楊貞萍　劉海峰　何曉苑　丁磊

摘要：為了適應(yīng)并促進(jìn)軟件無線電應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，提出一種基于系統(tǒng)體系（System Of System， SOS）的概念和面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)計(jì)方法。通過對(duì)軟件無線電系統(tǒng)體系和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法特性的分析，確定使用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法的合理性。以一個(gè)簡(jiǎn)要的軟件無線電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)為例，使用系統(tǒng)建模語言 （System Modeling Language， SysML），介紹面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)具體步驟。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：軟件無線電；SOS；面向?qū)ο?；SysML

DOIDOI：10.11907/rjdk.143822

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002003103

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：楊貞萍（1987-），女，江蘇溧陽人，碩士，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所工程師，研究方向?yàn)闊o線電應(yīng)用技術(shù)。

0引言

軟件無線電系統(tǒng)具有開放、標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的特性，同時(shí)具有較高數(shù)據(jù)吞吐率的硬件體系結(jié)構(gòu)＼[1＼]，已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、測(cè)控等軍事網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著此類系統(tǒng)工程的日益龐大，傳統(tǒng)從下而上的大系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方式，已經(jīng)無法滿足應(yīng)用體系的構(gòu)建需求。系統(tǒng)體系（System of System，SOS），又稱“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，為此類大型應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種解決方案。

系統(tǒng)體系將系統(tǒng)描述成由眾多組件系統(tǒng)（Component System）集結(jié)而成＼[2＼]、組織關(guān)系松散的自適應(yīng)體系，尤其適合于構(gòu)建軟件無線電系統(tǒng)這樣一個(gè)由若干個(gè)天線、數(shù)字接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、控制計(jì)算機(jī)和數(shù)傳板等有限硬件和大量信號(hào)處理軟件組件集成的相互協(xié)作的復(fù)雜系統(tǒng)。

在以往軟件無線電系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)過程中，通常采用面向過程的設(shè)計(jì)方法。由于面向過程的設(shè)計(jì)方法傾向于針對(duì)特定需求開發(fā)一種相對(duì)穩(wěn)定的集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（內(nèi)向型體系結(jié)構(gòu)），而軟件無線電的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬泛，應(yīng)用的作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜、作戰(zhàn)使命千變?nèi)f化，系統(tǒng)組成日益復(fù)雜，使用面向過程的開發(fā)思想，顯然已難以滿足軟件無線電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)的要求。相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法自始至終保持連貫可重用性，具備良好的擴(kuò)展性，這種自底向上歸納和自頂而下分解相結(jié)合的方法，更適用于軟件無線電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)。

本文將面向?qū)ο蟮乃枷胍胲浖o線電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)中，以系統(tǒng)建模語言（System Modeling Language， SysML）為建模工具，舉例說明一個(gè)典型的軟件無線電系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)過程。通過分析這種面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)計(jì)方法，指出其應(yīng)用價(jià)值。

1軟件無線電系統(tǒng)體系

系統(tǒng)體系是一系列以任務(wù)為導(dǎo)向的專用系統(tǒng)的集合，集合而成的新系統(tǒng)不只是原有組件系統(tǒng)功能和性能的簡(jiǎn)單堆砌，而是能夠根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和不斷變化的需求進(jìn)行重組，完成固定系統(tǒng)所不能達(dá)到的系統(tǒng)目標(biāo)。系統(tǒng)體系具有組件系統(tǒng)自治管理、相互協(xié)作、松耦合集成的特點(diǎn)，并具有能夠根據(jù)需求變化柔性應(yīng)對(duì)的特性。本文將系統(tǒng)體系的概念引入軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，目的就是根據(jù)軟件無線電的特點(diǎn)尋找一種適合軟件無線電系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)方法。將軟件無線電的組件系統(tǒng)定義為各自獨(dú)立的分系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)體系視為使用方，每個(gè)組件分系統(tǒng)視為提供方，則一個(gè)具備SOS特性的典型的總線式軟件無線電體系結(jié)構(gòu)可用圖1來表示。

