基于软件无线电的舰船通信系统架构研究*

余　智　王　玲　汪慧君

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所　武汉　430074)

基于软件无线电的舰船通信系统架构研究*

余智王玲汪慧君

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所武汉430074)

摘要传统通信系统由各种功能单一的电台组成,电台之间相互独立、频段互异、调制类型各不相同,导致电台之间的互通性很差,系统结构庞大,升级换代复杂。论文提出了一种基于软件无线电的舰船通信系统,由一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台和各种可以加卸载的软件构成,实现了多频段、多模式通信,改变了目前通信系统设备集成式结构,大大减少系统的体积、简化系统的控制与管理,提高系统的自动化、现代化,并能与目前的各种独立电台进行无缝连接,具有良好的兼容性。

关键词软件无线电; 通信系统

Class NumberTM933

1引言

新时期发展需求对舰船通信系统多模式、多频段、多通道的对外无线通信能力提出了更高的要求。传统通信系统,一套信道设备只能执行一个通道的特定频段、特定模式的通信任务,以设备集成为特点的系统只能依靠增加通信设备的做法,以扩大通信容量。多模式、多频段、多通道的多任务需求意味着信道设备配置数量的线性增加,必须寻求新的通信体系结构以适应通信系统小型化、综合化、一体化的发展需求。

基于软件无线电(SDR)的新一代通信系统通过共享通用的硬件组件,利用软件的可移植性、可重用性,实现系统的可伸缩性与互连互通性,具备软件可编程的的通信能力[1],支持新功能/新技术的再嵌入与低成本升级,满足未来舰船通信发展需求。

2传统通信系统体系结构

在适应新通信需求发展时,现有以设备集成方式为主的通信技术体制存在如下困难:

1) 装备以硬件为核心、功能单一,每种通信设备是为特定用途而设计,通信能力的增加意味着通信设备的线性增长,使得系统硬件配置日益庞大、控制管理渐趋复杂,给本已狭小的舰船空间布置带来了极大压力,不堪负重;

2) 设备及天线布置难度增大、电磁兼容问题愈发突出,限制了通信系统新装备和新能力的发挥;

3) 装备型号种类繁多、电台间互连互通性差;升级换代成本居高不下,通信能力扩展困难。

传统通信系统组成如图1所示[2]。

图1　传统通信系统组成

以硬件为核心设计的传统技术体制已形成瓶颈式的发展,难以与满足新发展需求,必须寻求新体系结构,解决通信系统及设备小型化、综合化的难题。

3新一代舰船通信系统体系结构

3.1系统架构

软件无线电是二十世纪九十年代初期提出的一种全新概念的无线电技术。其概念一经提出,很快就得到了广泛的应用。软件无线电技术以一个通用、标准和模块化的硬件平台为依托,通过软件来实现无线电设备的各种功能,通过共享通用的、可互换的软件与硬件组件,实现系统的可伸缩性与互连互通性,软件无线电技术是实现系统集成与优化设计的重要技术手段。

基于软件无线电的舰船通信系统具备多频段/多模式/多通道的通信能力,人机界面(HMI)支持灵活的、可视化的配置与管理,能按需分配带宽并支持话音、数据与视频传输,支持新功能/新技术的再嵌入与低成本升级。系统总体架构如图2所示。

新一代舰船通信系统的集成化和软件化设计主要体现在三个层面:

1) 天线集成化设计

舰船上层建筑十分拥挤,电子系统中的各类天线,不但占用了上层建筑的大量空间,还带来复杂的电磁兼容问题。新系统一体化设计尽可能地共享天线,减少艇上天线数量,同时采用天线共形设计,优化整体外形,减少RCS,改善电磁兼容性。由于天线综合设计难度较大,可行目标是通过集成天线设计,对各类天线进行整合,把天线集成到一起或精简为几组,最大限度地压缩天线数量。

图2　基于软件无线电的通信系统总体架构

2) 信道设备一体化设计

信道设备一体化主要借助软件无线电技术,使软件设计尽可能地靠近射频前端,最大程度地体现射频综合一体化以及信道设备软无化设计思路。

射频综合一体化设计主要通过多通道模拟射频集成系统,实现多通道模拟下变频器、多通道模拟上变频器、功率库和天线交换分配矩阵功能。多功能综合集成系统可以根据目前的技术水平,将主要的频段划分为多个频段,在各自的频段上进行射频综合,如将2MHz～18GHz划分为2～400M、0.4～2G和2～18G几段[3]。多功能模拟射频集成系统具有开放式结构,采用统一的中频接口。

中频之后信道设备采用软无化设计,主要是采用一种模块化的通用、灵活的信号处理平台,通过软件的方式实现无线电功能,在系统资源管理的调配下,在任意时刻根据需要下载相应的通信应用模块,实现不同体制、不同功能应用波形,实现多通道多制式多功能的可重构软件化信道机,并能同时通过加载软件算法或是升级软件就实现业务功能的升级与扩展[4]。

