楊 建,任香凝,牛桂兵

(1.二炮司令部,北京100085;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

近年來,戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)作為各國(guó)軍隊(duì)旅級(jí)及以下梯隊(duì)乃至單兵的主要通信裝備,獲得了高度重視并處在迅猛發(fā)展之中。適應(yīng)21世紀(jì)信息化部隊(duì)對(duì)通信容量、組網(wǎng)能力、互通性等的更高要求,針對(duì)電臺(tái)設(shè)備的規(guī)范化、小型化、擴(kuò)展頻段、減少品種和數(shù)量等亟待解決的問題,基于通用硬件平臺(tái)及軟件無線電技術(shù)運(yùn)行多波形,實(shí)現(xiàn)多頻段多模式多用途的新型戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)已成為主流發(fā)展趨勢(shì)。

1 多波形技術(shù)分析

美國(guó)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)計(jì)劃的聯(lián)合計(jì)劃執(zhí)行辦公室(JPEO)將“波形”定義為“從用戶輸入到電臺(tái)頻率輸出發(fā)生的一整套電臺(tái)和/或通信功能”。將其理解為從信息發(fā)送到接收包括協(xié)議在內(nèi)的全部處理過程。多波形戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)旨在開發(fā)一種多頻段、多功能、多模式、可編程/可重新配置的無線電臺(tái),其軟件可以加載/卸載,硬件可以即插即用,可根據(jù)用戶需要和可供通信的信道條件,通過靈活的配置選擇運(yùn)行不同波形,滿足各種信息傳輸需求,其最終實(shí)現(xiàn)方式將是基于軟件通信體系架構(gòu)(SCA)的軟件定義電臺(tái)(SDR)。

美國(guó)JTRS是當(dāng)前國(guó)際上基于SCA開發(fā)多波形、多外形因子SDR系列的典型代表。美國(guó)國(guó)防部于1997年開始實(shí)施的JTRS計(jì)劃,從根本上是要采用無線電波形技術(shù)開發(fā)一種開放結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系列,用其將戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)連接到全球信息柵格(GIG)和衛(wèi)星通信系統(tǒng),將大容量數(shù)據(jù)鏈路擴(kuò)展到直接與敵方部隊(duì)接觸的較小戰(zhàn)術(shù)編隊(duì)的作戰(zhàn)人員,使JTRS成為可在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行移動(dòng)ad hoc組網(wǎng)的可互操作SDR電臺(tái)系列。JTRS多波形、多外形因子電臺(tái)的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

①通用硬件平臺(tái)：支持多波形、多頻段、多任務(wù)的JTRS硬件平臺(tái)的基帶部分(調(diào)制解調(diào)器)基本上是通用的,而射頻部分和天線能共用則共用;不能共用時(shí)則根據(jù)不同波形(分配不同工作頻率)選配。例如AN/PRC-117G(V)1(C)運(yùn)行窄帶波形時(shí),采用1副30～512 MHz天線;運(yùn)行寬帶波形時(shí),采用 1副225 MHz～2GHz天線;運(yùn)行衛(wèi)星通信波形時(shí),采用1副243～318 MHz天線;

②軟件通信體系架構(gòu)(SCA)：SCA是基于通用對(duì)象請(qǐng)求代理架構(gòu)(CORBA)制定的軟件無線電軟件協(xié)議和相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),由操作環(huán)境(OE)和應(yīng)用(Applications)組成。多波形JTRS基于SCA構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)了無線電臺(tái)加載波形、運(yùn)行應(yīng)用以及組網(wǎng)到綜合系統(tǒng)的可編程性,成為真正的SDR。而SCA作為提供標(biāo)準(zhǔn)操作環(huán)境的核心框架,必須在每個(gè)硬件裝置上實(shí)現(xiàn)。不同JTRS電臺(tái)之間可通過SCA架構(gòu)加載同一種波形,輕松實(shí)現(xiàn)互通;