從圖1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)組件提供方負(fù)責(zé)建立、維護(hù)、升級(jí)和發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)，如適應(yīng)不同工作性能、狀態(tài)和環(huán)境的信號(hào)處理組件。所有組件系統(tǒng)均按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保證技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并分類、分層管理，定期發(fā)布組件索引庫(kù)，提供指標(biāo)、接口和能力等條件的搜索接口。

使用方在搭建軟件無線電系統(tǒng)時(shí)，首先根據(jù)系統(tǒng)需求明確執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接口協(xié)議和總線系統(tǒng)，分析系統(tǒng)需要的組件類，并分解、計(jì)算出組件接口和指標(biāo)，然后根據(jù)這些因素在組件系統(tǒng)指標(biāo)庫(kù)中搜索適用的標(biāo)準(zhǔn)組件，通過搭積木的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

由此可見，使用方不需要關(guān)注組件的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在分析系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接口和指標(biāo)能力上，從標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)中選擇最優(yōu)的模塊組合，從而實(shí)現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)體系根據(jù)需求狀態(tài)而“柔性”變化。同時(shí)，相對(duì)統(tǒng)一的組件系統(tǒng)指標(biāo)庫(kù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也可以保證不同軟件無線電系統(tǒng)之間的橫向復(fù)用性。

圖1總線式軟件無線電系統(tǒng)體系

2面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)過程

2.1面向?qū)ο笏枷肱c建模語言

起源于軟件工程領(lǐng)域的面向?qū)ο笏枷?，?qiáng)調(diào)從客觀世界固有的事物出發(fā)，用人們認(rèn)知世界和描述客觀事物的思維習(xí)慣，強(qiáng)調(diào)客觀事物的對(duì)象映射，對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)系如實(shí)地反映客觀事物及其關(guān)系。使用面向?qū)ο蠓椒梢员ＷC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可重用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

SysML是在UML2.0基礎(chǔ)上外擴(kuò)的一種面向?qū)ο蠼ＵZ言，支持包括美軍的國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架（Department Of Defense Architecture Framework， DODAF）和我軍的C4ISR （Command、Control、Communications、Computers、Intelligence、Surveillance、Reconnaissance）系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。SysML能對(duì)系統(tǒng)工程的各種問題進(jìn)行建模，適用于系統(tǒng)工程的不同階段，特別是在系統(tǒng)工程的詳細(xì)說明階段和設(shè)計(jì)階段，使用SysML來說明需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能行為和分配非常有效＼[3＼]。因此，可以使用SysML對(duì)具有面向?qū)ο笏枷氲能浖o線電系統(tǒng)體系進(jìn)行建模。

SysML的圖形分類如圖2所示，共定義了9種視圖，分為4類，即需求圖、結(jié)構(gòu)圖、行為圖和參數(shù)圖。行為圖包括活動(dòng)圖、時(shí)序圖、狀態(tài)圖和用例圖；結(jié)構(gòu)圖包括塊圖、內(nèi)部塊圖和包圖。在完成系統(tǒng)建模的過程中，可以根據(jù)需要選取SysML中9種視圖中的任意組合進(jìn)行分析描述。

2.2軟件無線電系統(tǒng)體系的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)過程

眾所周知，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法具有抽象性、封裝性、繼承性和多態(tài)性。利用其抽象性，將每個(gè)組件系統(tǒng)視為一個(gè)類或者對(duì)象，從而確保組件系統(tǒng)的管理獨(dú)立；利用其封裝性，保證組件系統(tǒng)獨(dú)立操作的能力；利用其繼承性保證組件系統(tǒng)的演化發(fā)展；利用其多態(tài)性保證組件系統(tǒng)在不同軟件無線電系統(tǒng)中的呈現(xiàn)行為；面對(duì)對(duì)象的設(shè)計(jì)方法對(duì)組件系統(tǒng)的地理位置無特殊要求。通過以上分析可以看出，面向?qū)ο蟮囊陨纤拇筇匦钥梢詽M足系統(tǒng)體系的五大特征，因此，在復(fù)雜的軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，能夠始終保持系統(tǒng)體系的“柔性”特征。

