+ 周力1,2，魏急波1,2，唐麒1,2，熊俊1,2，趙海濤1,2，習(xí)勇2

(1. 國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院) (2. 湖南省軟件無線電工程技術(shù)研究中心)

近年來，軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）技術(shù)發(fā)展迅速，將SDR應(yīng)用于衛(wèi)星通信、測控和導(dǎo)航等應(yīng)用開發(fā)能顯著縮短整個系統(tǒng)的研制和迭代周期，有效降低成本。通過構(gòu)造開放的標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺和軟件平臺，將各種空間應(yīng)用（如通信波形、組網(wǎng)協(xié)議、遙感遙測等）用符合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的軟件來實(shí)現(xiàn)，可構(gòu)建具有高度靈活性和開放性的空間SDR體系架構(gòu)，進(jìn)一步支撐軟件定義衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)。目前，在世界范圍內(nèi)，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的SDR標(biāo)準(zhǔn)化體系架構(gòu)主要有軟件通信體系架構(gòu)（Software Communications Architecture，SCA ）[1]和空間通信無線電系統(tǒng)（Space Telecommunications Radio System，STRS）[2]兩個系列。

如表1所示，SCA標(biāo)準(zhǔn)起步于2000年，經(jīng)過早期幾個版本的驗(yàn)證，于2006年發(fā)布了用于正式部署的版本SCA 2.2.2[3]，這也是迄今為止使用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)版本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2017年底，全球范圍內(nèi)采用SCA 2.2.2標(biāo)準(zhǔn)的軍用和安全電臺數(shù)量已經(jīng)超過了50萬部[4]，參與的國家、研究中心和項(xiàng)目的數(shù)量不斷增加，配套標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷完善和發(fā)展之中。目前，SCA已成為國際標(biāo)準(zhǔn)，主要由美國國防部聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中心（Joint Tactical Networking Center，JTNC）和無線創(chuàng)新論壇（Wireless Innovation Forum，WInnForum）主導(dǎo)，并在北約國家廣泛應(yīng)用。2015年8月，JTNC發(fā)布了跨時代的SCA 4.1[5]，針對新技術(shù)背景下的應(yīng)用需求，對SCA 2.2.2進(jìn)行了大量優(yōu)化（取消了對CORBA的依賴，支持功能裁剪等），并引入了諸多新特性（組件自啟動、嵌套應(yīng)用、應(yīng)用互連等）。2018年2月28日，美國國防部正式宣布在美軍陸?？諔?zhàn)術(shù)裝備中全面強(qiáng)制部署SCA 4.1標(biāo)準(zhǔn)，取代之前部署的SCA 2.2.2規(guī)范[1]，這標(biāo)志著SCA 4.1即將在全球范圍內(nèi)進(jìn)入全面部署階段。

表1 SCA 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程

早在2002年，美國航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）就啟動了空間SDR計(jì)劃，并于2006年前后嘗試將SCA 2.2.2應(yīng)用于空間無線電載荷。但是受限于當(dāng)時空間載荷存儲和處理資源的限制，該計(jì)劃初期進(jìn)展并不順利?？紤]到空間載荷大小、重量、功耗和計(jì)算能力的限制， NASA決定定義一套適用于空間應(yīng)用需求的SDR體系架構(gòu)，通過采用輕量化的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，減少載荷資源的開銷，以適應(yīng)在資源受限場景下應(yīng)用SDR技術(shù)的要求。2010年，NASA將3個符合STRS標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的SDR載荷送入空間站，開放給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新[6]。2012年，Harris公司將STRS架構(gòu)應(yīng)用于AppStar衛(wèi)星載荷體系架構(gòu)，用于通信、地理觀測、飛機(jī)和艦船跟蹤等領(lǐng)域[7]。2018年3月14日，NASA將標(biāo)準(zhǔn)升級到NASA-STD-4009A[8]，進(jìn)一步支撐空間SDR的發(fā)展。當(dāng)前，無線創(chuàng)新論壇已將STRS標(biāo)準(zhǔn)收錄為其系列標(biāo)準(zhǔn)之一。

從基本功能上來看，SCA和STRS這兩套標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)都支持應(yīng)用與平臺的解耦，支持應(yīng)用組件的連接和通信。那么，當(dāng)SCA發(fā)展到4.1版本的階段，其優(yōu)化后的性能能否支持其在空間SDR中的應(yīng)用？本文對兩種體系架構(gòu)軟件平臺的功能特性和性能指標(biāo)進(jìn)行了研究，以探索將SCA 4.1體系架構(gòu)應(yīng)用于空間SDR的可能性。

圖1 SCA 4.1體系架構(gòu)

