李欣宇

（中國西南電子技術(shù)研究所 通信部，四川 成都610036）

0 引 言

SCA是一個(gè)基于CORBA的規(guī)范［1］，也是軟件無線電事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，基于SCA開發(fā)的通信系統(tǒng)具有可移植性好、互操作性強(qiáng)、易于重用等特點(diǎn)［2］。然而，在某個(gè)基于SCA的通信系統(tǒng)的研制過程中，基于CORBA的SCA架構(gòu)無法滿足實(shí)時(shí)性較高的應(yīng)用，同時(shí)也存在著冗余度大、單個(gè)軟件組件無法在運(yùn)行時(shí)故障重構(gòu)等問題。DDS是由對象管理組織發(fā)布的和CORBA處于同一層次且兼容的規(guī)范［3］，它可以滿足以數(shù)據(jù)為中心的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求［4］。本文利用CORBA和DDS互補(bǔ)兼容的特點(diǎn)，提出了一種將DDS集成到SCA架構(gòu)中的方案，并通過工程實(shí)踐表明該方案能很好地彌補(bǔ)SCA架構(gòu)存在的不足。

1 SCA簡介及不足之處

2000年之前，美軍大多數(shù)舊電臺系統(tǒng)不具備可重用性，新波形的引進(jìn)常常導(dǎo)致舊設(shè)備的直接淘汰，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，美國的聯(lián)合編程辦公室 為 聯(lián) 合 戰(zhàn) 術(shù) 無 線 電 系 統(tǒng) （joint tactical radio system，JTRS）發(fā)布了軟件通信體系結(jié)構(gòu) （software communication architecture，SCA）規(guī)范。SCA通過公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu) （common object request broker architecture，CORBA）定義了一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)框架和通用結(jié)構(gòu)，使得通信系統(tǒng)開發(fā)的軟件和硬件可以分離，它的宗旨是：通過在同一硬件平臺上加載不同的波形組件以實(shí)現(xiàn)不同的功能，也可根據(jù)特定的需要對系統(tǒng)進(jìn)行部分升級，從而最大化地利用系統(tǒng)資源，目前最新的版本是2012年發(fā)布的4.0版本［5］。SCA將硬件描述為抽象的類，當(dāng)設(shè)備不斷變化時(shí)，也能對千差萬別的硬件進(jìn)行統(tǒng)一的描述；SCA將各種波形軟件模塊化，以組件的方式描述波形應(yīng)用中不同軟件的層次?？梢?，SCA是一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)的平臺，隔離了底層硬件與波形組件，讓系統(tǒng)重用和升級變得簡單，減少了支持和操作成本。從理論上看起來一切都很美好，但是從我們工程實(shí)踐來看，基于SCA構(gòu)建的通信系統(tǒng)存在一些不足，讓我們從一個(gè)實(shí)例的介紹開始。

在基于SCA的通信系統(tǒng)中，雖然很多功能都是用軟件實(shí)現(xiàn)的，但也需要一個(gè)硬件平臺作為軟件的載體，當(dāng)然也包括了用于收、發(fā)信號的射頻前端。圖1為一個(gè)基于SCA的超短波數(shù)傳通信系統(tǒng)的架構(gòu)。在這個(gè)平臺上，通過加載不同的波形組件，可以實(shí)現(xiàn)最小頻移鍵控 （minimum shift keying，MSK）、直接序列擴(kuò)頻 （direct sequence spread spectrum，DS）和 跳 頻 （frequency－h(huán)opping spread spectrum，F(xiàn)H）3種波形應(yīng)用。發(fā)射信號時(shí)，數(shù)據(jù)源經(jīng)過編碼處理后，依次通過D／A轉(zhuǎn)換、上變頻，最后通過射頻前端發(fā)送；接收信號時(shí)，會先由射頻前端進(jìn)行射頻處理，依次經(jīng)過下變頻，中頻處理和A／D變換完成從模擬信號到數(shù)字信號的處理環(huán)節(jié)，最后進(jìn)行軟件部分的信號處理。SCA核心框架可以加載、部署波形組件的硬件平臺主要是現(xiàn)場可編程門陣列 （field－programmable gate array，F(xiàn)PGA）、數(shù)字信號處理器 （digital signal processor，DSP）和通用處理器 （general purpose processor，GPP）。在此平臺上用FPGA實(shí)現(xiàn)信號的處理，主要包括數(shù)字下變頻、擴(kuò)頻、解擴(kuò)等功能；運(yùn)算速率較大的一些組件，比如編解碼器和快速傅里葉變換等會被加載到DSP上；實(shí)現(xiàn)各個(gè)波形組件管理和控制功能的核心框架、協(xié)議處理以及人機(jī)界面等運(yùn)算量不大的組件則放在GPP上運(yùn)行。FPGA、DSP、GPP節(jié)點(diǎn)間通過帶寬為4G的RapidIO高速總線互聯(lián)，CORBA總線采用e＊ORB。

