柏春雷

摘要 本文針對美軍軟件通信體系結構（ SCA）技術進行了技術剖析，提出了一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件定義無線電（ SDR）軟件體系結構。

【關鍵詞】高實時 低成本 波形跨硬件平臺共用 軟件定義無線電（SDR）軟件體系結構

軟件定義無線電從提出到現(xiàn)在已有30多年，隨著軟件無線電在軍事與民用方面的發(fā)展應用，逐漸形成了兩種典型的現(xiàn)有軟件無線電軟件體系結構，即民用的GNU Radio+通用軟件無線電外設（ HackRF、BladeRF、USRP、RTL-SDR等）的軟件無線電體系結構與軍用的軟件通信體系結構（SCA）。

民用的GNU Radio+通用軟件無線電外設（HackRF、BladeRF、USRP、RTL-SDR等）的軟件無線電體系結構技術思路是通過軟件無線電外設實現(xiàn)上下變頻等射頻前端最終輸出基帶10數(shù)據(jù)，交由GPP調用GNU RADIO進行后續(xù)的數(shù)字信號處理，其注重的是GPP數(shù)字信號處理這一技術點，是一個朝著終極軟件無線電發(fā)展的實驗室功能驗證架構，并未考慮體系結構標準化、實時性、穩(wěn)定性等工程化實施相關的問題。

美軍的軟件無線電通信體系結構（SCA）注重的是以Intemet設計思想、計算技術構建開放系統(tǒng)，以波形共用的方式解決士兵或系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作問題，實現(xiàn)波形跨硬件平臺的共用、軟硬件平臺分離。其依賴于中間件、DDS等技術，實現(xiàn)起來成本、效率、開銷方面存在著嚴重問題，美國國防部委托波音公司對市場上主流中間件產(chǎn)品進行了性能測試，測試結果如圖1所示。

從測試結果可以看出采用中間件技術帶來的成本、效率、開銷問題突出，美軍SCA的標準在不斷探尋一種高效、低成本的解決方案。

本文針對高實時、低成本、波形跨硬件平臺共用、軟硬件平臺分離的實際需求，結合現(xiàn)有軟件定義無線電體系結構，提出了一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件無線電軟件體系結構。

1 美軍軟件無線電體系結構簡述

美軍在作戰(zhàn)與科技發(fā)展都是走在世界前沿的，美軍SCA架構并不是一個完美的軟件無線電工程化解決方案，然而美軍SCA是現(xiàn)有唯一己得到實際裝備驗證的軟件無線電體系結構。

1991年2月的海灣戰(zhàn)爭中，美軍由于陸軍動中通信能力不足，導致預先決策的軍事能力未達到預期。因此，陸軍決定啟動一個開發(fā)項目，目的是在戰(zhàn)場上建立一支賽博戰(zhàn)部隊，每個士兵作為網(wǎng)絡的一個信息節(jié)點，士兵或系統(tǒng)之間可互聯(lián)互通互操作?；谝圆ㄐ喂灿玫姆绞浇鉀Q士兵或系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作的軍事需求與實現(xiàn)波形的跨硬件平臺共用、軟硬件平臺分離技術需求，美國國防部于1997年9月啟動了JTRS項目（最先稱為JTR“聯(lián)合戰(zhàn)術電臺”，后來加了一個系統(tǒng)的“S”，即JTRS）。

1999-2015年期間，美軍先后發(fā)布了SCA1.0版、SCA l.1版、SCA 2.0版、SCA 2.1版、SCA 2.2版、SCA 2.2.2版、SCA 4.0版、SCA 4.1版。典型的版本為SCA 2.2.2、SCA 4.0、SCA 4.1三個版本。

1.1 SCA 2.2.2

2006年發(fā)布的SCA 2.2.2規(guī)范作為第一個穩(wěn)定版本，開始注重實時性與效率，明確定義MHAL的概念用以提高波形的可移植性、實時性、器件間的通信規(guī)范性，目前美軍現(xiàn)役裝備大都采用該版本進行設計。

1.2 SCA 4.0

2012年2月發(fā)布的SCA 4.0規(guī)范開始注重小型化電臺（電池供電）應用，引入傳輸機制這一定義泛指以往的CORBA中間件，定義了獨立的中間件應用程序接口，提供更多的輕量化、靈活性，該規(guī)范適用于從小的單通道無線設備到高功率的多信道設備。通過裁減，更好地適應了每個電臺及其任務的具體功能，顯著降低了內存和處理功耗，并且使得電臺能夠更快地啟動和重新配置。

1.3 SCA 4.1

2015年8月正式發(fā)布的SCA 4.1規(guī)范，基于SCA 4.0的基礎上，增加對SCA 2.2.2的兼容性，不再強制要求使用CORBA中間件，可以使用其他組件間通信機制，明確了平臺API規(guī)范。強調了實時性，強制要求使用POSIX實時操作系統(tǒng)。重新定義了可裁剪的管理組件和應用組件，擴展了“推”注冊模型，明確了對SCA 2.2.2波形組件的控制能力。