圖2 STRS體系架構(gòu)

表2 SCA 4.1和STRS對比

1 標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)介紹

1.1 SCA 4.1體系架構(gòu)

SCA 4.1體系架構(gòu)如圖1所示，一般將底層驅(qū)動之上、波形應(yīng)用之下的軟件統(tǒng)稱為運(yùn)行環(huán)境（Operating Environment，OE）[4]。OE提供了管理和執(zhí)行框架組件的功能，主要由操作系統(tǒng)、傳輸機(jī)制、核心框架控制組件、平臺設(shè)備組件和平臺服務(wù)組件組成。平臺設(shè)備組件對硬件平臺中的設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行封裝，為波形提供訪問設(shè)備資源的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface, API），設(shè)備組件需要實(shí)現(xiàn)基本設(shè)備API。平臺服務(wù)是平臺提供的各種非硬件的、由軟件實(shí)現(xiàn)的組件，如日志服務(wù)，事件服務(wù)組件等。OE還包括了實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，用于為系統(tǒng)中的軟件，如應(yīng)用、設(shè)備、服務(wù)等提供多線程服務(wù)。OE采用傳輸機(jī)制來提供的C/S操作。C/S通信鏈路中的客戶端和服務(wù)端可共存于同一處理器，也可分布在不同處理器當(dāng)中。傳輸機(jī)制結(jié)構(gòu)主要由對象請求語義、消息轉(zhuǎn)換、消息結(jié)構(gòu)和消息傳輸組成。

1.2 STRS體系架構(gòu)

盡管經(jīng)過了幾次更迭，STRS標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)并無大的變化?？偟膩砜矗琒TRS體系架構(gòu)采用了軟件分層的思想設(shè)計(jì)，包括底層驅(qū)動、操作系統(tǒng)、硬件抽象層、核心框架和平臺應(yīng)用等部分。各層之間主要通過標(biāo)準(zhǔn)API進(jìn)行通信。其中，核心框架組件通過API對應(yīng)用組件進(jìn)行管理和操作，應(yīng)用組件之間以及應(yīng)用組件與系統(tǒng)服務(wù)和設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)的波形應(yīng)用API和設(shè)備接口API進(jìn)行通信，硬件抽象層API為操作環(huán)境的軟件對硬件的訪問提供了設(shè)備控制API接口，POSIX子集API提供了符合POSIX規(guī)范子集的API接口，提供了應(yīng)用訪問操作系統(tǒng)服務(wù)的統(tǒng)一機(jī)制。

1.3 二者比較

表2對SCA 4.1和STRS的主要特性進(jìn)行了對比。從代碼實(shí)現(xiàn)上來看，SCA一般用C++實(shí)現(xiàn)，STRS一般采用C來實(shí)現(xiàn)。從組件間傳輸機(jī)制上來看，SCA 4.1取消了對CORBA的依賴，但是仍可以很好地兼容CORBA，STRS對傳輸機(jī)制沒有具體要求。二者在可移植性、組件化、組件部署、軟件庫、硬件抽象層、設(shè)備管理上的特性類似。此外，SCA 4.1支持功能裁剪、組件自啟動、嵌套應(yīng)用和應(yīng)用互連等新特性，這些都是STRS所不具備的。

2 標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)

2.1 SCA 4.1標(biāo)準(zhǔn)接口

SCA 4.1核心框架以一組開放的API和服務(wù)形式，為應(yīng)用軟件提供底層軟、硬件的抽象接口。核心框架的各接口之間的關(guān)系如圖3所示，具體包括以下幾類。

（1）基本應(yīng)用接口：包括組件標(biāo)識（Component Identifier）、端口存取器（Port Accessor）、生命周期（Life Cycle）、可測試接口（TestableInterface）、屬性集（PropertySet）和可控制接口（ControllableInterface），是應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)基本接口，可被有選擇性地繼承和實(shí)現(xiàn)。

（2）框架控制接口。包括應(yīng)用管理器（Application Manager）、部署屬性（Deployment Attributes）、應(yīng)用工廠（Application Factory）、域管理器（Domain Manager）、域安裝器（Domain Installation）、組件注冊器（Component Registry）、完整組件注冊器（Full Component Registry）、事件通道注冊器（Event Channel Registry）和可釋放管理器（ReleasableManager），它們是系統(tǒng)管理和控制的標(biāo)準(zhǔn)接口。

