仇建軍 王曉陽 張 瓊

（1.海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室 武漢 430079）（2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

軟件無線電，即部分或全部的物理層功能由軟件定義，由于其具有波形可移植性、互操作性，產(chǎn)品可重配置，便于新技術(shù)的引用和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，被視為無線電的發(fā)展趨勢(shì)而受到越來越廣泛的關(guān)注和研究。而DSP、FPGA、GPP處理速度的提升和功耗的優(yōu)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的提升、基于對(duì)象的編程和使硬件抽象且獨(dú)立的中間件技術(shù)的應(yīng)用以及使波形在異構(gòu)處理結(jié)構(gòu)中布置的有效的軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)，都使以前停留在概念上的軟件無線電成為現(xiàn)實(shí)［9］。美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電（JTRS）提出的軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）為無線通信系統(tǒng)的發(fā)計(jì)和開發(fā)提供了詳細(xì)的規(guī)范，建立了獨(dú)立于設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架，如圖1所示。

圖1 SCA：軟件通信體系結(jié)構(gòu)

SCA 定義了嵌入軟件無線電（SDR）平臺(tái)的操作環(huán)境（OE），并定義了標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制來加載和配置到這些平臺(tái)的SDR波形。另外，SCA 為了實(shí)現(xiàn)SDR 平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)而定義了一組通用的應(yīng)用可編程接口（API），這些API可被波形應(yīng)用使用。需要注意的是，SCA并沒有將硬件模塊標(biāo)準(zhǔn)化，而是由業(yè)界完全開放的、競爭性地開發(fā)相關(guān)的SDR 平臺(tái)。這些制造商可以從商用現(xiàn)貨（COTS）供應(yīng)商獲得操作環(huán)境軟件，從而降低開發(fā)這類軟件無線電所需的費(fèi)用。

2 SCA的過去

由于早期的一些如Speakeasy、FM3TR 等軟件無線電項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)都表明，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)框架有利于在一系列SDR 電臺(tái)家族上開發(fā)通用的波形軟件，從而提高互操作性并有助于減少開發(fā)的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。因此后續(xù)開展的JTRS 項(xiàng)目開始建立軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）規(guī)范，并在2000年發(fā)布了第一個(gè)正式的版本SCA 1.0，接著在2001年發(fā)布了一個(gè)較為完備的版本SCA 2.2，其最初的經(jīng)典SCA 軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該體系結(jié)構(gòu)中用統(tǒng)一建模語言（UML）來圖形化表示接口，并用接口定義語言（IDL）來定義接口，其可從大的方面分為總線及板級(jí)硬件驅(qū)動(dòng)層、提供串行和網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)和串行接口服務(wù)層、為應(yīng)用提供多線程支持的符合可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）規(guī)范的操作系統(tǒng)接口層、提供分布式處理環(huán)境中消息傳遞功能的公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）中間件層、為波形應(yīng)用提供底層軟硬件抽象的核心框架層以及提供通信功能的應(yīng)用層六個(gè)部分組成。其中前五層構(gòu)成一個(gè)通用的軟件平臺(tái)，為應(yīng)用層的波形開發(fā)提供了統(tǒng)一的、開放的底層支持和服務(wù)，從而獲得波形應(yīng)用的可移植性、可重用性和互操作性。而在2004年發(fā)布的SCA 3.0版本中增加了專用硬件附錄，希望通過建立抽象的處理資源，將其分配到各種任務(wù)中來解決專用硬件（如DSP、FPGA）的問題，但該方案是面向軟件的，不足以趕上DSP和FPGA的能力，尤其是在SCA 中并沒有明確地定義抽象等級(jí)，迫使供應(yīng)商用結(jié)果去解釋規(guī)范，而每種實(shí)現(xiàn)差異很大，實(shí)際上成了專有實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)抽象需要額外的軟件，這也削弱了DSP和FPGA的性能優(yōu)勢(shì)。因此3.0版本推出一段時(shí)間后又重新回到2.2版本的基礎(chǔ)上，JTRS的聯(lián)合辦公室在2006年推出了SCA2.2.2版本，該版本棄用了API附錄的方式，改由JTRS的接口控制工作組（ICWG）制定通用的標(biāo)準(zhǔn)API規(guī)范，同時(shí)棄用了安全規(guī)范附錄，其規(guī)范較為成熟。整體上來看，從01年發(fā)布的SCA 2.2版本開始，后續(xù)的規(guī)范大部分都未做改變。因此現(xiàn)在推出的符合SCA 規(guī)范的軟件無線電產(chǎn)品都是以SCA 2.2.2版本為基礎(chǔ)的。

圖2 最初的SCA 軟件體系結(jié)構(gòu)