3) 资源管理与调配一体化

资源管理与调配中心实现对整个系统的流程控制、参数设置,并在人机界面(HMI)上支持灵活的、可视化的配置与管理。通信软件功能模块在系统软件、功能队列管理和一个图形化功能用户接口管理下有序工作,实现统一资源管理与调配,规划系统的资源管理流程,减少人工干预环节,提高通信管理效率。

基于软件无线电的新系统中,由于天线集成化、射频综合化、信道设备软件无线电化三方面设计,硬件资源大部分实现共用,各部分功能大都由软件实现。整个系统可以在共享通用的硬件平台下,通过可互换的通信软件,实现通信功能。

3.2系统特点

基于软件无线电技术实现的新一代综合通信系统,与传统系统相比,新系统具有以下优点:

1) 系统模块化:采用这种新型体系结构的通信系统,可用软件来定义并实现系统功能,通过裁剪模块配置不同需求的通信系统,保证了系统配置的灵活性与可管理性;

2) 可用标准硬件模块结构来实现多通道、多模式、多任务通信,满足了系统对多种通信能力的综合集成的要求,同时有利于系统的小型化和一体化;

3) 自身体系结构的开放性,保证了系统与现役通信装备互连互通能力,且方便了新波形的嵌入,能够覆盖各种通信频段,全面兼容现役各种波形体制和信号制式,并具有良好可扩展性。

4) 业务智能化,用户使用智能快捷;

5) 系统统一指挥、统一组织管理,分时分频分域使用,改善了系统电磁兼容性能。

4系统技术方案

系统技术方案具体分资源调度管理体系、硬件体系、软件体系、安全体系四部分进行设计。

4.1系统资源控制管理分层体系结构

软件无线电的系统遵从统一的硬、软件架构,通过配置软件即可重置系统功能,为系统提供了良好的开放性和灵活性,系统结构也大为简化,但却给系统的控制与管理工作带来了巨大挑战。与传统通信系统控制不同,系统中综合控制除了常规管理外,更重要的是要能根据不同的任务对系统中的资源进行重配置、管理和控制。新体系采用面向对象的方法和基于任务管理的策略,运用统一的控制管理体系,系统资源控制管理分层体系结构如图3所示。

如图2所示,系统管理体系结构可分为四层,分别为基于任务的管理策略层、服务层、业务组件层和硬件资源层[5]。其中基于任务的管理策略层采用基于任务的管理策略,主要负责对通信任务进行分析和拆解,将一个工作任务分解为若干业务组件的功能组合。服务层基于组件技术为上层提供各种业务组件的管理功能,并同时为同一任务的业务组件间提供通信服务。业务组件层将业务进行面向对象化的封装供功能层调用,对上层屏蔽具体的硬件细节。硬件资源层主要对系统中所有硬件资源提供驱动支持,并将硬件资源映射为运算资源进行对象化管理。

图3　系统控制管理体系结构图

采用面向对象的管理方法和基于任务的管理策略能够使模块化通信系统的灵活性得以充分发挥,满足了系统按所需快速变化的要求。根据不同的使用需求,在系统资源的管理调度下,在共用的设计平台上,通过加载不同的软件,实现波形产生、信道重构处理,满足不同通信功能的任务需求。

4.2基于软件无线电的硬件体系架构

基于软件无线电的新一代通信系统,其“软无”化不仅表现在信道系统,而且还表现在终端设备,甚至表现在全系统的体系结构上。系统及其各类设备均应尽可能采用标准、统一的硬件和软件结构,实现高度的模块化、系列化、组合化。

基于软件无线电的硬件体系设计功能组成如图4所示。其逻辑上分信号处理段、信息安全段和消息处理段三部分,由五大功能模块组成,分别是射频前端、波形处理模块、信息安全模块、消息处理模块、多功能接口模块,每一部分执行的功能均可通过改变软件而具有再次可编程的能力[6]。系统可配有多个通道,各通道根据系统的资源调度和分配要求在不同体制、频段下工作。

宽带射频前端在一定频带范围内实现对射频信号和中频信号的转换工作。

波形处理是通信的核心部分,负责对宽带射频前端送出的中频信号进行采样,并使用多速率(变速率)处理技术对采样后的数字信号进行处理,完成适当倍数的插值与抽取(采样速率转换)、信号滤波、符号速率匹配、调制解调、纠错编解码等工作。波形处理部分要求具有可编程能力和灵活调用处理算法的能力,一般采用通用高速数字信号处理器配合大规模可编程逻辑器件(FPGA)来构成其主要硬件框架[7]。

信息安全段主要完成信息的加解密工作,同时还实现“黑区”和“红区”的物理隔离。

消息处理模块作为SAC体系结构中的核心硬件组件,负责设备管理、域管理、波形加载、协议处理和输入输出控制等通信任务和管理任务的处理工作。

多功能接口模块承担多种类型的接口转换任务和网络控制任务,具有可编程能力,可以适配各种已经装备的网络接口或总线接口。

4.3基于软件无线电的开放式软件架构及波形组件

基于软件无线电的系统的核心思想是可配置和模块化,如何在标准硬件平台上组织和构建系统软件,以实现多通道、多模式、多任务、可配置的能力是软件无线电体系研究的重要内容。

