基于SCA的軟件無線電系統(tǒng)的概念與架構(gòu)

1 軟件通信體系架構(gòu)SCA的基本概念
SCA：Software Communication Architecture，軟件通信架構(gòu)；繼承了軟件定義無線電SDR的核心設(shè)計思想，構(gòu)造了一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用軟硬件平臺，將各種功能，例如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來實現(xiàn)，通過在設(shè)備上面集成不同的通信軟件可以實現(xiàn)不同的通信模式和功能。SCA的源頭來自美國對于軟件定義無線電SDR的探索和發(fā)展，是SDR在通信架構(gòu)上重大突破，是目前實現(xiàn)高效通信、提升多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)通信的最佳方案，是未來軍事通信的重要發(fā)展方向。

海灣戰(zhàn)爭后，美軍發(fā)現(xiàn)自身無線電裝備靈活性極低，導(dǎo)致戰(zhàn)場上出現(xiàn)大量的“信息煙囪”和“信息孤島”，為打破軍用無線電裝備的信息壁壘，指導(dǎo)未來軍用通信體系建設(shè)，解決軍事電子信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通和一體化問題，美國國防部倡議的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）計劃將開發(fā)一種適用于所有軍種要求的電臺系統(tǒng)。為此，制定了SCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其目的是建立獨立于設(shè)備的軟件框架，確保軟件和硬件的可移植性和可配置性，并確保根據(jù)SCA開發(fā)的產(chǎn)品之間的互通，是一種開放式和模塊化的頂層設(shè)計體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。SCA的最終愿景是將復(fù)雜多樣的功能化軍用單體裝備過渡到高度綜合化的智能裝備，如圖所示

圖1-1無線電裝備的高度綜合化
將傳統(tǒng)的功能定義裝備逐步過渡替換成為軟件定義的智能裝備，實現(xiàn)裝備的簡易化，通過軟件加載的方式實現(xiàn)多個獨立功能電臺的綜合化使用。
2 軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)
OpenSCA操作環(huán)境是上海介方信息公司嚴(yán)格依據(jù)SCA4.1/SRTF標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范構(gòu)建，實現(xiàn)了SCA4.1/SRTF標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)接口，利用底層框架將復(fù)雜的硬件環(huán)境進行封裝抽象，并對其可靠性、安全性和運行效率加以管理，為運行于其上的波形等上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化接口和運行服務(wù)；支持高集成、一體式、嵌入式、分體式等軟件無線電系統(tǒng)中虛擬化資源池的構(gòu)建，以及軟件組件的調(diào)度管理、異構(gòu)通信；面向軍用通信、雷達、電子戰(zhàn)等多個領(lǐng)域，適用于手持、背負、車載、機載、艦載、星載等多種應(yīng)用場景，并正在向認知無線電、邊緣計算、云邊混合等前沿技術(shù)方向拓展?；赟CA的軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示。

圖2-1 軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)
2.1目標(biāo)平臺資源層
目標(biāo)平臺資源層（TRL，Target Resource Layer）是軟件無線電系統(tǒng)運行的硬件平臺設(shè)備，SCA技術(shù)將支撐軟件無線電運行的GPP、DSP、FPGA、射頻等硬件平臺設(shè)備虛擬化為可控制、可復(fù)用的平臺資源，根據(jù)應(yīng)用場景的不同調(diào)度不同的硬件資源、加載相應(yīng)的波形，實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的功能可重構(gòu)、軟件可重配、硬件可重組。

2.2環(huán)境抽象層
環(huán)境抽象層（EAL，Environment Abstraction Layer）是位于硬件驅(qū)動之上的軟件層，支持對GPP、DSP、FPGA及射頻等資源驅(qū)動接口的抽象，根據(jù)抽象對象顆粒度不同，分為系統(tǒng)級抽象接口、模塊級抽象接口、器件級抽象接口等。
通過向不同硬件廠商提供一致的硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境抽象層為上層軟件屏蔽底層硬件驅(qū)動接口的差異，實現(xiàn)上層軟件與底層硬件的解耦，提高上層軟件的可移植性。

2.3 SRTF操作環(huán)境
SRTF操作環(huán)境（OE，Operating Environment）界于目標(biāo)平臺資源和上層應(yīng)用之間，利用底層框架將復(fù)雜的硬件環(huán)境進行封裝抽象，并對其可靠性、安全性和運行效率加以管理，實現(xiàn)硬件平臺和上層應(yīng)用之間的解耦，為運行于其上的波形等上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化接口和運行服務(wù)；主要由操作系統(tǒng)、運行時環(huán)境、SRTF核心框架組成。

