余　智　王　玲　汪慧君

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所　武漢　430074)

基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)架構(gòu)研究*

余智王玲汪慧君

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所武漢430074)

摘要傳統(tǒng)通信系統(tǒng)由各種功能單一的電臺(tái)組成,電臺(tái)之間相互獨(dú)立、頻段互異、調(diào)制類型各不相同,導(dǎo)致電臺(tái)之間的互通性很差,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大,升級換代復(fù)雜。論文提出了一種基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng),由一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)和各種可以加卸載的軟件構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)了多頻段、多模式通信,改變了目前通信系統(tǒng)設(shè)備集成式結(jié)構(gòu),大大減少系統(tǒng)的體積、簡化系統(tǒng)的控制與管理,提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、現(xiàn)代化,并能與目前的各種獨(dú)立電臺(tái)進(jìn)行無縫連接,具有良好的兼容性。

關(guān)鍵詞軟件無線電; 通信系統(tǒng)

Class NumberTM933

1引言

新時(shí)期發(fā)展需求對艦船通信系統(tǒng)多模式、多頻段、多通道的對外無線通信能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)通信系統(tǒng),一套信道設(shè)備只能執(zhí)行一個(gè)通道的特定頻段、特定模式的通信任務(wù),以設(shè)備集成為特點(diǎn)的系統(tǒng)只能依靠增加通信設(shè)備的做法,以擴(kuò)大通信容量。多模式、多頻段、多通道的多任務(wù)需求意味著信道設(shè)備配置數(shù)量的線性增加,必須尋求新的通信體系結(jié)構(gòu)以適應(yīng)通信系統(tǒng)小型化、綜合化、一體化的發(fā)展需求。

基于軟件無線電(SDR)的新一代通信系統(tǒng)通過共享通用的硬件組件,利用軟件的可移植性、可重用性,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可伸縮性與互連互通性,具備軟件可編程的的通信能力[1],支持新功能/新技術(shù)的再嵌入與低成本升級,滿足未來艦船通信發(fā)展需求。

2傳統(tǒng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在適應(yīng)新通信需求發(fā)展時(shí),現(xiàn)有以設(shè)備集成方式為主的通信技術(shù)體制存在如下困難:

1) 裝備以硬件為核心、功能單一,每種通信設(shè)備是為特定用途而設(shè)計(jì),通信能力的增加意味著通信設(shè)備的線性增長,使得系統(tǒng)硬件配置日益龐大、控制管理漸趨復(fù)雜,給本已狹小的艦船空間布置帶來了極大壓力,不堪負(fù)重;

2) 設(shè)備及天線布置難度增大、電磁兼容問題愈發(fā)突出,限制了通信系統(tǒng)新裝備和新能力的發(fā)揮;

3) 裝備型號種類繁多、電臺(tái)間互連互通性差;升級換代成本居高不下,通信能力擴(kuò)展困難。

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)組成如圖1所示[2]。

圖1　傳統(tǒng)通信系統(tǒng)組成

以硬件為核心設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)技術(shù)體制已形成瓶頸式的發(fā)展,難以與滿足新發(fā)展需求,必須尋求新體系結(jié)構(gòu),解決通信系統(tǒng)及設(shè)備小型化、綜合化的難題。

3新一代艦船通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

軟件無線電是二十世紀(jì)九十年代初期提出的一種全新概念的無線電技術(shù)。其概念一經(jīng)提出,很快就得到了廣泛的應(yīng)用。軟件無線電技術(shù)以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)和模塊化的硬件平臺(tái)為依托,通過軟件來實(shí)現(xiàn)無線電設(shè)備的各種功能,通過共享通用的、可互換的軟件與硬件組件,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可伸縮性與互連互通性,軟件無線電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成與優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。

基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)具備多頻段/多模式/多通道的通信能力,人機(jī)界面(HMI)支持靈活的、可視化的配置與管理,能按需分配帶寬并支持話音、數(shù)據(jù)與視頻傳輸,支持新功能/新技術(shù)的再嵌入與低成本升級。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

新一代艦船通信系統(tǒng)的集成化和軟件化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在三個(gè)層面:

1) 天線集成化設(shè)計(jì)