3 SCA的現(xiàn)在

隨著軟件技術(shù)、專用數(shù)字芯片的發(fā)展以及SCA 開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的積累，以2.2版本為基礎(chǔ)的SCA 已越來越難滿足對(duì)異構(gòu)平臺(tái)間波形可移植性的要求。因此，在2009年在SCA2.2.2基礎(chǔ)上相繼提出了SCA Next和ESSOR Architecture概念。這些概念的提出是為了提升體系結(jié)構(gòu)以減少波形在多種SDR 平臺(tái)間移植所需的開銷。

3.1 SCA Next到SCA 4.0

從2009年提出SCA Next概念，經(jīng)過3年時(shí)間的討論，最終在2012年2月形成正式的SCA 4.0版本，標(biāo)志著說明體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件無線電與之前相比有了根本性的改變。SCA 4.0 遵循模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)（MDA）的方法進(jìn)行開發(fā)，該方法是首先對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行高度抽象的建模，這個(gè)模型和實(shí)現(xiàn)它的技術(shù)（或者底層技術(shù)）完全沒有關(guān)系，稱之為平臺(tái)無關(guān)模型（PIM）。然后，PIM 將被轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)平臺(tái)相關(guān)模型（PSM），PSM 將用一個(gè)特定的實(shí)現(xiàn)技術(shù)來描述私有的系統(tǒng)，最后，PSM 將被翻譯成源代碼。SCA 4.0中基本的規(guī)范被開發(fā)成PIM，附錄E 定義了本地或分布式的客戶／服務(wù)器操作的傳輸機(jī)制，不在限于CORBA，還包括C＋＋、SOAP，DDS、MHAL通信服務(wù)等。其附錄E－1就定義了CORBA PSM 模型。其模型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)［5］示意圖如圖3所示。

圖3 模型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（MDA）示意

同時(shí)，SCA 4.0的OE 配置文件和操作系統(tǒng)功能單元（UoF）可按輕量級(jí)、中等、完整三個(gè)等級(jí)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。另外，不同于以前無論是否需要組件必須實(shí)現(xiàn)所有繼承的接口，在SCA 4.0中組件的接口可根據(jù)需要進(jìn)行裁剪，優(yōu)化了組件的連接流程從而加快了啟動(dòng)時(shí)間并提高了可移植性。并且設(shè)計(jì)新的API來提高DSP 和FPGA 處理器的移植能力?，F(xiàn)在，供應(yīng)商正積極研制符合SCA 4.0規(guī)范的商用現(xiàn)貨，PrismTech公司已推出第一款適合SCA 4.0規(guī)范的中間件產(chǎn)品。

3.2 ESSOR Architecture

ESSOR Architecture［2］是2009年 由 歐 洲 法、意、西 班牙、瑞典、芬蘭和波蘭六國發(fā)起的歐洲安全軟件無線電（ESSOR）項(xiàng)目提出的面向歐洲軍用電通信市場(chǎng)完全可持續(xù)安全的SDR 體系結(jié)構(gòu)。它是在已發(fā)布的JTRS SCA 和APIs的基礎(chǔ)上提出的，并在以下幾個(gè)方面擴(kuò)展定義：定義DSP和FPGA 處理單元的OE來提供兩種基于MHAL和CORBA的規(guī)?？勺兊捏w系結(jié)構(gòu)；在已發(fā)布的JTRS無線電設(shè)備（RD）和無線電服務(wù)（RS）API拓展定義。圖4展示了一個(gè)SDR的組成和結(jié)構(gòu)，其中SDR 平臺(tái)通過APIs提供波形的加載運(yùn)行。硬件平臺(tái)受尺寸、重量、功耗、處理能力、射頻前端能力（如單工或雙工）、主要受電臺(tái)操作環(huán)境，SDR 平臺(tái)可被分成不同類型（如手持，背負(fù)、車載、海軍／固定、機(jī)載等）。

圖4 SDR組 成 和 結(jié) 構(gòu)

·CF：遵循ESSOR 體系結(jié)構(gòu)，與JTRS SCA 2.2.2CF相比只做較少修改、說明和擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)CF接口的實(shí)體；

·GPP、DSP 和FPGA的OE：連接GPP、DSP 和FPGA，并執(zhí)行（如加載和執(zhí)行代碼）的實(shí)體。存在不同連接解決方式的兩類OE：CORBA 和ESSOR MHAL；

·RD：提供SDR的HW 模塊抽象的實(shí)體。RD 提供為需要接入HW 模塊的其它SDR組件（如WF應(yīng)用和RS）高層次的軟件接口（API）。ESSOR 體系結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)布的JTRS API規(guī)范進(jìn)行一些修改／說明，并擴(kuò)展增加的功能如ESSOR Transceiver API，提供詳細(xì)的定義；

·RS：為波形應(yīng)用提供軟件功能的實(shí)體。與波形的操作相關(guān)，控制、監(jiān)控。下載文件和資源配置。和RD 相似，發(fā)布的JTRS API規(guī)范進(jìn)行一些修改／說明，提供詳細(xì)的定義；

