基于软件无线电战术电台软件体系结构设计研究

文/余秀美 银壮辰

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，自上个世纪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（简称SCA），包括设备的软、硬件体系架结构、安全及波形接口规范，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。本文将结合战术电台的基本功能特点，开展基于软件无线电的战术电台系统软件体系结构设计研究。

2 战术电台的基本功能特征分析

战术电台除了支持多波形、多频段、多信道、宽带、抗干扰等无线通信相关功能之外；还需要进一步适应未来网络化、业务综合化、多任务、功能软件定义化、小型化等方面的需要；对于设备的易操作性、可扩展性、易升级性、可靠性及维护性等用户体验相关要求也更高。相关设备不仅需要提供多种通信手段，也需要提供多种组网、媒体以及通信服务。系统功能如图1所示。

（1）无线通信：提供战斗网络、自组网、TDMA、短波、超短波等多种波形、多频段、多信道、多种装备形态、宽带、抗干扰等相关功能；

（2）组网服务：提供RAP、互连互通、转发、路由、多数据链网络接入等组网服务；

（3）媒体服务：提供话音、图像、视频、流媒体等媒体格式转换；

（4）安全保密：包含传输安全，如物理层加解密；信息安全，如访问控制、鉴权、认证、文件加密等；

（5）系统管理与控制：包括人机交互代理、网管代理、电台管理、电台控制、系统自检、系统日志服务等；

（6）信息服务：多源数据融合等

（7）通信服务：无线性能增强，报文压缩，区分服务（话音、话音、图像、视频、报文、文件、电子邮件、即时通信）等；

（8）数据服务：数据分发处理等。

3 系统软件体系结构设计研究

基于软件无线电的战术电台需采用开放体系架构，将模块化的硬件单元通过标准接口构成通用的硬件平台，用宽带接收机代替窄带接收机，将宽带A/D、D/A变换器尽量靠近天线，通过加载波形软件实现无线通信功能的通信系统。本文从软件无线电战术电台系统软件组成结构、软件架构两个方面展开系统软件体系结构设计说明。

3.1 系统的软件功能组成结构设计

基于图1所示的战术电台的系统功能，下一代战术电台的系统软件组成结构如图2所示。

如图2的系统软件组成，除了系统操作环境之外，其它安全保密、业务、管理控制的相关模块功能都已在系统功能中进行相关描述，不再赘述。而系统操作环境主要由操作系统、传输机制、核心框架、各类接口驱动、网络协议栈、平台设备及平台服务组成，为系统的其它功能模块提供统一的运行支持环境。

（1）实时操作系统为系统提供多进程、多线程支持，为了提高系统的上层软件的可移植性，需要遵循POSIX标准，并且对于波形应用使用的接口，需要约束到更小的子集；

（2）接口驱动、网络协议栈：提供设备的各种接口驱动，底层网络协议栈等；

（3）传输机制：用于屏蔽底层传输链路的差异，为系统提供标准的客户/服务器操作，支持分布式环境下组件之间的统一通信。通常在GPP环境中使用CORBA中间件作为传输，而对于DSP、FPGA等资源受限的环境，通常使用硬件抽象层作为传输机制。

（4）核心框架：提供平台管理、波形管理、分布式文件系统等相关功能，具体接口要求遵循软件通信体系结构规范要求，其功能可根据具体设备需要，进行柔性组合；

（5）平台设备：平台设备用于访问系统硬件资源，遵循软件通信体系结构规范的基本设备接口，其中针对商业成熟的模块等，除了硬件平台预留相关的接口，软件上也采用逻辑设备对相关模块进行抽象封装；

（6）平台服务：被应用所公用的非硬件组件，就称作平台服务组件，软件通信体系结构规范不约束其接口。

图1：战术电台的系统功能

3.2 系统的软件架构设计

图2所示的系统软件可分为三层、四个子系统。三层包括基础操作层、传输层和服务层；四个子系统分别为控制与管理子系统、服务子系统和无线传输子系统。其中控制与管理子系统的管理控制将作用于系统服务子系统和无线传输系统；系统服务子系统除了直接承载设备的某些功能，同时也为无线传输子系统提供传输数据；而安全保密子系统负责系统的传输安全和信息安全的相关功能；人机交互接口将直接响应电台外部用户的操作，并将操作的具体职能经过统一处理后，作用于系统的其它部分。具体如图3所述。各部分系统之间的关联关系由以下章节进行描述。