艦船上層建筑十分擁擠,電子系統(tǒng)中的各類天線,不但占用了上層建筑的大量空間,還帶來復(fù)雜的電磁兼容問題。新系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)盡可能地共享天線,減少艇上天線數(shù)量,同時(shí)采用天線共形設(shè)計(jì),優(yōu)化整體外形,減少RCS,改善電磁兼容性。由于天線綜合設(shè)計(jì)難度較大,可行目標(biāo)是通過集成天線設(shè)計(jì),對各類天線進(jìn)行整合,把天線集成到一起或精簡為幾組,最大限度地壓縮天線數(shù)量。

圖2　基于軟件無線電的通信系統(tǒng)總體架構(gòu)

2) 信道設(shè)備一體化設(shè)計(jì)

信道設(shè)備一體化主要借助軟件無線電技術(shù),使軟件設(shè)計(jì)盡可能地靠近射頻前端,最大程度地體現(xiàn)射頻綜合一體化以及信道設(shè)備軟無化設(shè)計(jì)思路。

射頻綜合一體化設(shè)計(jì)主要通過多通道模擬射頻集成系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多通道模擬下變頻器、多通道模擬上變頻器、功率庫和天線交換分配矩陣功能。多功能綜合集成系統(tǒng)可以根據(jù)目前的技術(shù)水平,將主要的頻段劃分為多個(gè)頻段,在各自的頻段上進(jìn)行射頻綜合,如將2MHz～18GHz劃分為2～400M、0.4～2G和2～18G幾段[3]。多功能模擬射頻集成系統(tǒng)具有開放式結(jié)構(gòu),采用統(tǒng)一的中頻接口。

中頻之后信道設(shè)備采用軟無化設(shè)計(jì),主要是采用一種模塊化的通用、靈活的信號處理平臺(tái),通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)無線電功能,在系統(tǒng)資源管理的調(diào)配下,在任意時(shí)刻根據(jù)需要下載相應(yīng)的通信應(yīng)用模塊,實(shí)現(xiàn)不同體制、不同功能應(yīng)用波形,實(shí)現(xiàn)多通道多制式多功能的可重構(gòu)軟件化信道機(jī),并能同時(shí)通過加載軟件算法或是升級軟件就實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的升級與擴(kuò)展[4]。

3) 資源管理與調(diào)配一體化

資源管理與調(diào)配中心實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的流程控制、參數(shù)設(shè)置,并在人機(jī)界面(HMI)上支持靈活的、可視化的配置與管理。通信軟件功能模塊在系統(tǒng)軟件、功能隊(duì)列管理和一個(gè)圖形化功能用戶接口管理下有序工作,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一資源管理與調(diào)配,規(guī)劃系統(tǒng)的資源管理流程,減少人工干預(yù)環(huán)節(jié),提高通信管理效率。

基于軟件無線電的新系統(tǒng)中,由于天線集成化、射頻綜合化、信道設(shè)備軟件無線電化三方面設(shè)計(jì),硬件資源大部分實(shí)現(xiàn)共用,各部分功能大都由軟件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)可以在共享通用的硬件平臺(tái)下,通過可互換的通信軟件,實(shí)現(xiàn)通信功能。

3.2系統(tǒng)特點(diǎn)

基于軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新一代綜合通信系統(tǒng),與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,新系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 系統(tǒng)模塊化:采用這種新型體系結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng),可用軟件來定義并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,通過裁剪模塊配置不同需求的通信系統(tǒng),保證了系統(tǒng)配置的靈活性與可管理性;

2) 可用標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多通道、多模式、多任務(wù)通信,滿足了系統(tǒng)對多種通信能力的綜合集成的要求,同時(shí)有利于系統(tǒng)的小型化和一體化;

3) 自身體系結(jié)構(gòu)的開放性,保證了系統(tǒng)與現(xiàn)役通信裝備互連互通能力,且方便了新波形的嵌入,能夠覆蓋各種通信頻段,全面兼容現(xiàn)役各種波形體制和信號制式,并具有良好可擴(kuò)展性。

4) 業(yè)務(wù)智能化,用戶使用智能快捷;