圖1 超短波通信系統(tǒng)架構(gòu)

以運(yùn)行FH波形應(yīng)用為例，F(xiàn)H波形一共有3個(gè)軟件組件，需要部署在FPGA、DSP、GPP上，名字分別為FNode，DNode，GNode。按照SCA的要求，這3個(gè)組件均實(shí)現(xiàn)了Resource接口，并且通過擴(kuò)展Port類實(shí)現(xiàn)了FH波形需要的API函數(shù)。根據(jù)SCA標(biāo)準(zhǔn)，波形組件的啟動是在ApplicationFactory的create函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，流程如圖2所示。

圖2 波形啟動流程

我們對FH波形的功能、性能以及系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了綜合評測，總結(jié)出基于SCA的通信系統(tǒng)有以下不足：

（1）系統(tǒng)耦合性高、冗余度大：SCA組件間的數(shù)據(jù)交互全部基于CORBA遠(yuǎn)程函數(shù)調(diào)用［6］，需要命名服務(wù)器才能完成通信，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間在啟動通信之前均需要在命名服務(wù)器上去取得對方的對象引用并保存到本地程序空間，當(dāng)增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的耦合性呈指數(shù)級的增長。

（2）實(shí)時(shí)性不高：CORBA通信需要在硬件總線上實(shí)現(xiàn)GIOP （general inter－ORB protocol）和IIOP （internet inter－ORB protocol）的協(xié)議棧，這會占用較大的軟件開銷，在實(shí)時(shí)性要求較高的場合效果并不好。例如，在圖1所示的環(huán)境上測試，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信時(shí)延達(dá)到25ms，無法滿足FH波形的要求。

（3）無法運(yùn)行時(shí)重構(gòu)，靈活性較差：SCA要求所有的波形組件作為一個(gè)整體安裝、創(chuàng)建、運(yùn)行，如果一個(gè)波形的某一個(gè)組件損壞，整個(gè)應(yīng)用將不能正常運(yùn)行，必須要由操作員進(jìn)行釋放、卸載整個(gè)應(yīng)用，然后再安裝、創(chuàng)建新的應(yīng)用并啟動新應(yīng)用的邏輯處理［7］。

（4）組件之間同步耗費(fèi)較多的開銷：如圖2所示，核心框架調(diào)用getPort和connectPort均是為了建立組件之間的同步連接，當(dāng)組件較多時(shí)，過程會更復(fù)雜，開銷更大，拖慢波形啟動的速度。

有沒有解決這些問題的方法？在回答這個(gè)問題之前，我們先介紹一下 DDS （data distribution service）技術(shù)的特點(diǎn)，并與CORBA技術(shù)做一個(gè)比較。

2 關(guān)于DDS

2.1 DDS簡介

DDS是一套互聯(lián)、互通協(xié)議規(guī)范和應(yīng)用編程接口，它定義了一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布／訂閱機(jī)制，數(shù)據(jù)由應(yīng)用方發(fā)布，對該數(shù)據(jù)感興趣的遠(yuǎn)程應(yīng)用訂閱數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對象用“主題”進(jìn)行標(biāo)識，由接口定義語言 （interface definition language，IDL）定義，如圖3所示。通過這種發(fā)布／訂閱機(jī)制，DDS構(gòu)建了一個(gè)共享的 “全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”，系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都掛載在此 “全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”上，通過DDS規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)接口完成數(shù)據(jù)的交互，DDS有效的降低了系統(tǒng)各種組件之間的耦合性，很容易構(gòu)建一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心、可擴(kuò)展、與平臺和位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)發(fā)布者均有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)寫入者，發(fā)布者的作用是發(fā)布寫入者寫入的數(shù)據(jù)。訂閱者主要負(fù)責(zé)接收發(fā)布的數(shù)據(jù)并使數(shù)據(jù)能被數(shù)據(jù)讀入者處理。主題用于聯(lián)系發(fā)布和訂閱，是通信雙方聯(lián)系的唯一紐帶。