圖3 SCA 4.1核心框架接口

圖4 STRS核心框架基本接口

圖5 STRS應(yīng)用基本接口

圖6 KDZL-SDR-EL01通用硬件平臺

（3）基本設(shè)備接口。包括可管理接口（Administratable Interface）、容量管理器（Capacity Management）、設(shè)備屬性（Device Attributes）、聚合設(shè)備屬性（Aggregate Device Attributes）、可加載接口（Loadable Interface）、可執(zhí)行接口（Executable Interface）和聚合設(shè)備（Aggregate Device），是硬件物理設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)抽象接口，可被有選擇性地繼承和實(shí)現(xiàn)。

（4）框架服務(wù)接口。包括文件（File）、文件系統(tǒng)（File System）、和文件管理器（File Manager），是系統(tǒng)軟件服務(wù)對象的標(biāo)準(zhǔn)接口。

2.2 STRS標(biāo)準(zhǔn)接口

STRS標(biāo)準(zhǔn)接口作為軟件架構(gòu)的關(guān)鍵部件，主要用于促進(jìn)目標(biāo)平臺的軟件配置和控制。為了提高STRS波形應(yīng)用的可移植性，STRS標(biāo)準(zhǔn)采用了四種基本的接口： STRS API、APP API、HAL API和POSIX API。STRS API是核心框架提供的API集，用于支持波形應(yīng)用、服務(wù)和通信設(shè)備彼此間的互操作來，以完成波形的組件化實(shí)現(xiàn)和可重構(gòu)功能。圖4為STRS核心框架必須實(shí)現(xiàn)的最小API集。APP API規(guī)范了STRS應(yīng)用研發(fā)者必須實(shí)現(xiàn)的一組接口與功能，如圖5所示。HAL API對硬件驅(qū)動接口作了統(tǒng)一封裝，通過硬件抽象的方式為專用硬件提供了一種軟件視角。由于該接口的存在，使得運(yùn)行在平臺專用硬件上的軟件能夠與平臺的核心框架集成，以屏蔽底層的硬件和驅(qū)動的差異。POSIX API是嵌入式操作系統(tǒng)提供的可移植性接口集，以便于波形應(yīng)用和服務(wù)對嵌入式操作系統(tǒng)的訪問。

圖7 組件間通信時延示意圖

圖8 應(yīng)用部署時延的流程

3 測試環(huán)境

3.1 測試環(huán)境介紹

測試環(huán)境采用的硬件平臺和相關(guān)軟件均由湖南省軟件無線電工程技術(shù)研究中心自行研發(fā)，硬件平臺型號為KDZL-SDR-EL01，如圖6所示。 KDZL-SDR-EL01是一款高性能的通用軟件無線電平臺，該平臺主要芯片型號為ZYNQ 7030，包含一個雙核ARM及一塊FPGA，型號分別為Cortex-A9 (時鐘頻率 667MHz)和Kintex-7 (邏輯單元：125K，DSP片：400)，其DDR儲存大小為1GB，操作系統(tǒng)采用Linux 3.17。在實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)軟件平臺和應(yīng)用均部署于ARM之中，暫不考慮FPGA組件的影響。初始狀態(tài)下，軟件平臺和應(yīng)用均存儲于FLASH之中。

圖9 應(yīng)用切換時延的流程

在實(shí)驗(yàn)中，我們分別采用了依照NASA-STD-4009和SCA 4.1實(shí)現(xiàn)的STRS和SCA軟件平臺，其中SCA軟件平臺包含功能完備的全量級SCA軟件平臺和精簡后的輕量級SCA軟件平臺。我們將STRS、輕量級SCA和全量級SCA標(biāo)準(zhǔn)化軟件平臺部署到同樣的測試環(huán)境，對靜態(tài)存儲占用、組件間通信時延、應(yīng)用部署時延和應(yīng)用切換時延進(jìn)行測試對比，其中STRS和輕量級SCA采用共享內(nèi)存?zhèn)鬏敊C(jī)制，全量級SCA采用CORBA傳輸機(jī)制。

3.2 測試指標(biāo)和方法

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诜治龊蚐CA和STRS體系架構(gòu)的效率，選取的指標(biāo)包括：靜態(tài)儲存占用、組件間通信時延、應(yīng)用部署時延和應(yīng)用切換時延。對于靜態(tài)儲存占用，只需要對需要部署到目標(biāo)設(shè)備平臺上的文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算即可。對于時延測試，我們考慮了不同的數(shù)據(jù)包大小、組件數(shù)量所帶來的影響。下面介紹一下測試的方法。

（1）組件通信時延的測量

對于時延的測量，可以采用定點(diǎn)加入時間戳計(jì)算時延的方法，具體如圖7所示。

給定一個由N個級聯(lián)組件組成的應(yīng)用，數(shù)據(jù)包從組件1依次傳到組件N。在實(shí)驗(yàn)中記錄兩個時間節(jié)點(diǎn)：T1和TN，TN是組件N收到最后一個數(shù)據(jù)包后的計(jì)時，將所有組件內(nèi)部的處理代碼屏蔽，這樣組件內(nèi)的處理時延可以忽略不計(jì)，TN與T1的差值即為N-1倍組件間通信時延。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表4 靜態(tài)存儲占用對比