5) 系統(tǒng)統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一組織管理,分時(shí)分頻分域使用,改善了系統(tǒng)電磁兼容性能。

4系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)技術(shù)方案具體分資源調(diào)度管理體系、硬件體系、軟件體系、安全體系四部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1系統(tǒng)資源控制管理分層體系結(jié)構(gòu)

軟件無線電的系統(tǒng)遵從統(tǒng)一的硬、軟件架構(gòu),通過配置軟件即可重置系統(tǒng)功能,為系統(tǒng)提供了良好的開放性和靈活性,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也大為簡化,但卻給系統(tǒng)的控制與管理工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)控制不同,系統(tǒng)中綜合控制除了常規(guī)管理外,更重要的是要能根據(jù)不同的任務(wù)對系統(tǒng)中的資源進(jìn)行重配置、管理和控制。新體系采用面向?qū)ο蟮姆椒ê突谌蝿?wù)管理的策略,運(yùn)用統(tǒng)一的控制管理體系,系統(tǒng)資源控制管理分層體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖2所示,系統(tǒng)管理體系結(jié)構(gòu)可分為四層,分別為基于任務(wù)的管理策略層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)組件層和硬件資源層[5]。其中基于任務(wù)的管理策略層采用基于任務(wù)的管理策略,主要負(fù)責(zé)對通信任務(wù)進(jìn)行分析和拆解,將一個(gè)工作任務(wù)分解為若干業(yè)務(wù)組件的功能組合。服務(wù)層基于組件技術(shù)為上層提供各種業(yè)務(wù)組件的管理功能,并同時(shí)為同一任務(wù)的業(yè)務(wù)組件間提供通信服務(wù)。業(yè)務(wù)組件層將業(yè)務(wù)進(jìn)行面向?qū)ο蠡姆庋b供功能層調(diào)用,對上層屏蔽具體的硬件細(xì)節(jié)。硬件資源層主要對系統(tǒng)中所有硬件資源提供驅(qū)動(dòng)支持,并將硬件資源映射為運(yùn)算資源進(jìn)行對象化管理。

圖3　系統(tǒng)控制管理體系結(jié)構(gòu)圖

采用面向?qū)ο蟮墓芾矸椒ê突谌蝿?wù)的管理策略能夠使模塊化通信系統(tǒng)的靈活性得以充分發(fā)揮,滿足了系統(tǒng)按所需快速變化的要求。根據(jù)不同的使用需求,在系統(tǒng)資源的管理調(diào)度下,在共用的設(shè)計(jì)平臺(tái)上,通過加載不同的軟件,實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生、信道重構(gòu)處理,滿足不同通信功能的任務(wù)需求。

4.2基于軟件無線電的硬件體系架構(gòu)

基于軟件無線電的新一代通信系統(tǒng),其“軟無”化不僅表現(xiàn)在信道系統(tǒng),而且還表現(xiàn)在終端設(shè)備,甚至表現(xiàn)在全系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上。系統(tǒng)及其各類設(shè)備均應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的硬件和軟件結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高度的模塊化、系列化、組合化。

基于軟件無線電的硬件體系設(shè)計(jì)功能組成如圖4所示。其邏輯上分信號處理段、信息安全段和消息處理段三部分,由五大功能模塊組成,分別是射頻前端、波形處理模塊、信息安全模塊、消息處理模塊、多功能接口模塊,每一部分執(zhí)行的功能均可通過改變軟件而具有再次可編程的能力[6]。系統(tǒng)可配有多個(gè)通道,各通道根據(jù)系統(tǒng)的資源調(diào)度和分配要求在不同體制、頻段下工作。

寬帶射頻前端在一定頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對射頻信號和中頻信號的轉(zhuǎn)換工作。

波形處理是通信的核心部分,負(fù)責(zé)對寬帶射頻前端送出的中頻信號進(jìn)行采樣,并使用多速率(變速率)處理技術(shù)對采樣后的數(shù)字信號進(jìn)行處理,完成適當(dāng)倍數(shù)的插值與抽取(采樣速率轉(zhuǎn)換)、信號濾波、符號速率匹配、調(diào)制解調(diào)、糾錯(cuò)編解碼等工作。波形處理部分要求具有可編程能力和靈活調(diào)用處理算法的能力,一般采用通用高速數(shù)字信號處理器配合大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)來構(gòu)成其主要硬件框架[7]。