圖3 DDS系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 DDS和CORBA的比較

通過比較分析，在數(shù)據(jù)通信這個(gè)層面上DDS相對于CORBA有以下優(yōu)勢：

（1）降低系統(tǒng)的冗余度，提高了靈活性：在CORBA結(jié)構(gòu)中，各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)是一種緊耦合的結(jié)構(gòu)，任一通信節(jié)點(diǎn)均要保留遠(yuǎn)程通信對象的引用才能完成通信，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而在DDS網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是松耦合的關(guān)系，參與通信的節(jié)點(diǎn)并不知道對方的信息，節(jié)點(diǎn)之間的通信僅僅需要一個(gè)主題就能完成。

（2）提高通信效率，降低網(wǎng)絡(luò)延遲：CORBA是C／S（client／server）的通信模式，客戶端向服務(wù)器端請求數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)中需要一個(gè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器來處理并提供數(shù)據(jù)。在這種網(wǎng)絡(luò)方式下，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)它們會并行的向服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器需要耗費(fèi)較長的時(shí)間來處理這些請求，使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增加，造成了網(wǎng)絡(luò)延遲。DDS網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間是一種對等網(wǎng)的關(guān)系，不需要中心服務(wù)器的連接，而且DDS底層協(xié)議棧并不復(fù)雜，不需要太大的軟件開銷，這大大提高了通信的效率和實(shí)時(shí)性。

（3）提供質(zhì)量服務(wù) （quality of service，Qos）：CORBA僅有有限的定制能力，而DDS提供23個(gè)Qos。通過使用DDS的Qos可以在不產(chǎn)生額外工作的前提下實(shí)現(xiàn)對數(shù)傳過程以及對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制，為上層應(yīng)用提供極大的方便［8］。

3 用DDS擴(kuò)充SCA

簡而言之，SCA是一套接口，運(yùn)行規(guī)范和規(guī)則的定義，通過這些定義實(shí)現(xiàn)了軟件模塊化、可移植和可重用［9］。而DDS是一套在分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)，具有發(fā)布主題數(shù)據(jù)，訂閱主題數(shù)據(jù)等功能。SCA的特色是可以通過加載不同的軟件組件而在同一硬件平臺上實(shí)現(xiàn)不同的波形，但是因?yàn)槠浠贑ORBA，在數(shù)據(jù)通信這個(gè)層面上的效果并不好。而DDS正是為了解決數(shù)據(jù)通信問題而提出的一個(gè)規(guī)范，它屏蔽通信網(wǎng)絡(luò)的底層細(xì)節(jié)，提供一個(gè)平臺無關(guān)、位置無關(guān)、高效、靈活的模型。因此從本質(zhì)上講，SCA和DDS是兩項(xiàng)互補(bǔ)的技術(shù)。SCA提供在硬件平臺上加載、管理各個(gè)波形組件的方法，而DDS為各個(gè)波形組件提供了簡單、高效的數(shù)傳服務(wù)。它們解決的是系統(tǒng)中不同方面的問題，而兩者又都具有平臺無關(guān)、語言無關(guān)、接口用IDL描述等特點(diǎn)。因此新的軟件方案在保證SCA兼容的前提下，采用 “各取所長”的原則，用DDS的優(yōu)勢來彌補(bǔ)SCA的不足。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思路是：波形組件的部署、加載和運(yùn)行完全遵守SCA規(guī)范，各個(gè)波形組件之間的數(shù)據(jù)通信不用CORBA而采用DDS。為后續(xù)描述方便，簡稱引入DDS之前的方案為舊版方案，引入DDS之后的為新版方案。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

在舊版方案中，基于SCA的通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括核心框架設(shè)計(jì)和基于CORBA的波形組件API設(shè)計(jì)，在新版方案中變?yōu)楹诵目蚣茉O(shè)計(jì)和基于DDS的接口設(shè)計(jì)兩部分。