·RSS：提供與ESSOR 安全對(duì)象一致的安全功能實(shí)體。

ESSOR Architecture的提出是為了軍事目的開發(fā)，并在不同國家的SDR 平臺(tái)上開發(fā)、實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證該體系結(jié)構(gòu)。計(jì)劃在2013年中期進(jìn)行六個(gè)不同國家SDR 平臺(tái)的高數(shù)據(jù)速率波形（HDR WF）波形的演示驗(yàn)證工作。

4 SCA的未來

SCA的發(fā)展現(xiàn)在正處于關(guān)鍵的階段，JTRS 聯(lián)合辦公室提出“將SCA 定位為綜合性但足夠靈活來為幾代JTRS及工業(yè)產(chǎn)品提供技術(shù)基礎(chǔ)”的目標(biāo)、歐洲ESSOR 項(xiàng)目提出的“完善SCA2.2.2來提供完整的SDR 體系結(jié)構(gòu)定義”、美軍提出的 基 于SCA2.2.2 建 立的“Government Reference Architecture”為衛(wèi)星通信終端通用的軟件結(jié)構(gòu)等其他國家和地區(qū)都采取相似的路線。這樣的SCA 發(fā)展分歧有著固有的低效率，如多個(gè)組織在解決同一個(gè)問題上各自發(fā)展，缺乏足夠的資源而導(dǎo)致相同的失敗結(jié)果。另外，沿不同途徑的SCA 發(fā)展可能會(huì)造成最后體系結(jié)構(gòu)的不兼容，從而導(dǎo)致規(guī)模效應(yīng)的減小，開發(fā)費(fèi)用的增加。無線電創(chuàng)新論壇（WINNF）提出了世界范圍內(nèi)的SCA 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)作模型，為不同SCA 標(biāo)準(zhǔn)組織的協(xié)調(diào)提供一個(gè)途徑。而主要的SCA 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的JTRS項(xiàng)目和ESSOR 項(xiàng)目都原則上同意了該意見。從兩個(gè)項(xiàng)目的發(fā)展來看，未來的SCA 標(biāo)準(zhǔn)朝著達(dá)成世界范圍內(nèi)一致的標(biāo)準(zhǔn)，并重點(diǎn)從波形在不同SDR 平臺(tái)間移植的代價(jià)最少的體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方向努力。SCA 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)［4］如圖5所示。

圖5 SCA 標(biāo) 準(zhǔn)的 發(fā) 展 趨勢(shì)

5 結(jié)語

隨著元器件性能的不斷提升，相關(guān)規(guī)范的完善，開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的積累等，軟件無線電越來越受到重視，相關(guān)的研究和產(chǎn)品也越來越多。軟件通信體系結(jié)構(gòu)作為軟件無線電的“操作系統(tǒng)”，為波形開發(fā)者提供底層抽象和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口，使其不再或較少的關(guān)注平臺(tái)，從而獲得一系列好處。因此體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣決定了整個(gè)SDR 系統(tǒng)的穩(wěn)定，并極大的影響了系統(tǒng)性能的高低。本文介紹了SCA的起源、現(xiàn)狀及未來發(fā)展，隨著新技術(shù)的加入，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍然不斷完善，因此關(guān)注SCA 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對(duì)軟件無線電的研究有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］Donald R.Stephens，Brian Salisbury，Kevin Richardson.JTRS體系結(jié)構(gòu) 和 標(biāo) 準(zhǔn)［C］／／IEEE 軍 事 通 信2006 會(huì) 議，2006：3481－3485.

［2］Christian SERRA，ELEKTROBIT，INDRA Sistemas，RADMOR S.A，ESSOR 體系結(jié)構(gòu)－動(dòng)機(jī)和展望［C］／／無線創(chuàng)新論壇技術(shù)2010會(huì)議，2010.

［3］國際戰(zhàn)術(shù)無線電市場(chǎng)SDR 技術(shù)白皮書［EB／OL］.無線創(chuàng)新論壇［2011－9］.

［4］國際SCA 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)模型［EB／OL］.無線創(chuàng)新論壇［2011－6］

［5］Vince Kovarik，"SCA 4.0webcast16"，－PrismTech Ltd，May 2012.（PrismTech Ltd.SCA 4.0網(wǎng)絡(luò)直播.［2012－5］）.

［6］A.Ahtiainen，H.Berg，U.軟件無線電體系結(jié)構(gòu)［C］／／SDR技術(shù)進(jìn)展及產(chǎn)品展覽07年會(huì)議，2007

［7］JTRS JPEO.軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范4.0版［S］.2012，4.

［8］JTRS JPEO.軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范2.2.2版［S］.2006，5.

［9］閻毅，賀鵬飛.軟件無線電與認(rèn)知無線電概論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［10］楊小牛，樓才義.軟件無線電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.