基于SCA的软件无线电台配置管理设计*

吴 非，廖文瑜，牛吉凌

(中国电子科技网络信息安全有限公司第三十研究所,四川 成都 610041)

基于SCA的软件无线电台配置管理设计*

吴 非，廖文瑜，牛吉凌

(中国电子科技网络信息安全有限公司第三十研究所,四川 成都 610041)

SCA软件通信体系架构为软件无线电系统实现提供了有效途径，能够促进软件无线电系统快速发展，更好地适应通用性、开放性和移植性需求，其中SCA4.0架构更是提供了灵活实现软件无线电系统的方案。本文在现有研究基础上，结合SCA4.0架构软件平台，设计了一种能有效管理SCA软件无线电台的软件框架，可支持使用人机和网管接口对多型电台设备实现配置管理。软件框架基于低耦合度和模块化设计，便于部署和移植，能为软件无线电台产品设计和开发提供支撑。

软件通信体系架构；软件定义无线电；核心框架；配置管理

0 引 言

软件通信体系结构（Software Communication Architecture，SCA）[1]是由美国联合战术无线电系统（JTRS）研究制订的软件通信架构标准。基于软件无线电[2]的设计思想，人们提出了一套全新的软件无线电系统框架。该系统框架具有高度的灵活性和开放性，可以有效提高通信系统的通用性和互操作性，减少开发和升级成本，目前已在军事通信领域广泛应用。

从JTRS提出SCA标准至今，经历了超过10年的发展与应用。SCA标准在实践与应用过程中不断完善，特别是在2001年推出SCA2.2版本后，美军陆续开发出AN/PRC-148 JTRS增强型、AN/PRC-152(C)、支持多频段的AN/PRC-117(G)、支持多通道的AN/PRC-155等多款电台，在实践中完成体系结构验证，实现了波形动态加载管理功能[3]。2012年2月发布的SCA4.0[4]规范对现有标准进行了修订，允许通过核心框架功能裁剪和配置适合不同规模平台满足应用需求[5]，使其可以更灵活地实现平台功能。

目前，国内外对SCA软件无线电系统的研究还尚未对软件无线电台的配置管理进行专门研究，缺乏灵活有效的管理机制，对电台内各软硬件资源的管理主要依赖于各厂商提供的管理工具，管理方式复杂，效率较低。针对上述问题，本文参照JTRS电台设计思想，结合最新的SCA4.0核心框架，设计了一种针对SCA软件无线电台的配置管理框架，以满足不同架构下电台配置管理的需求。

1 SCA软件无线电台架构

SCA软件无线电台希望能够在通用化硬件平台上支持多种通信方式，具备更宽频率范围覆盖，在战术无线通信环境下提供移动自组网功能，为用户提供话音、数据、高速视频等多种业务。

SCA软件无线电台配置管理功能需要依托电台设备的硬件及软件体系结构，对电台通用参数和波形具体参数进行统一管理。本章将简要介绍SCA软件无线电台硬件和软件架构。

1.1 电台通用硬件架构

为适应单信道、双信道、多信道以及背负式、车载式等多种不同形态设备的开发需求，SCA软件无线电台使用图1所示的硬件架构。

图1 电台通用硬件架构示意

如图1所示，电台使用一个GPP实现主控功能，对外提供电台管理接口、业务接入接口和外设设备接口。通用收发单元实现电台无线信道传输功能，由基带GPP、基带DSP、基带FPGA和射频FPGA共同组成，可根据设备形态配接最多4个通用收发单元实现多信道支持和宽频段覆盖。主控与通用收发单元之间使用千兆以太网总线连接。

1.2 电台软件体系结构

SCA软件无线电台的体系结构设计参照美军JTRS系列电台的体系结构，并在原有SCA2.2系列版本基础上引入SCA4.0版本设计思想，通过对核心框架功能模块的裁剪适应不同应用需求。

电台软件体系架构主要分为电台操作环境（Operation Environment，OE）和波形部分。由于SCA2.2.2[6]标准已经将安全架构从体系中剥离，因此从实际应用出发，可用图2表示SCA软件无线电台的软件体系架构。

图2 电台软件体系结构示意

电台操作环境中，GPP处理器之间和内部的通信使用CORBA中间件提供，GPP与处理单元之间通信使用MHAL实现[7]。

波形实现独立于平台部分，其设计与实现基于SCA规范，具有良好的开放性。GPP侧波形组件主要实现网络层功能，DSP、FPGA侧波形组件实现物理层和数据链路层功能，由核心框架提供波形加载切换控制。

