深入探討軟件定義架構(gòu)及其意義

在上期文章中，我們了解了現(xiàn)代GNSS模擬中的軟件定義架構(gòu)，并與傳統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了對比，本期文章中我們將繼續(xù)深入探討軟件定義架構(gòu)及其意義。

什么是軟件定義架構(gòu)

所謂軟件定義架構(gòu)，其實是用軟件去定義系統(tǒng)的功能，用軟件給硬件賦能，最大程度提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和能量效率。軟件定義的本質(zhì)就是在硬件資源數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，通過軟件編程去實現(xiàn)靈活多樣的虛擬化和定制化功能，對外提供專用智能化、定制化的服務(wù)，實現(xiàn)應(yīng)用軟件與硬件的深度融合。當(dāng)前技術(shù)已經(jīng)具備了實現(xiàn)軟件定義架構(gòu)的兩個條件：

• 首先，硬件越來越成熟，功耗、散熱、加工工藝、成本等方面都變得更加的完善，可以更加順利的完成軟件發(fā)出的指令。
• 其次，軟件發(fā)展速度快，通信網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)完全打破了時空的限制，隨著技術(shù)越來越成熟，軟件不但可以控制本地硬件實現(xiàn)各種功能，還可以通過通信網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)處的信息系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)各種功能，軟件+網(wǎng)絡(luò)的形式為硬件賦能提供更多可能。

軟件定義的核心是API（Application Programming Interface），并由此引申出軟件定義的兩大技術(shù)發(fā)展方向。一種是平臺化，也就是說在API之下，“如無必要、勿增實體”，這一方向創(chuàng)造的是一種開放系統(tǒng)架構(gòu)，軟硬件解耦。沒有開放的系統(tǒng)架構(gòu)，就無法提供足夠的可擴(kuò)展性；不解除軟硬件之間的耦合關(guān)系，軟件定義就無法可持續(xù)發(fā)展。

以GNSS模擬為例，如圖所示，在GNSS模擬器中，可以根據(jù)不同的信號模擬需求配置不同的硬件和軟件功能。

對于硬件部分，如果需要一個射頻端口，就配置一個SDR，如果需要多個射頻端口，就可以配置多個SDR。如果模擬的星座和頻道過多，一個GPU運(yùn)轉(zhuǎn)不過來，那么則可以再增加一個GPU?？偟膩碚f，硬件是為軟件服務(wù)的，可根據(jù)功能進(jìn)行配置，完全不同于傳統(tǒng)的固定硬件，極大的節(jié)省了經(jīng)濟(jì)和時間成本。比如多車模擬中，如果需要模擬多個信號并同時模擬多種高級場景，則需要強(qiáng)大的GPU的支持。傳統(tǒng)的GNSS模擬器的GPU通道數(shù)不夠時，就沒有辦法生成模擬，但軟件定義的GNSS模擬器，由于能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件解耦，它的SDR和GPU都可以進(jìn)行集成，如下圖，這很好的體現(xiàn)了軟硬件解耦的優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)的基于FPGA的模擬器相比，虹科Orolia Skydel高級解決方案更加靈活、可擴(kuò)展、可定制、可升級和經(jīng)濟(jì)高效，它具備了頂級GNSS模擬器的性能，以及GPU/SDR架構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。虹科Orolia Skydel具有易于使用的API，包含數(shù)百個命令，能夠使用Python、C#和C++的開源客戶端庫構(gòu)建復(fù)雜和可重復(fù)的場景。它可以模擬所有星座、所有頻率的所有可見衛(wèi)星，具有1000Hz的迭代率和超高的動態(tài)，隨時隨地創(chuàng)建并更新場景。其高級干擾和欺騙功能允許用戶同時模擬多種威脅，自動確定每個信號之間的信號動態(tài)，節(jié)約時間成本。

• 在一個用戶界面中實現(xiàn)所有功能
• 通過直觀的UI和自動化輕松配置
• 支持所有主要的全球星座和頻率
• 多種API（Python、C#、C++、LabVIEW）
• 高級信號定制和場景創(chuàng)建
• 實時修改變量和參數(shù)
• 無需額外硬件即可集成干擾
• IQ文件生成和回放

另一個技術(shù)方向是智能化，也就是說，在API之上，一切皆可編程。智能化的核心要素是算法，隨著算法的進(jìn)步，智能化的水平將越來越高。同樣以GNSS模擬器為例，它的軟件部分能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)功能，而某些復(fù)雜的功能可以通過增加插件來完成，如果有些功能插件無法滿足，也可以自行通過提供的API進(jìn)行編程，實現(xiàn)用戶所需功能。軟件定義模擬器的插件功能如下：

提供不同功能的插件（閉源）：

• SKY-HIL – 硬件在環(huán)模型
• SKY-EXLI – 擴(kuò)展限制
• SKY-IQFILE – 允許保存IQ文件
• SKY-MULTI – 創(chuàng)建多個實例
• SKY-ADVJAM – 高級干擾模擬
• SKY-ADVSP – 高級欺騙模擬
• SKY-CSI – 用戶自定義信號
• SKY-PLG-SDK – 允許用戶開發(fā)插件

用戶通過二次開發(fā)開發(fā)自己的插件（開源）:

• API接口用于各種編程語言，如Python\C#\C++\LabVIEW

軟件定義的發(fā)展勢頭迅猛，并且快速向各個行業(yè)延伸。目前已有軟件定義無線電、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、軟件定義存儲、軟件定義汽車、軟件定義飛行器、軟件定義衛(wèi)星等?？梢哉f，當(dāng)下的時代是軟件定義時代，軟件定義將成為科技發(fā)展的重要推手。