信息安全段主要完成信息的加解密工作,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)“黑區(qū)”和“紅區(qū)”的物理隔離。

消息處理模塊作為SAC體系結(jié)構(gòu)中的核心硬件組件,負(fù)責(zé)設(shè)備管理、域管理、波形加載、協(xié)議處理和輸入輸出控制等通信任務(wù)和管理任務(wù)的處理工作。

多功能接口模塊承擔(dān)多種類型的接口轉(zhuǎn)換任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)控制任務(wù),具有可編程能力,可以適配各種已經(jīng)裝備的網(wǎng)絡(luò)接口或總線接口。

4.3基于軟件無線電的開放式軟件架構(gòu)及波形組件

基于軟件無線電的系統(tǒng)的核心思想是可配置和模塊化,如何在標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)上組織和構(gòu)建系統(tǒng)軟件,以實(shí)現(xiàn)多通道、多模式、多任務(wù)、可配置的能力是軟件無線電體系研究的重要內(nèi)容。

本系統(tǒng)采用基于SCA標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件結(jié)構(gòu)來定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、可互操作性的軟件平臺(tái),通過該平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)底層硬件與上層應(yīng)用軟件相隔離,軟件總體架構(gòu)如圖5所示。

圖4　軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)圖

圖5　軟件總體構(gòu)架

該軟件體系結(jié)構(gòu)由操作環(huán)境(Operating Environment,OE)和應(yīng)用組件(Applications)組成。OE包括核心框架(Core Framework,CF)、CORBA中間件、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)接口層和板級支持包等[6],構(gòu)成了通用軟件平臺(tái),是軟件體系結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容。所有應(yīng)用采用組件設(shè)計(jì)形式,組件間通信由CORBA提供的邏輯“軟件總線”來完成,根據(jù)特定的功能,定制符合用戶需求的通信波形(Waveform),不同的波形在平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地加卸載。

使用中間件技術(shù)可為系統(tǒng)提供一個(gè)分布式的環(huán)境,保障軟件的可移植、可重用性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)采用CORBA作為中間件技術(shù),CORBA也可以理解為一種“軟總線”技術(shù),它實(shí)際上是指為多個(gè)、多種類型的軟件模塊服務(wù)的一組虛擬的數(shù)據(jù)信息傳輸線[8]。這組虛擬的數(shù)據(jù)信息傳輸線是軟件,是一組通用的標(biāo)準(zhǔn)集成軟件模塊的接口界面,它是各軟件模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與聯(lián)系的虛擬公共通道和接口界面。它起到類似于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件總線的作用,只要將應(yīng)用模塊按總線規(guī)范生成軟插件,插入總線即可運(yùn)行。

實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)可以為應(yīng)用程序(包括CF)提供多進(jìn)程、多線程的支持[9],它可以屏蔽不同硬件平臺(tái)間的差異,為上層軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件訪問接口和其它的基本操作系統(tǒng)服務(wù),使得上層應(yīng)用軟件具有設(shè)備無關(guān)性。

4.4基于軟件無線電架構(gòu)的安全體系結(jié)構(gòu)

作為艦船通信系統(tǒng),信息的安全性是不可忽略的。為了保證用戶信息在發(fā)送、處理、存儲(chǔ)過程中的機(jī)密性和完整性,能夠?qū)Σ煌踩燃壱蟮男畔⑦M(jìn)行傳輸和接收,確保不同的無線通信系統(tǒng)能夠互連、互通和互操作,必須形成安全體系結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)安全需求包括:加解密機(jī)制、信息完整性、認(rèn)證和授權(quán)、接入控制、審計(jì)、密鑰和認(rèn)證管理、安全策略實(shí)施和管理、配置管理、內(nèi)存管理、安裝機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)化、頻譜管理、算法管理、時(shí)間管理、安全傳輸機(jī)制、策略管理、安全管理中心。根據(jù)安全需求設(shè)計(jì)了如下圖6基于組件的安全體系結(jié)構(gòu)。安全架構(gòu)作為通用無線電架構(gòu)的一部分,通過組件的配合,可形成一個(gè)與原有面向?qū)ο蟮能浖o線電結(jié)合較為緊密,安全與通信架構(gòu)融合為一體的通用軟件無線電安全架構(gòu)。為了統(tǒng)一安全管理,定義了安全管理中心組件SMC(Security Management Center),其作用是管理所有的安全組件。這樣可以統(tǒng)一安全組件的管理,避免出現(xiàn)安全管理組件本身的混亂。安全管理中心作為一個(gè)資源(Resource)受上層管理,并且所有的安全組件都從資源接口繼承。