电台软件架构采用SCA的轻量级核心框架，与功能相关的软件实现采用SCA组件化设计，与硬件相关的软件部分设计为设备组件，与应用相关的软件部分设计为资源组件。

2 软件无线电台配置管理设计

为满足应用需要，软件无线电台支持两种模式的配置管理入口：使用前面板人机界面和网管软件。前面板主要提供电台中各操作界面显示和操作实体；SNMP网管提供位于PC端的用户操作界面，使用标准的SNMP协议实现对电台内各配置项的查询、设置功能，并对电台状态进行监控。

配置管理参数按类型可分为平台参数（电台通用参数）和波形参数两种。电台通用参数是电台中常用的参数部分，与波形参数和具体波形无关，常用电台参数如音量设置、传输功率设置、静噪设置等。波形参数与具体波形相关，与电台平台无关。各波形中，定义和使用的参数在种类和数量上有较大差别。

从电台软件体系结构出发，结合实际SCA软件无线电台的硬件架构和配置管理的需求，本文设计了一种对电台实现配置管理的软件框架。该软件框架将对电台通用参数进行集中式管理，对波形参数则根据具体波形类型和加载情况进行动态管理。

2.1 电台配置管理框架

电台配置管理框架如图3所示。电台配置管理软件主要部署在主控GPP上。配置管理模块是SCA软件无线电台控制管理的核心模块，负责对电台内部各硬件、软件的管理功能，对外支持人机、SNMP等多种管理接口。

图3 电台配置管理框架

如图3所示，电台配置管理模块主要由人机、SNMP代理、消息分发、平台管理、电台参数管理、波形参数管理模块和嵌入式轻量级数据库共同组成。

平台管理、电台参数管理和波形参数管理模块共同构成管理支撑模块，对上为人机和SNMP代理提供实现具体配置管理功能的接口。管理支撑模块通过由核心框架提供的管理接口，实现对电台设备组件、功能组件和资源组件的配置和管理。

2.2 管理消息机制

为降低配置管理模块各模块间的耦合度，便于模块灵活部署和满足移植需求，配置管理模块使用管理消息作为模块间交互机制。

管理消息构成及功能定义描述如下：

（1）消息类型：用于指示管理消息类型；

（2）消息长度：指示本条管理消息长度，包括消息头和数据部分；

（3）消息ID：由消息分发模块维护一个消息ID生成器，使系统中某一时段的各类消息拥有一个唯一的ID标识；

（4）通道号：对各通道参数设置通道号标识，特殊的，对电台通用参数管理时，通道号标识为0；

（5）操作类型：涵盖系统中各种操作动作，包括设置、查询、清除、响应、上报等类型；

（6）校验和：提供消息内容校验判断；

（7）对象ID：由类ID字段和参数ID字段共同构成，用于唯一指示配置参数类型，对电台中所有参数按类型划分大类，各大类使用唯一类ID标识，各大类中的具体参数使用唯一参数ID标识；

（8）数据部分：用于携带具体配置管理信息。

管理消息由人机模块、SNMP代理产生，完成请求消息内容填充后，使用消息分发模块提供的通用接口下发消息。

消息分发模块对消息汇聚后，根据消息对象ID，将消息送给不同管理支撑模块进行分类处理。管理支撑模块调用核心框架提供的配置管理接口，下发管理请求消息。不同对象ID的消息使用核心框架的接口不同，后续介绍各管理支撑模块时将进行相应说明。

对设置、查询操作类型的请求消息，送达目的端完成处理后将产生应答消息。通过消息分发模块维护一个消息响应链表，收到请求消息时将其加入链表；收到应答时使用消息ID为索引查找链表，对请求进行响应，生成对应的响应消息，避免出现应答请求不匹配的情况。