③新組網(wǎng)波形設(shè)計(jì)：JTRS面向不同應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境/領(lǐng)域(如地面、機(jī)載和海上)開發(fā)4類組網(wǎng)波形,包括寬帶組網(wǎng)波形(WNW)、士兵電臺(tái)波形(SRW)、聯(lián)合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)-戰(zhàn)術(shù)邊緣(JAN-TE)波形、移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)(MUOS)波形。各類組網(wǎng)新波形又針對(duì)不同作戰(zhàn)需求設(shè)計(jì)了多種空間信號(hào)(SIS)形式。例如：WNW具有正交頻分復(fù)用(OFDM-寬帶)、抗干擾(寬帶)、先進(jìn)有效帶寬調(diào)制(BEAM-窄帶)和低截獲/低探測(cè)概率(LPI/LPD-窄帶)4種不同的空間信號(hào);而SRW具有戰(zhàn)斗通信(CC)-寬帶、LPI/LPD、電子戰(zhàn)(EW)-寬帶抗干擾3種空間信號(hào)。新波形的每種空間信號(hào)形式具有廣泛的可設(shè)置波形參數(shù)域,不但涉及的參數(shù)全面,而且參數(shù)值可設(shè)置范圍廣,由此每種波形的空間信號(hào)形式又衍生了多種具體工作模式,從而在波形的空間信號(hào)層涵蓋各種帶寬和數(shù)據(jù)率。例如WNW OFDM波形可通過設(shè)置調(diào)制進(jìn)制、前向糾錯(cuò)編碼(FEC)、展寬因子、分集因子等參數(shù),工作在共計(jì)38種模式;SRW的各波形工作方式可對(duì)工作頻率、帶寬、調(diào)制、編碼和發(fā)射功率等參數(shù)進(jìn)行配置;

④傳統(tǒng)波形的后向兼容：JTRS計(jì)劃為后向兼容在役的衛(wèi)星通信、增強(qiáng)型定位報(bào)告系統(tǒng)(EPLRS)、單信道地面機(jī)載無線電系統(tǒng)(SINCGARS)、“迅捷”(Have Quick)、HF、Link 16等,開發(fā)了十幾種傳統(tǒng)波形。傳統(tǒng)波形基本上沿襲繼承原有波形,并未再將各種通信手段/方式的波形進(jìn)一步合并;

⑤多外形因子(Form Factor)電臺(tái)型譜：JTRS計(jì)劃主要根據(jù)搭載平臺(tái)/用戶的不同,劃分電臺(tái)運(yùn)行的不同領(lǐng)域,進(jìn)而開發(fā)出多種外形因子的電臺(tái),形成如表1所示的電臺(tái)型譜,每種電臺(tái)根據(jù)需要選擇加載JTRS波形庫內(nèi)的若干幾種波形。

表1 JTRS電臺(tái)型譜及工作波形

通過對(duì)JTRS技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析,可總結(jié)出多波形戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的基本技術(shù)內(nèi)涵是：基于通用硬件平臺(tái)和軟件通信體系架構(gòu),面向不同應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境開發(fā)多波形,每種波形可提供滿足不同作戰(zhàn)需求的多種空間信號(hào)形式,并具有廣泛的可設(shè)置波形參數(shù)域,新一代波形應(yīng)采用通信自適應(yīng)措施,具備非視距傳輸能力,能夠根據(jù)信道情況自適應(yīng)改變空間信號(hào)工作參數(shù),從而在一部戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多頻段多模式多功能,提高裝備的多用途能力,減少裝備品種數(shù)量,提高裝備的互聯(lián)互通互操作能力。

2 發(fā)展途徑

國(guó)內(nèi)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)現(xiàn)狀與發(fā)展基于軟件通信體系架構(gòu)的軟件定義電臺(tái)的最終目標(biāo)相比還有較大差距。不妨在現(xiàn)階段以能夠運(yùn)行多波形的軟件可編程調(diào)制解調(diào)器、寬帶射頻及天線為重點(diǎn)開展研究工作。技術(shù)途徑如下：

①首先類似JTRS的電臺(tái)外形因子分類方式,根據(jù)應(yīng)用需求做好未來電臺(tái)裝備型譜發(fā)展規(guī)劃,明確每型電臺(tái)的主要功能用途及選擇加載的幾種波形工作模式;