3.2.1 系统操作环境

系统操作环境，为系统其它部分的软件提供运行环境，主要包括操作系统、核心框架、传输机制及平台设备平台服务。系统操作环境与其它部分的关联关系如图4所示。

3.2.2 人机交互接口

人机交互接口包括人机交互代理、网管代理、电台参数注入、秘钥参数注入，负责接收接收外界用户的控制命令或业务数据，并将该数据提交至数据分发模块或其他模块，另一方面接收数据分发模块或其他模块返回的结果，并将该结果传递给外界数据请求者。与其它子系统的关联结构如图5所示。

3.2.3 管理与控制子系统

管理与控制子系统，负责对整个设备的控制与管理，该子系统与其它部分的关联关系如图6所示。

该子系统需响应外部资源的连接作命令、控制和状态管理，具体包括本地的和远程的HMI以及网络管理等。外部控制操作不会直接作用于该子系统，而经过服务子系统的数据服务，将所有的控制命令进行统一的分发处理后，再根据具体功能作用于无线传输子系统或服务子系统。

系统操作环境为该子系统提供运行环境支持，相关的管理与控制模块可以根据需要确定是否使用核心框架、中间件、平台设备及平台服务的接口，如系统自检可以包含硬件自检和软件自检，其中硬件自检只需要基于硬件驱动，而不需要等待节点启动之后再进行。

一些管理控制功能需要经过安全保密措施，才能进行具体的控制操作，比如远程的波形加/卸载，需要经过访问控制、认证等安全处理后，才可以执行实际的波形控制模块的加/卸载功能。

图3：基于软件无线电的战术电台系统软件体系结构组成

图4：系统操作环境的系统关联结构

图5：人机交互接口的系统关联结构

3.2.4 无线传输子系统

无线传输子系统根据任务需要，加载合适的波形，完成业务数据的可靠传输。该子系统与其它部分的关联关系如图7所示。

系统操作环境为该子系统提供运行环境支持，包括操作系统、核心框架、传输机制、平台设备及平台服务支持。

控制与管理子系统负责控制相关波形加载、切换以及参数配置等相关的管理控制；

服务子系统为该子系统提供待传输的业务数据；

传输安全由安全保密子系统的传输加密负责保障。

3.2.5 服务子系统

服务子系统主要是提供各种标准化的功能服务，包括数据服务、组网服务、通信服务、信息服务及媒体服务。该子系统与其它部分的关联关系图8所示。

系统操作环境为该子系统提供运行环境支持，服务子系统主要使用操作系统的API。

外部人机交互的业务数据和控制数据都需要使用该子系统的数据服务进行统一处理，再与其它模块或子系统交互；

待传输的数据经过该子系统相关的服务处理后，如使用通信服务进行传输优化处理，再传递给无线传输子系统。

服务处理需要增加安全措施，需要使用安全保密相关模块进行安全处理之后，再返回到服务子系统进行处理；

控制与管理子系统根据外部操作命令，对服务子系统实施相关的控制管理。

图6：管理与控制子系统的系统关联结构

图7：无线传输子系统的系统关联结构

图8：服务子系统的系统关联结构

图9：安全保密子系统的系统关联结构

3.2.6 安全保密子系统

安全保密子系统是系统架构的一部分，为整个设备提供安全保密的功能。

管理与控制子系统提供的一些管理与控制操作需调用安全保密子系统提供的接口，如需调用安全保密子系统的权限查询接口，为当前用户提供相应权限的操作。

服务子系统一些服务需与安全保密子系统进行交互，如安全保密子系统解密后的信息需通过服务子系统的数据分发服务发送到指定模块中。

无线传输子系统需使用安全保密子系统提供的接口，如在进行状态信息存储前调用安全保密子系统的状态信息加密接口对其进行加密处理。

系统操作环境除了为安全保密子系统提供运行环境外，安全保密子系统还会对系统中的文件等进行加/解密操作。

安全保密子系统的系统关联结构如图9所示。

4 结语

本文结合战术电台的基本功能特点，开展了基于软件无线电的设备系统软件体系结构研究，提出了相关的参考设计框架。本文所提出的系统软件体系结构与以往基于软件无线电的系统软件体系结构相比，针对软件通信体系结构规范的内容主要体现为系统的操作环境，而系统其它功能单元则更多从设备的功能特征出发，因此更贴近设备需要，可作为软件无线电技术在具体设备应用的设计参考。

参考文献

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