方法对各部分的组成、层次划分以及互连方式进行了描述，从而使其涵盖了各种特定的应用领域。SCA是一套适用于软件可编程电台的法则、方法和设计标准，它独立于系统实现，促进了设备的软件和硬件的可移植性和可配置性。但对于具体应用，还需要考虑更多设备相关的要素，本文将针对设备的系统体系结构设计作探讨，并提出参考模型，并设想在舰载通信系统上应用的组成结构。

2.1软件无线电设备的系统体系结构参考模型

软件无线电的主要目的是实现通信功能软件化，且可以通过加载不同的波形软件实现不同的通信需求和功能。SCA规范的软件体系结构规范主要规定了操作系统的API、传输机制要求以及核心框架软件的接口以及功能要求，为软件无线电设备提供了节点、波形应用管理、配置以及组件间接口互联的通用结构。当前业内基于SCA规范研究，并开发相关的样机，其系统组成结构可基本参照SCA的软件体系结构规范的规定[2]，如图1所示，主要由通用硬件平台、软件平台(也称作操作环境)，构成基础平台，在此基础平台上可加载不同的波形应用。

图1　标准的SCA组成

但对于具体的无线电设备而言，图1所示的系统组成，还无法充分地体现具体设备系统所需要的软件，比如人机交互、系统应用等。为此JTRS的安全附录中[3]提出了如图2的设备系统软件功能层次图。

图2　设备体系结构功能层次

图2更完整地描述设备系统的软件组成，其中核心框架、系统应用、实时操作系统、中间件、BSP及设备驱动、硬件和总线结构组成了设备的基本平台；操作系统及中间件为系统应用、波形应用及核心框架提供服务；系统应用与核心框架、波形应用及人机界面有接口；波形应用还需要与核心框架交互；此外，下一代电台将成为无线网络节点的一部分，可能还需要相关的网络协议软件和安全软件等。

针对上述问题，并参照图2的设备系统功能层次，提出了如图3所示的软件无线电设备的系统软件组成的参考方案，其中，系统管理模块作为设备的管理核心模块，它接收显控单元和网管数据，用作系统控制管理三个管理代理，根据具体管理目标，分发控制与数据到硬件平台管理代理、软件平台管理代理及波形管理代理。

图3各个组成单元的详细描述如下:

•硬件平台的管理代理:主要是针对硬件板卡进行管理，如硬件加电自检、故障检测与报告等；

•软件平台的管理:经过核心框架的域管理接口，对软件平台各个节点的组件进行管理、控制、属性配置等；

•波形应用管理:同样通过核心框架的域管理器接口，实现波形应用的加载、卸载、启动、停止、属性配置、属性查询等。

另外，系统的业务数据，经过相应端口的逻辑设备，统一汇集到业务数据分发服务组件与具体波形应用组件进行交互，考虑到经网口传输的数据既有业务数据，也有对设备进行控制与管理的数据等，设计了网络数据分发处理模块，根据不同的数据类型和用途进行数据的分发和转发，如业务数据转发到业务数据分发服务模块，对于网管数据，则分发到网管代理模块，其它类型网络数据将根据实际需要进行相关的处理。

图3　软件无线电设备的系统软件参考组成

根据图3的系统软件组成，基于分层的体系结构模式，按照软件通信体系规范，可设计如图4所示的软件无线电设备的系统体系结构。

图4　软件无线电设备的系统体系结构的参考模型

由图4可知，对于一个完整软件无线电设备系统除了需要包含软件通信体系结构中所定义的软件单元，还需要一些更高层的系统管理、信息安全等方面的功能单元，这些功能单元并未标准化，需要根据实际设备特点进行相关的设计。

2.2基于软件无线电的舰载通信系统体系结构设想

根据资料显示[4]，外军已将软件无线电技术应用于舰船设备，构成了完全集成的通信系统，可以有效地解决舰载通信系统中各类电台繁多、功能单一、灵活性差等问题。本文将根据图4所提出的设备系统体系结构模型，设想基于软件无线电的舰载通信系统软件组成。

舰载无线通信系统一般需要支持短波、超短波、UHF/S卫星通信及GPS/北斗卫星导航定位等业务需求。在不考虑多信道的情况下，系统的硬件组成可以采用如图5所示的结构。

图5　舰载无线通信系统的硬件平台结构

图5中电源模块可为整个系统提供电源服务；系统控制模块用于部署设备系统管理软件，包括软硬件管理及波形应用管理；安全交换模块用于部署信息安全及网络交换相关的软件单元；信号处理模块主要部署不同的波形应用软件；信道模块用于提供设备射频控制相关的功能。针对舰载无线系统需要支持的业务较为复杂，需要能够动态切换波形应用，甚至需要硬件单元可即插即用。因此在软件通信体系结构上可以考虑部署SCA4.0规范[1,6]中所提到的全量级的功能单元配置，具体包括:平台组件注册/注销、设备管理器可释放、遵循全量级的应用环境配置(AEP)以及支持组件部署四项必选功能单元；支持CORBA、日志服务以及应用可安装三项可选功能单元。其中，平台组件注册/注销及设备管理器可释放为硬件平台可即插即用提供了支撑；而组件部署、应用可安装为动态切换波形提供了支持。另外，为了减少不必要的资源占用，裁剪了事件服务、嵌套波形应用、按通道部署波形等可选功能单元。具体软件部署如图6所示。