2.3.1 操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)通常采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，主要提供本地系統(tǒng)引導(dǎo)、硬件設(shè)備驅(qū)動、內(nèi)存管理、進程管理、任務(wù)實時調(diào)度等功能，為上層軟件提供滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的運行支撐。
OpenSCA SRTF操作環(huán)境支持Linux、VxWorks、銀河麒麟、道系統(tǒng)、SylixOS（官方版及各類擴展的翼輝系統(tǒng)）、天脈等操作系統(tǒng)，可擴展支持ReWorks、SightOS、元心等操作系統(tǒng)。

2.3.2 運行時環(huán)境
運行時環(huán)境（RTE，Runtime Environment）為核心框架及上層應(yīng)用提供運行支撐，適用于分布式異構(gòu)平臺，包括操作系統(tǒng)抽象接口、混合傳輸機制、傳輸機制抽象接口、平臺支持庫等。主要功能如下：
?支持jORB、jDDS、MHAL等多種中間件，為上層軟件提供基礎(chǔ)通信服務(wù)。
?為上層軟件屏蔽不同操作系統(tǒng)、傳輸機制的差異，可降低上層軟件與底層軟件平臺之間的耦合，提高上層軟件的可移植性。
?提供公共的平臺支持庫，簡化上層軟件開發(fā)。
?內(nèi)置豐富的標(biāo)準(zhǔn)化健康狀態(tài)采集與控制接口，采集平臺軟硬件的健康狀態(tài)，為上層健康管理應(yīng)用提供支撐。

2.3.3 SRTF核心框架
SRTF核心框架(CF，Core Framework)是SRTF操作環(huán)境的核心軟件，運行于軟件無線電終端，為終端設(shè)備提供資源調(diào)度與波形管理能力，包括啟動組件、框架控制組件、框架服務(wù)組件、xml文件解析組件等。
設(shè)計原則：
?符合SCA4.1及SRTF標(biāo)準(zhǔn)。
?采用模塊化設(shè)計，具有極強的伸縮性，可針對不同的應(yīng)用場景及不同的軟無系統(tǒng)架構(gòu)，配置不同的核心庫。
主要功能如下：
?提供波形加卸載、啟停、屬性配置與查詢等控制功能。
?提供邏輯設(shè)備、服務(wù)組件的啟停、屬性配置與查詢等控制功能。
?提供波形查詢、邏輯設(shè)備查詢、服務(wù)組件查詢等功能。
?提供動態(tài)部署、親和部署、通道部署等多種波形部署策略。
?提供分布式文件系統(tǒng)管理功能。
?提供組件之間的連接管理功能。

2.4 應(yīng)用層
應(yīng)用層（AL，Application Layer）是開發(fā)者基于SRTF操作環(huán)境開發(fā)的業(yè)務(wù)類服務(wù)，包括波形、邏輯設(shè)備、服務(wù)、健康管理以及自定義其他應(yīng)用。
波形是開發(fā)者根據(jù)軟無系統(tǒng)功能需求開發(fā)的一系列功能組件的組合，主要包括GPP波形組件、FPGA波形組件、DSP波形組件等。
邏輯設(shè)備是物理設(shè)備的代理，實現(xiàn)對物理設(shè)備的操作控制；為波形等應(yīng)用與物理設(shè)備的交互提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口，屏蔽底層設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn)。
服務(wù)組件是為各類上層應(yīng)用提供公共服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，為上層應(yīng)用提供訪問平臺軟件資源的標(biāo)準(zhǔn)接口。

2.5 sdrIDE集成開發(fā)環(huán)境
sdrIDE集成開發(fā)環(huán)境是面向軟件無線電系統(tǒng)，集波形建模、部署、監(jiān)控、調(diào)試等功能為一體的集成開發(fā)環(huán)境工具鏈，主要包括建模工具、部署工具、監(jiān)控工具、鏡像構(gòu)建器、系統(tǒng)調(diào)試器等；采用全流程模型驅(qū)動的方式支撐用戶進行波形開發(fā)，使過程資產(chǎn)復(fù)用達到最大化。
sdrIDE集成開發(fā)環(huán)境各工具之間的工作流程關(guān)系如下圖所示，鏡像構(gòu)建器可提供SRTF操作環(huán)境源碼開放，幫助用戶根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求對SRTF操作環(huán)境鏡像進行定制化開發(fā)；建模工具用于幫助開發(fā)者快速完成平臺、波形等模型的構(gòu)建；部署工具將開發(fā)平臺下完成建模的組件、平臺包等模型快速部署到運行平臺；系統(tǒng)調(diào)試器提供精細化的狀態(tài)監(jiān)測與管理控制，實現(xiàn)對波形、平臺資源的深度調(diào)試；監(jiān)控工具幫助用戶對目標(biāo)系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測和管理控制。

圖2-2 sdrIDE工具鏈工作流程

審核編輯 黃宇