圖2SysML視圖結(jié)構(gòu)

使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行軟件無線電系統(tǒng)體系開發(fā)，須遵循兩個(gè)基本原則：“自頂向下，寬度適當(dāng)”和“基于信息的交互”＼[4＼]。體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品描述的首要原則就是“自頂向下，寬度一致”＼[5＼]。所謂的自頂向下就是將軟件無線電系統(tǒng)視為一個(gè)“黑箱”，依據(jù)對(duì)其應(yīng)用需求的分析，將這個(gè)“黑箱”劃分為天線、接收機(jī)，處理機(jī)和控制臺(tái)等頂層組件，再分別對(duì)這些組件逐層分解成二級(jí)組件、三級(jí)組件……隨著分解層數(shù)的增加，分解的組件成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，將導(dǎo)致管理和研制成本的急劇增加，因此要根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)特性適度控制分級(jí)的層數(shù)；同時(shí)，為了避免分解層次的“煙囪式結(jié)構(gòu)”，也需要控制分解粒度，即控制每一個(gè)組件組成的橫向?qū)挾?。一個(gè)軟件無線電系統(tǒng)被自頂而下地從系統(tǒng)級(jí)分解到分系統(tǒng)級(jí)，從分系統(tǒng)級(jí)分解到單機(jī)級(jí)，再?gòu)膯螜C(jī)級(jí)分解到獨(dú)立的子模塊級(jí)，在完成系統(tǒng)體系架構(gòu)的同時(shí)，也保證了系統(tǒng)的縱向重用性和橫向擴(kuò)展性。

按照面向?qū)ο蠓椒?，系統(tǒng)體系中每個(gè)模塊可以抽象為一個(gè)類。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在構(gòu)建軟件無線電系統(tǒng)時(shí)，以無線電信息的獲取、處理、傳輸和應(yīng)用為主線，將系統(tǒng)工作過程中涉及的模塊映射為一個(gè)個(gè)相互交互的類或者對(duì)象，依據(jù)模塊的接口、能力等確定類的輸入和輸出元素，使用對(duì)象、類之間基于數(shù)據(jù)的交互機(jī)制來實(shí)現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)內(nèi)部組件之間的信息交互。

基于以上設(shè)計(jì)原則，使用SysML建模語言和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法來描述軟件無線電系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)過程，可以分為4個(gè)步驟：建立需求模型、確定結(jié)構(gòu)模型、明確模塊之間的交互模型、設(shè)置參數(shù)模型。本文以圖1中所示的總線式軟件無線電系統(tǒng)體系為例，描述面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的4個(gè)步驟。按照系統(tǒng)特性和關(guān)鍵技術(shù)要求等因素可以對(duì)軟件無線電系統(tǒng)的組件系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步分解，在分解建模的過程中，可以選取SysML中9種視圖中的任意組合進(jìn)行分析描述。

2.2.1系統(tǒng)需求模型建立

利用需求模型建立系統(tǒng)需求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，一個(gè)簡(jiǎn)易的軟件無線電系統(tǒng)需求可以描述為如圖3所示。需求模型按照層次化的方式描述系統(tǒng)需求之間、需求與其它需求之間的關(guān)系。

圖3軟件無線電系統(tǒng)需求模型

如圖3所示，一個(gè)簡(jiǎn)易的軟件無線電系統(tǒng)需求包括總體需求、功能需求、性能需求和資源需求等基本需求，并可以在基本需求的基礎(chǔ)上從橫向和縱向上擴(kuò)展，豐富系統(tǒng)的需求描述。