图中主要描述了系统主控、安全交换、信号处理模块的软件单元组成，各个处理器单元都参照了软件通信体系结构作软件部署，另外在主控模块部署与系统管理相关的软件单元，为整个系统提供管理和控制。而由于射频单元通常具有独立的发展路径[7]，针对软件无线电系统应用，一般需要考虑宽频段、射频可编程、射频可重构等方面的要求，对于舰载无线通信系统需要作射频单元综合一体化设计，因此本文不考虑信道模块的软件部署。

图6　基于软件无线电的舰载通信系统软件部署

3关于波形组件化设计

SCA规范中提出了参考网络协议的分层模型来进行波形应用软件的组件划分[8]，因此以往针对已有的波形进行移植时，通常就以此为原则进行波形组件划分，比如某个波形被划分如图7所示的组件结构。

图7　通用的波形应用组件划分

图7所示的组件划分显然颗粒度较粗，虽然体现了波形应用组件化设计的思想，但对于实际电台研制中，以这种方式进行组件设计，通常使得组件功能复杂，组件软件复用性差，且移植难度大，难以体现软件无线电所期望的方便升级、方便维护、方便新技术插入等方面的优点。而事实上，无线通信的处理过程，适合采用经典的管道滤波器设计模式，按照这一设计模式，根据波形软件处理的步骤进一步细分组件可能是一种更好的设计方案。例如图8中，由外军的某超短波窄带波形的物理层功能，进行组件化设计后，形成流水线式的五个物理层组件，当波形应用软件以这样的组件组成，可有效地简化局部单元的维护和技术升级，也很容易在不同的波形之间复用组件。

图8　某超短波窄带波形物理层组件划分

目前各国在软件无线电技术研究中，都较为重视波形组件化设计，根据欧盟ESSOR项目公开的资料显示[5]，该项目的高数据率波形(HDRWF)，在物理层组件划分上，采用中等粒度的波形组件划分策略，共划分了16个基本软件项(BSI)。

但组件的颗粒度也不能无限度的细化，因为随着组件粒度的细化、组件数量的增多，存储资源、运行资源占用开销、组件间通信的开销也会快速上升，因此划分组件的颗粒度需要根据系统的实际能力及需求作相应的平衡考虑。

4关于设备的工程化开发流程

关于软件无线电技术如何切入到设备的研发过程，国内还没有成熟的模式。美军的prismTech公司提出了一种通用的波形和电台设计流，如图9所示:波形与设备平台是可以并行的设计流，当波形应用、设备平台各自经过独立的测试验证之后，再进行系统集成验证，最后形成设备。

图9　波形与电台设计流程案例

图中可以清楚地看到，引入SCA仅仅影响了波形应用组件、平台组件的框架，而对于波形核心的算法的设计、硬件平台的设计并没有受到影响，因此，通过提供一些标准的组件框架，就可以有效地降低波形应用开发者以及平台开发者的技术门槛，使其专注于波形业务、设备平台本身的需求。

5结语

本文主要围绕软件无线电技术的军事化应用，尤其是该技术应用于下一代电台装备研制中可能存在并需要解决的重要工程技术问题进行探讨，并提出相关的解决思路，期望通过新技术应用以及研发方法的改进，软件无线电技术能够顺利地在下一代设备中得到应用。

参 考 文 献

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

[2] Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System, Software Communication Architecture Specification, Version2.2.1[S].2004.

[3] Joint Program Executive Office Joint Tactical Radio System, Security Supplement to the Software Communication Architecture Specification, MSRC-5000 SECV2.2.1[S].2004.

[4] 范慧丽，吴有力.基于软件无线电的舰船通信系统集成设计研究[J].舰船电子工程，2015(5):65-68.

[5] ESSOR Programme European.Secure Software defined Radio[C]// WINNF Conference，2013.

[6] 刘文斌，廖文瑜，彭麟，等.电台软件架构发展及其向SCA4_0演进的途径分析[J].通信技术，2014，47(4):396-400.

[7] 彭麟，张明民，刘文斌，等.SCA车载电台系统设计[J].通信技术,2014，47(8):959-962.

[8] 孙佩刚，赵海，张文波，等.基于软件通信体系结构的波形实现及其研究[J].计算机工 程,2006，32(17):170-174.

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

作者简介：余秀美，女，工程师，研究方向：软件无线电应用技术。黄耕文，男，博士，高级工程师，研究方向：军用无线通信系统应用技术。

中图分类号TN92

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.005