圖6　基于組件的通用軟件無線電安全架構(gòu)

在安全體系結(jié)構(gòu)中,整個(gè)系統(tǒng)的安全功能不只是由一個(gè)邊界分明的安全模塊來單獨(dú)完成,而由通信保密模塊、黑邊處理器和紅邊處理器共同來完成。無線通信系統(tǒng)的紅邊和黑邊必須相互隔離,不能直接進(jìn)行信息交換,紅邊和黑邊所有的信息交換必須通過通信保密模塊進(jìn)行控制和管理[10]。

5結(jié)語

近年來興起的軟件無線電技術(shù)極大地改變了艦船通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)概念,研究新一代基于軟件無線電的通信系統(tǒng),改變以往系統(tǒng)基于專用設(shè)備集成的“煙囪式”結(jié)構(gòu),由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)和各種可以加卸載的軟件構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)多頻段、多模式的通信,解決系統(tǒng)集成的綜合化、模塊化和通用化問題[11],既能兼容傳統(tǒng)的通信手段,又能保證系統(tǒng)按任務(wù)所需快速變化的能力和滿足其便于擴(kuò)展新功能的要求,提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化、現(xiàn)代化能力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊小牛,樓才義,徐建良等.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:213-260.

[2] 董穎輝,金國慶.基于綜合傳輸網(wǎng)的艦船通信系統(tǒng)[J].艦船電子工程,2006:21-26.

[3] 莫金旺.軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)[J].廣西通信技術(shù),1998,(3):1-3

[4] Lackey RJ, Upmal D W. Speakeasy: the military software radio[J]. IEEE Communications Magazine,1995,33(5):56-61.

[5] Ramacher U. Software defined Radio Prospects for Multistandard Mobile Phones[J]. Computer,2007,40(10):62-69.

[6] 賴玉強(qiáng),王甲深.軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].武警工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,(8):67-71

[7] Svan Berkel K, Heinle F, Meuwissen P P E, et al. Vector Processing as an Enabler for Software defined Radio in Handheld Devices[J]. Eurasip Journal on Applied Signal Processing,2005(16):2613-2625.

[8] Mamidi S, Blem E, Schulte M J, et al. Instruction Set Extensions for Software Defined Radio[ J] . Microprocessors and Microsystems,2009,33(4):260-272.

[9] Mamidi S, Schulte M J, Xie Z P, et al. Arithmetic Units for Software Defined Radio[C]//2006 Fortieth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers,2006:341-346.

[10] 黃智偉.軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)[J].中國數(shù)據(jù)通信,2002,(2):67-72

[11] 路國慶,蘇彥兵.軟件無線電技術(shù)[J].電力系統(tǒng)通信,2003(2):30-34.

Architecture Research on the Ship Communication System Based on Software Radio

YU ZhiWANG LingWANG Huijun

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan430074)

AbstractTraditional communication system is composed of different radios with single function, which have different frequencies and modulation types. It leads to poor communication between the radios, great system structure, upgrading complex. This paper proposes a ship communication system based on software radio. It is structured by a general hardware platform which is open and standardized modular, and by various software which can add uninstall. It can realize multiband multimodal communication. This will simplify the control management system, improve the automation and modernization of communication system. It can also give seamless linking and good compatibility with the various radio.

Key Wordssoftware radio, communication system

*收稿日期:2015年12月3日,修回日期:2016年1月28日

作者簡介:余智,女,高級工程師,研究方向:通信系統(tǒng)。王玲,女,高級工程師,研究方向:通信系統(tǒng)。汪慧君,女,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)。

中圖分類號TM933

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.003