2.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模

系統(tǒng)需求描述完以后需要進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模?？梢允褂肧ysML中的塊定義圖和內(nèi)部塊定義圖對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行描述。塊定義圖是對(duì)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層級(jí)化的可視化定義和展示，模塊層級(jí)化關(guān)系包括組合關(guān)系、聚合關(guān)系和泛化關(guān)系等。內(nèi)部塊圖從模塊組件如何相互連接的角度來描述模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況和聯(lián)系方式。一個(gè)簡(jiǎn)易的軟件無線電系統(tǒng)的塊視圖如圖4所示，圖中頂層為軟件無線電系統(tǒng)（系統(tǒng)），其中數(shù)傳系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)字接收機(jī)和天線是其固有資源（資源），信號(hào)分析處理機(jī)可以在不同系統(tǒng)中應(yīng)用是其臨時(shí)資源（實(shí)體）。

圖4軟件無線電系統(tǒng)模塊

2.2.3系統(tǒng)交互模型確立

系統(tǒng)需求和結(jié)構(gòu)特征固化了以后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是要明確系統(tǒng)組件之間的行為關(guān)系。SysML中提供了活動(dòng)圖、用例圖、狀態(tài)圖和時(shí)序圖4種視圖來表示系統(tǒng)的行為特征。根據(jù)軟件無線電系統(tǒng)體系的特點(diǎn)，可以選時(shí)序圖作為內(nèi)部組件交互關(guān)系的主要視圖描述。

2.2.4系統(tǒng)參數(shù)模型設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后一步是設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)及關(guān)系，以表示各個(gè)組件屬性值之間的耦合關(guān)系，以及各屬性值的變化對(duì)其它屬性的影響程度，如軟件無線電系統(tǒng)中采樣速率和帶寬之間的參數(shù)關(guān)系。借助于SysML建模方法，可以使用SysML的參數(shù)圖來描述系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)方面的要求、約束及關(guān)系、定義系統(tǒng)屬性以及屬性之間的關(guān)系。

通過以上4個(gè)步驟完成軟件無線電系統(tǒng)體系的分解，建立需求模型、結(jié)構(gòu)模型、交互模型和參數(shù)模型，分別從不同的角度對(duì)總線式軟件無線電系統(tǒng)進(jìn)可視化描述，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3面向?qū)ο筌浖o線電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值

使用面向?qū)ο筌浖o線電系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)方法，可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只關(guān)注某個(gè)層次的組件設(shè)計(jì)、組件屬性和組件之間的關(guān)系，而不需要深入到各個(gè)組件的內(nèi)部詳細(xì)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，采用面向?qū)ο笙到y(tǒng)體系設(shè)計(jì)方法具有廣泛的優(yōu)勢(shì)，兩者特性比較如表1所示。

從表1可以看出，面向?qū)ο篌w系系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)組件抽象成一個(gè)類或者對(duì)象，保證了系統(tǒng)的封裝性和繼承性。其系統(tǒng)體系特性具備擴(kuò)展性，子系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)松耦合、動(dòng)態(tài)組合和自治管理。這種設(shè)計(jì)方式非常適用于軟件無線電系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，能夠滿足越來越復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和需求多變性要求。

4結(jié)語

本文將系統(tǒng)體系的概念和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想引入軟件無線電系統(tǒng)開發(fā)中，提出了一種軟件無線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。以一個(gè)總線式軟件無線電系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)頂層開始分解，將組件系統(tǒng)抽象成一個(gè)獨(dú)立的類或者對(duì)象，使用當(dāng)前流行的系統(tǒng)建模語言SysML進(jìn)行系統(tǒng)建模。利用這種逐層分解、分析建模的設(shè)計(jì)方法，可以使軟件無線電系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)具有面向?qū)ο蟮奶匦?。?duì)比分析表明，這種設(shè)計(jì)方法具有較好的應(yīng)用前景。