3.1.1 核心框架設(shè)計(jì)

新版方案保持了原有核心框架接口和域描述文件格式的不變，加載各個(gè)波形組件的流程和規(guī)則也與舊版方案一致。區(qū)別在于波形組件的構(gòu)成，各個(gè)繼承自Resource的波形組件不再實(shí)現(xiàn)getPort接口即不再對外提供實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能的Port對象，同時(shí)去掉SAD （software assembly descriptor）文件中描述各個(gè)波形組件間連接信息的內(nèi)容即刪除connection標(biāo)簽，因此，核心框架加載波形應(yīng)用時(shí)將只加載并運(yùn)行各個(gè)波形組件，不會去建立波形組件之間的連接，也不會處理波形組件之間的數(shù)據(jù)同步，和數(shù)傳相關(guān)的工作都由DDS完成，軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 新版方案架構(gòu)

3.1.2 DDS接口設(shè)計(jì)

組件的接口設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)基于SCA的系統(tǒng)來說是一個(gè)比較關(guān)鍵的工作。新版方案的核心框架只負(fù)責(zé)軟件的加載和部署，因此在DDS接口設(shè)計(jì)中，需要完成接口定義、波形組件間的連接建立和數(shù)據(jù)同步這三方面的工作。

（1）接口定義

雖然SCA和DDS都是采用IDL來描述接口，但SCA的接口基于CORBA函數(shù)調(diào)用，而DDS是一種消息中間件，它只能定義消息結(jié)構(gòu)，無法定義組件之間的函數(shù)接口。新版方案采用主題＋I(xiàn)DL的方式解決了這個(gè)問題，函數(shù)接口是由 “函數(shù)名＋參數(shù)”定義的，CORBA函數(shù)名正好對應(yīng)到DDS的主題，CORBA函數(shù)的參數(shù)對應(yīng)到DDS主題標(biāo)識的IDL數(shù)據(jù)。以設(shè)置請求發(fā)送 （request to send，RTS）的CORBA接口為例，其定義為：

新版方案將這個(gè)接口的主題定義為 “setRts”，其對應(yīng)的IDL定義為：

在新版方案中，將舊版方案中所有用來數(shù)傳通信的CORBA接口全部以這種方式替換為DDS接口。因?yàn)檫@些DDS接口都是在各個(gè)組件的代碼中實(shí)現(xiàn)，并不牽涉到SCA架構(gòu)，所以這不會影響到系統(tǒng)的SCA兼容性。

（2）組件之間連接建立

DDS的組件之間是位置無關(guān)的，數(shù)據(jù)交互是用 “主題”這個(gè)紐帶來實(shí)現(xiàn)即組件間的連接是DDS中間件去完成的，因此新版方案不用考慮這個(gè)問題。

（3）組件之間數(shù)據(jù)同步

因?yàn)樾掳娣桨傅暮诵目蚣芾餂]有實(shí)現(xiàn)波形組件之間的數(shù)據(jù)同步，即有可能出現(xiàn)這種情況：當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送方先啟動，接收方隨后才啟動，這時(shí)就無法保證數(shù)傳過程的完整。DDS提供了一個(gè)質(zhì)量服務(wù)DurabilityQos解決了這個(gè)問題，它通過網(wǎng)絡(luò)存儲的方式保證后加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能接收到之前在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖5描述了DurabilityQos的一個(gè)典型應(yīng)用，可見通過使用DurabilityQos可以很容易地解決組件間的數(shù)據(jù)同步的問題。

圖5 DurabilityQos

3.2 軟件方案對比

新版方案中啟動波形的流程如圖6所示。

相對于舊版方案，新版方案有以下幾方面的改進(jìn)：

（1）啟動波形的步驟減少：核心框架只需要完成波形組件加載、部署、啟動即可，無需花費(fèi)時(shí)間去完成波形組件之間連接的建立、數(shù)據(jù)的同步，這些事情都交給DDS中間件去完成了。

（2）冗余度降低：組件間采用DDS，可直接進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信，不需要開啟任何第三方服務(wù)器。相對于CORBA通信需要建立連接，開啟命名服務(wù)，新版方案降低了系統(tǒng)的冗余度。