②梳理運(yùn)行每種波形所需的模塊化的軟件可編程調(diào)制解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu),并描述每個(gè)功能模塊的輸入端和輸出端的信號(hào)結(jié)構(gòu)(包括信號(hào)形式、接口類型以及頻率、帶寬、速率、電平等指標(biāo)),以及用于表征該模塊功能的所有參數(shù)及參數(shù)值范圍,明確哪些參數(shù)可進(jìn)行軟件重新配置;

③歸納得到支持運(yùn)行多波形的通用硬件平臺(tái)架構(gòu)(各模塊盡量能共用則共用);用于波形加載/卸載、波形類型及工作模式選擇、波形參數(shù)配置、波形運(yùn)行控制的通用系統(tǒng)操作控制軟件平臺(tái)架構(gòu);以及按照3個(gè)層次設(shè)計(jì)的波形庫軟件架構(gòu)：一是按應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境劃分的波形類型,二是波形工作模式,三是波形參數(shù)配置;

④根據(jù)多波形電臺(tái)的體系架構(gòu),開發(fā)盡可能靠近射頻天線的通用、模塊化、接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字處理硬件平臺(tái);支撐軟件可重新編程的通用系統(tǒng)操作控制軟件平臺(tái);以及符合通用設(shè)計(jì)規(guī)范、便于擴(kuò)展升級(jí)的波形庫軟件。

這樣,戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)在便于升級(jí)的通用軟硬件平臺(tái)及通用接口規(guī)范支撐下,以軟件可編程調(diào)制解調(diào)器為核心,通過現(xiàn)場(chǎng)加載波形或事先加載多波形、現(xiàn)場(chǎng)選擇配置的方式,即可根據(jù)用戶需要和應(yīng)用環(huán)境選擇運(yùn)行適宜的通信波形,靈活實(shí)現(xiàn)多功能、多任務(wù)。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通用硬件平臺(tái)

通用硬件平臺(tái)的基本思想是將寬帶A/D變換盡可能地靠近射頻天線,即盡可能早地將收到的模擬信號(hào)數(shù)字化,使得在同一硬件平臺(tái)上能夠最大程度地通過可重新編程軟件來實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種空中接口、傳輸機(jī)制、協(xié)議和應(yīng)用,即運(yùn)行基于SCA的多波形。

通用硬件平臺(tái)可參照?qǐng)D1所示的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建,規(guī)定了一種樹形結(jié)構(gòu)的硬件類和一組實(shí)現(xiàn)要求。在最頂層,硬件體系結(jié)構(gòu)類包括機(jī)箱類和硬件模塊類,而硬件模塊類又派生出射頻、調(diào)制解調(diào)、處理器、信息安全、輸入輸出、電源、定位模塊等子類。該結(jié)構(gòu)采用面向?qū)ο蟮姆绞?以類和屬性繼承的結(jié)構(gòu)包括了所有應(yīng)用領(lǐng)域中通用的硬件。對(duì)應(yīng)于硬件子類的硬件對(duì)象就是實(shí)際設(shè)備中的硬件模塊,也就是這些硬件子類的物理實(shí)現(xiàn)。硬件模塊應(yīng)根據(jù)平臺(tái)和環(huán)境的要求來確定具體的屬性值,進(jìn)而被實(shí)例化為適用于不同平臺(tái)和應(yīng)用領(lǐng)域的硬件模塊。

圖1 硬件體系結(jié)構(gòu)

多波形戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)在逐漸發(fā)展成為SDR的初級(jí)階段,其核心是能夠運(yùn)行多波形的軟件可編程調(diào)制解調(diào)器。軟件可編程調(diào)制解調(diào)器作為運(yùn)行多波形的基帶處理平臺(tái),其構(gòu)建過程是通過梳理每種波形運(yùn)行所需的硬件平臺(tái)架構(gòu),進(jìn)而以支撐多模式、多波形的最大化設(shè)計(jì)原則,歸納得到通用的基帶處理硬件平臺(tái)。該平臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu),嚴(yán)格確定各模塊的接口規(guī)范以便于重構(gòu)升級(jí),各模塊盡量共用以節(jié)省資源和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),采用高性能元器件以適應(yīng)多任務(wù)需求,提供多模式所需的最大通道數(shù),支持運(yùn)行各種波形工作模式;并基于通用系統(tǒng)操作控制應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)多波形一體化調(diào)制解調(diào)器的軟件可編程、可重新配置、可現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。