表5 不同數(shù)據(jù)包大小下組件間通信時延對比

表6 不同組件數(shù)下組件間通信時延對比

表7 不同組件數(shù)下應(yīng)用部署時延對比

表8 不同組件數(shù)下應(yīng)用切換時延對比

應(yīng)用部署時延和應(yīng)用切換時延的測試方法與通信時延的測試方法一樣，應(yīng)用部署時延與應(yīng)用切換時延分別包括的過程如圖8和圖9所示。

應(yīng)用部署時延包括從系統(tǒng)初始化到應(yīng)用啟動的整個過程。應(yīng)用切換時延包括從應(yīng)用停止到應(yīng)用再次發(fā)射的整個過程。由于本實(shí)驗(yàn)內(nèi)組件內(nèi)做空處理，因此影響應(yīng)用部署和切換時延的主要是組件數(shù)量，在實(shí)驗(yàn)過程中分別對不同組件數(shù)量條件下進(jìn)行測試，得到多組應(yīng)用部署、應(yīng)用切換時延，用以進(jìn)行分析、研究。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4顯示了不同軟件架構(gòu)的靜態(tài)存儲資源占用情況。可以看出STRS的靜態(tài)存儲占用遠(yuǎn)低于輕量級SCA和全量級SCA，更適用于存儲受限的系統(tǒng)。

表5對比了在不同數(shù)據(jù)包大小條件下各軟件架構(gòu)的組件間通信效率，組件數(shù)量為11。結(jié)果表明STRS和輕量級SCA在數(shù)據(jù)包不同的條件下，組件間通信時延性能較為接近，STRS對數(shù)據(jù)包的大小不敏感，輕量級SCA隨著數(shù)據(jù)包大小的變大緩慢增加。全量級SCA是組件間通信時延是STRS和輕量級SCA的10倍以上。

表6顯示了在不同組件數(shù)量條件下各軟件架構(gòu)的組件間通信效率，數(shù)據(jù)包大小為4kb。從表中可以看出，隨著組件數(shù)的增多，單個組件連接平均時延的總體趨勢都是增大的，幅度較為平緩。

表7和表8分別給出了在不同組件數(shù)下不同軟件架構(gòu)的應(yīng)用部署和應(yīng)用切換效率對比情況。從表中可以看出，在相同的傳輸機(jī)制下，輕量級SCA的應(yīng)用部署時延和應(yīng)用切換時延約為STRS的4倍，而全量級SCA的應(yīng)用部署時延和切換時延是STRS的40倍以上，而且隨著應(yīng)用組件數(shù)的增加，應(yīng)用部署時延和切換時延增加速度加快，在組件數(shù)為11時，全量級SCA的應(yīng)用部署時延和切換時延已達(dá)到是STRS的100倍。

5 結(jié)束語

本文對當(dāng)前主流的SDR標(biāo)準(zhǔn)和體系架構(gòu)SCA和STRS進(jìn)行了研究，在功能和性能上對二者進(jìn)行了對比。從功能上看，SCA具有更豐富的特性，支持更多的應(yīng)用形態(tài)需求。從性能上看，輕量級SCA和STRS的組件間通信時延相當(dāng)，對應(yīng)用運(yùn)行時的性能影響幾乎可以忽略不計(jì)，STRS的應(yīng)用啟動和切換效率遠(yuǎn)優(yōu)于SCA。本文的結(jié)論可為我國空間SDR體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化工作提供一定參考依據(jù)。

[1]http://www.public.navy.mil/jtnc/Pages/home.aspx

[2]https://strs.grc.nasa.gov/

[3]“Software Communications Architecture (SCA)Specification,” JTRS Standards, Joint Program Executive Office(JPEO) Joint Tactical Radio System (JTRS), Version 2.2.2, May 2006.

[4]S. Bernier, M. Michaud-Rancourt, F. Levesque, J. Zamora Zapata, “The Enduring Myths of the Software Communications Architecture”,

[5]“Software Communications Architecture (SCA)Specification,” Joint Tactical Networking Center (JTNC),Version 4.1, August 2015.

[6]https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/162.html

[7]https://www.harris.com/solution/reconfigurablemultimission-payloads

[8]“Space Telecommunications Radio System (STRS)Architecture Standard, NASA-STD-4009A”, NASA Technical Standard, March 2018.