圖6 新版方案波形加載

（3）單個(gè)波形組件可重構(gòu)：在新版方案中，波形組件和核心框架之間只有加載的接口。每個(gè)波形組件啟動后，組件只需通過 “主題”就可以完成通信功能，因此當(dāng)某一個(gè)波形組件故障時(shí)，可以通過人工重啟的方式完成重構(gòu)［10］。而在舊版方案中，無法實(shí)現(xiàn)單個(gè)組件模塊的重構(gòu)。

3.3 性能對比

在舊版方案環(huán)境的基礎(chǔ)上添加DDS中間件就構(gòu)成了新版方案的測試環(huán)境，DDS產(chǎn)品使用的是RTI－DDSv4.5。我們還是用FH波形作為測試用例，在波形加載速度、數(shù)傳時(shí)延、可重構(gòu)性等方面對新版方案和舊版方案進(jìn)行了綜合的評測和對比，其結(jié)果表明新版方案優(yōu)于舊版方案，見表1。

表1 對比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文首先說明了在工程實(shí)踐中基于SCA構(gòu)建的通信系統(tǒng)存在的不足之處，即冗余度大、實(shí)時(shí)性低、無法故障恢復(fù)。然后介紹了造成這些短板的原因是組件之間采用CORBA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。接著討論了DDS技術(shù)，并把DDS和CORBA做了詳細(xì)的比較，指出DDS在數(shù)據(jù)通信這個(gè)層面上優(yōu)于CORBA，分析了將DDS技術(shù)引入SCA框架的可行性。最后介紹了新版方案，并通過測試和比較證明了新版方案優(yōu)于舊版方案。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：在完全保持SCA規(guī)范兼容的前提下，用DDS來實(shí)現(xiàn)波形組件間的通信，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性和可靠性。

：

［1］Modular software－programmable radio consortium ［R］.Software Communication Architecture （Version2.2.2）. Washington，JTRS Joint Program Office，2006.

［2］CHENG Feifei.Development of DSSS waveform based on software communication architecture ［J］.Telecommunication Engineer，2008，49 （4），65－69 （in Chinese）. ［陳飛飛.基于SCA的直接序列擴(kuò)頻通信波形的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.電訊技術(shù)，2009，49 （4）：65－69.］

［3］Object Management Group （OMG）.Data distribution service for real－time system specification ［S］.Version1.2，2007.

［4］YAO Bin.Design and implementation of data distribution service based on DDS ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30（3）：619－625 （in Chinese）.［姚兵.基于 DDS模型的數(shù)據(jù)分發(fā)中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（3）：619－625.］

［5］Modular software－programmable radio consortium.software communication architecture （version4.0）［R］.Washington，JTRS Joint Program Office，2012.

［6］LI Yaping.Application of CORBA technology for SCA system［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （16），4200－4203 （in Chinese）.［李雅萍.CORBA技術(shù)在SCA系統(tǒng)中的 應(yīng) 用 ［J］. 計(jì) 算 機(jī) 工 程 與 設(shè) 計(jì)，2008，29 （16）：4200－4203.］

［7］ZHONG Pengfei.A runtime self－refactoring and compatible extension solution of SCA reference ［J］.Micro Computer Information，2009，25 （1－3）：116－118 （in Chinese）. ［鐘鵬飛.一種運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)的SCA規(guī)范兼容擴(kuò)展方案 ［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25 （1－3）：116－118.］

［8］YANG Chuanshun.Research on quality of service of real－time data distribution system ［J］.Computer Technology and Development，2011，21 （5）：231－234 （in Chinese）.［楊傳順.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量控制的研究 ［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21 （5）：231－234.］

［9］ZHAO Qiuming.Study of minimum core framework based on software communication architecture ［J］.Computer Measurement ＆ Control，2010，18 （5）：1145－1147 （in Chinese）.［趙秋明.基于SCA的小型化核心框架研究 ［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18 （5）：1145－1147.］

［10］YANG Shuhui.Research on correctness preservation during system reconfiguration in data distribution service for real－time system（DDS）［J］.Ship Electronic Engineering，2009，29 （1）：5－8（in Chinese）.［楊曙輝.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)重構(gòu)正確性保證研究 ［J］.艦船電子工程，2009，29 （1）：5－8.］