本系统采用基于SCA标准的软件组件结构来定义一个标准的、开放的、可互操作性的软件平台,通过该平台,可以实现底层硬件与上层应用软件相隔离,软件总体架构如图5所示。

图4　软件无线电硬件体系结构图

图5　软件总体构架

该软件体系结构由操作环境(Operating Environment,OE)和应用组件(Applications)组成。OE包括核心框架(Core Framework,CF)、CORBA中间件、嵌入式实时操作系统以及网络接口层和板级支持包等[6],构成了通用软件平台,是软件体系结构的核心内容。所有应用采用组件设计形式,组件间通信由CORBA提供的逻辑“软件总线”来完成,根据特定的功能,定制符合用户需求的通信波形(Waveform),不同的波形在平台上可以实现动态地加卸载。

使用中间件技术可为系统提供一个分布式的环境,保障软件的可移植、可重用性和可扩展性。系统采用CORBA作为中间件技术,CORBA也可以理解为一种“软总线”技术,它实际上是指为多个、多种类型的软件模块服务的一组虚拟的数据信息传输线[8]。这组虚拟的数据信息传输线是软件,是一组通用的标准集成软件模块的接口界面,它是各软件模块之间进行数据传输与联系的虚拟公共通道和接口界面。它起到类似于计算机系统硬件总线的作用,只要将应用模块按总线规范生成软插件,插入总线即可运行。

实时嵌入式操作系统可以为应用程序(包括CF)提供多进程、多线程的支持[9],它可以屏蔽不同硬件平台间的差异,为上层软件提供标准的硬件访问接口和其它的基本操作系统服务,使得上层应用软件具有设备无关性。

4.4基于软件无线电架构的安全体系结构

作为舰船通信系统,信息的安全性是不可忽略的。为了保证用户信息在发送、处理、存储过程中的机密性和完整性,能够对不同安全等级要求的信息进行传输和接收,确保不同的无线通信系统能够互连、互通和互操作,必须形成安全体系结构。

系统安全需求包括:加解密机制、信息完整性、认证和授权、接入控制、审计、密钥和认证管理、安全策略实施和管理、配置管理、内存管理、安装机制标准化、频谱管理、算法管理、时间管理、安全传输机制、策略管理、安全管理中心。根据安全需求设计了如下图6基于组件的安全体系结构。安全架构作为通用无线电架构的一部分,通过组件的配合,可形成一个与原有面向对象的软件无线电结合较为紧密,安全与通信架构融合为一体的通用软件无线电安全架构。为了统一安全管理,定义了安全管理中心组件SMC(Security Management Center),其作用是管理所有的安全组件。这样可以统一安全组件的管理,避免出现安全管理组件本身的混乱。安全管理中心作为一个资源(Resource)受上层管理,并且所有的安全组件都从资源接口继承。

图6　基于组件的通用软件无线电安全架构

在安全体系结构中,整个系统的安全功能不只是由一个边界分明的安全模块来单独完成,而由通信保密模块、黑边处理器和红边处理器共同来完成。无线通信系统的红边和黑边必须相互隔离,不能直接进行信息交换,红边和黑边所有的信息交换必须通过通信保密模块进行控制和管理[10]。

5结语

近年来兴起的软件无线电技术极大地改变了舰船通信系统的体系结构和设计概念,研究新一代基于软件无线电的通信系统,改变以往系统基于专用设备集成的“烟囱式”结构,由一个标准化、模块化的通用硬件平台和各种可以加卸载的软件构成,实现多频段、多模式的通信,解决系统集成的综合化、模块化和通用化问题[11],既能兼容传统的通信手段,又能保证系统按任务所需快速变化的能力和满足其便于扩展新功能的要求,提高了系统的自动化、现代化能力。

参 考 文 献

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Architecture Research on the Ship Communication System Based on Software Radio

YU ZhiWANG LingWANG Huijun

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan430074)

AbstractTraditional communication system is composed of different radios with single function, which have different frequencies and modulation types. It leads to poor communication between the radios, great system structure, upgrading complex. This paper proposes a ship communication system based on software radio. It is structured by a general hardware platform which is open and standardized modular, and by various software which can add uninstall. It can realize multiband multimodal communication. This will simplify the control management system, improve the automation and modernization of communication system. It can also give seamless linking and good compatibility with the various radio.

Key Wordssoftware radio, communication system

*收稿日期:2015年12月3日,修回日期:2016年1月28日

作者简介:余智,女,高级工程师,研究方向:通信系统。王玲,女,高级工程师,研究方向:通信系统。汪慧君,女,工程师,研究方向:通信系统。

中图分类号TM933

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.003