3.2 軟件通信體系架構(gòu)

軟件通信體系架構(gòu)即符合通用設(shè)計(jì)規(guī)范的系統(tǒng)操作控制軟件平臺(tái),可參照?qǐng)D2所示的各模塊間關(guān)系進(jìn)行軟件構(gòu)建,通過分層的、開放的基礎(chǔ)軟件將核心應(yīng)用和非核心應(yīng)用與底層硬件分離開,并通過CORBA中間件技術(shù)提供分布式的處理環(huán)境,以提高波形應(yīng)用軟件的可移植性、可擴(kuò)展性和可重用性,具有波形加載/卸載、波形類型及工作模式選擇、波形參數(shù)配置以及對(duì)基帶設(shè)備、射頻設(shè)備的波形運(yùn)行控制等功能?，F(xiàn)階段其研究重點(diǎn)是開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可操作、可裁減、可擴(kuò)展的系統(tǒng)軟件模塊及相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)

基于該軟件平臺(tái)的SDR將可以在通用硬件平臺(tái)上,加載不同的通信波形組件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和其他軟件;支持軟硬件即插即用,能根據(jù)多種特定戰(zhàn)術(shù)域的作戰(zhàn)需求對(duì)波形進(jìn)行重配置;并通過更換軟硬件模塊,容許加入新的功能、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn),便于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展升級(jí)。

3.3 多波形技術(shù)

戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)多波形技術(shù)即構(gòu)建滿足需求的多種波形,形成一個(gè)通用的波形庫。多波形技術(shù)的研究重點(diǎn)包括波形庫的組織規(guī)范和波形組件的設(shè)計(jì)規(guī)范。波形庫的組織規(guī)范是將波形庫內(nèi)的模塊有機(jī)組合起來的整體框架結(jié)構(gòu)。波形組件設(shè)計(jì)指開發(fā)獨(dú)立于硬件的、基于軟件體系架構(gòu)的波形應(yīng)用程序。多波形設(shè)計(jì)可分為3個(gè)層次：一是面向運(yùn)行環(huán)境/應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行波形分類;二是每類波形根據(jù)工作場(chǎng)景的不同可選不同的空間信號(hào)形式;三是每種空間信號(hào)形式具有廣泛的可設(shè)置波形參數(shù)域,可進(jìn)一步劃分為不同的基本波形組件,例如信號(hào)幀處理波形組件、信道編譯碼波形組件、調(diào)制解調(diào)波形組件等,定義組件之間的交互方式與接口,使組件能夠在系統(tǒng)中根據(jù)需求連接成完整的波形應(yīng)用,組合為一系列工作模式。這種設(shè)計(jì)方式使得多波形電臺(tái)能夠涵蓋多頻段、各種帶寬(寬帶、窄帶)以及各種數(shù)據(jù)率。

3.4 通信自適應(yīng)技術(shù)

新型戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)波形應(yīng)采用通信自適應(yīng)措施,具有鏈路自適應(yīng)的能力,能夠感知信道傳播條件,自動(dòng)適應(yīng)業(yè)務(wù)載荷、干擾和電子戰(zhàn)威脅條件,通過數(shù)據(jù)率自適應(yīng)和前向糾錯(cuò)等機(jī)制動(dòng)態(tài)地適應(yīng)鏈路,并支持頻譜管理策略,從而智能地將工作參數(shù)調(diào)整至使鏈路性能最佳。

4 結(jié)束語

基于通用硬件平臺(tái)及軟件無線電技術(shù)運(yùn)行多波形的新型戰(zhàn)術(shù)電臺(tái),是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信裝備的多頻段多模式多用途、互連互通互操作以及增強(qiáng)信息化部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)通信能力的關(guān)鍵裝備之一。開發(fā)符合通用設(shè)計(jì)規(guī)范的硬件平臺(tái)、系統(tǒng)操作控制軟件平臺(tái)以及波形庫軟件,已成為未來多波形戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)發(fā)展中的核心技術(shù),亟待開展深入研究。

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