2.3 参数自动保存机制

嵌入式数据库提供统一接口，实现对电台参数、各波形参数的存取。数据库读操作发生在电台上电和波形加载时刻，分别读取电台参数和各波形参数。

配置管理模块中，使用定时器机制来实现参数自动保存功能，参数自动保存机制如图4描述。

实际应用中，只需在电台参数管理和波形参数管理各处理函数中，将参数修改标识位置位，然后由后台定时器任务将参数保存到数据库。

参数自动保存提供了一种有效便捷的保存参数机制，通过合理设置定时器周期，可以避免频繁地进行数据库写操作，从而减少系统调用开销。

2.4 人机模块

人机模块以页面作为基本操作和功能实现单元。每个页面根据其属性支持相应操作，并对特定按键进行响应处理。

图4 参数自动保存流程

页面属性决定当前操作的参数对象ID、通道号，对特定按键的解析能够获取操作类型，由人机界面产生管理消息开始配置管理。

人机模块根据页面当前状态刷新显示页面，获取响应信息后完成结果显示。

2.5 SNMP代理模块

SNMP代理模块对来自网管界面的协议数据解析，在对应的页节点访问函数中添加基于管理消息机制的处理流程。

SNMP代理模块开发流程为：

（1）首先完成管理信息库（MIB）的拟定，确定配置项、对象标识符（OID）、参数类型和参数范围；

（2）使用MibComp工具生成代码框架；

（3）通过定制MIB访问例程添加自定义函数，在代码框架中将SNMP协议配置内容转为管理消息格式，使用管理消息机制完成配置、查询功能。

SNMP代理模块还维护一个接收处理任务，对接收到的上报消息进行处理，对MIB库中定义为上报类型的消息，封装成Trap类型消息送给网管。

2.6 平台管理模块

电台平台管理可向人机和网管提供当前可支持的波形和已安装波形信息，接收处理波形加载、切换命令，对电台各通道波形进行安装、加载和卸载操作。

平台管理模块接收处理管理请求消息，使用核心框架提供的组件接口完成操作：

（1）通过遍历核心框架域管理器（Domain Manager）中的应用工厂（Application Factory）列表，获取可支持波形列表；

（2）使用应用工厂提供的create接口实现创建波形操作，波形创建时产生一个应用（Application）接口对象；

（3）使用应用接口提供的Release Object接口，实现波形卸载操作。

对位于DSP、FPGA侧的波形组件，其加载卸载操作通过加载不同的DSP、FPGA镜像实现。

2.7 电台参数管理模块

电台参数管理模块提供对电台硬件相关的通用参数进行统一管理。主要实现以下功能：

（1）上电启动时，从数据库中读取电台参数，对相应模块进行初始化设置；

（2）接收处理来自人机和SNMP代理的配置命令，调整配置项状态；

（3）对电量、时间信息进行采集，上报给人机模块显示；

（4）实现各类硬件告警、异常信息上报。

对已抽象为设备（Device）的配置管理，使用设备管理器（Device Manager）提供的configure接口实现配置；其余非设备类配置管理则通过调用硬件驱动函数实现。

2.8 波形参数管理模块

波形参数管理模块提供对各通道各波形参数管理的统一框架。上电时，根据加载波形读取数据库中对应波形参数，初始化配置波形组件。

因各波形的组件部署情况、参数种类和配置项有较大差异，与各波形相关的部分使用动态库实现。需注意，使用时要根据需要链接加载。

按照SCA中波形可动态加载和切换的要求，波形参数管理模块中各波形相关部分在创建波形时由平台管理完成加载，波形切换时进行卸载。

波形参数配置使用核心框架应用（Application）接口对波形组件进行管理和控制。为适应多信道电台的管理需要，核心框架实现中将加入通道属性作为选择应用实例的条件。

3 结 语

本文提出了一种适应SCA软无体系架构能够支持多形态电台设备配置管理的软件框架。在实际应用过程中，可通过前面板和网管界面实现对SCA软件无线电台参数进行方便灵活地管理，波形安装切换等操作，满足用户的使用需要。配置管理软件模块间使用管理消息机制通信，降低了模块间耦合度，能够根据需要进行快速部署和移植。后续将对SCA4.0架构与配置管理框架的结合进行进一步优化和改进，以提高电台的可操作性和用户使用体验。

[1] JTRS JPO.SCA Specification Version 2.2(2001-11-17),Software Communication Architecture[S].USA:JTRS JPO,2001.

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

[3] 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(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.

[4] JTRS JPEO.SCA Specification Version 4.0(2012-02-28),Software Communication Architecture[S].USA:JTRS JPEO,2012.

[5] 蔡卓,张小琼.SCA4.0规范概述[J].通信技术,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] 张海燕,丛键.一种新型SCA电台的分析与设计[J].通信技术,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.

吴 非（1982—），男，硕士，工程师，主要研究方向为软件无线电及通信技术；

廖文瑜（1986—），男，硕士，工程师，主要研究方向为软件无线电及通信技术；

牛吉凌（1984—），男，硕士，工程师，主要研究方向为电路与系统及射频微波。

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