2018年3月1日，美國國防部聯(lián)合企業(yè)標準委員會宣布將SCA4.1列為美國國防部信息技術標準注冊處的強制性戰(zhàn)術無線電標準，并停用SCA2.2.2

2 一種新J軟件無線電軟件體系結構

軟件無線電軟件軟件體系結構如圖4所示，包括波形應用軟件、軟件平臺、硬件平臺三部分組成。軟件無線電軟件軟件體系結構采用商用現(xiàn)貨（COTS） POSIX標準的實時操作系統(tǒng)屏蔽操作系統(tǒng)的差異性、降低實施成本、保證系統(tǒng)實時性;采用組件間通信機制屏蔽組件間通信協(xié)議的差異性、保證波形應用軟件的可移植性;采用平臺服務與平臺設備屏蔽硬件外設的差異性與波形管理等平臺服務接口的差異性;實現(xiàn)波形與硬件平臺分離、波形、硬件平臺的獨立演進，進而實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電設備由提供單一功能定義的模式向軟件定義模式的轉變。

2.1 波形應用軟件

波形應用軟件是波形具體功能的軟件實現(xiàn)，可部署于FPGA、DSP、GPP等器件。波形應用軟件參照IEEE 802、OSI、TCP/IP參考模型進行波形組件劃分，將波形組件劃分為六層，包括物理層組件、介質訪問控制層組件、邏輯鏈路控制子層組件、數(shù)據(jù)鏈路層組件、網(wǎng)絡層組件、應用層組件。

2.2 軟件平臺

軟件平臺包括POSIX實時操作系統(tǒng)、平臺服務、平臺設備、組件間通信機制四部分組成;其中POSIX實時操作系統(tǒng)、平臺服務、平臺設備部署于GPP、DSP，組件間通信機制部署于GPP、DSP、FPGA，本架構規(guī)定了軟件平臺接口及部分功能實現(xiàn)。

2.2.1 POSIX實時操作系統(tǒng)

POSIX實時操作系統(tǒng)部署于GPP、DSP處理器上，依據(jù)不同應用場景及處理資源劃分了標準級、輕量級、超輕量級三個PO SIX.1子集的接口要求，詳細內容如表2所示。

2.2.2 組件間通信機制

組件間通信機制包括同節(jié)點內的組件間通信機制與不同節(jié)點間的組件間通信機制，其中同節(jié)點內的組件間通信機制采用POSIX實時操作系統(tǒng)所提供的進程間通信接口（如共享內存、消息隊列、管道、信號量、Socket等），不同節(jié)點間間的組件間通信采用MHAL模型。如圖7所示。

2.2.3 平臺服務

平臺服務部署于GPP、DSP處理器上，是指執(zhí)行指定系統(tǒng)功能的進程，以便支持其他程序，尤其是底層（接近硬件）程序。

2.2.4 平臺設備

平臺設備部署于GPP、DSP處理器上，是硬件資源的邏輯抽像與封裝，平臺設備以操作系統(tǒng)驅動形式存在。平臺設備劃分為塊設備、字符設備和網(wǎng)絡設備;并提供POSIX實時操作系統(tǒng)中所規(guī)定的設備驅動程序接口。

2.3 硬件平臺

硬件平臺是軟件平臺與波形應用軟件的硬件承載，由GPP、FPGA、DSP、IO外設等組成。

3 架構實現(xiàn)

本架構驗證環(huán)境基于Xilinx Zynq 7020SoC與AD9361組成的USRP E310硬件平臺、基于VxWorks 6.9的軟件平臺，驗證環(huán)境框圖如圖8所示，主要指標如下：

3.1 射頻

（1）2 RX，2 TX;

（2） 70 MHz到6GHz頻率范圍;

（3）帶寬連續(xù)到56 MHZ。

3.2 基帶處理

（1）雙核ARM Cortex A9 866 MHz;

（2）集成A7系列FPGA;

（3）1 GB DDR3 RAM forARM;

（4） 512 MB DDR3 RAM for FPGA;

（5）運行VxWorks 6.9操作系統(tǒng)。

基于本驗證平臺進行了系統(tǒng)靜態(tài)資源、系統(tǒng)動態(tài)資源、進程間通信傳輸性能、異構節(jié)點間通信性能的測試，試驗方法與實驗結果如下：

（1）系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)資源占用。

實驗方法：查看GPP編譯后的目標文件及在VxWorks控制臺輸入memShow命令查看運行后系統(tǒng)內存占用情況，F(xiàn)PGA查看系統(tǒng)編譯后的目標文件與綜合報告。

實驗結果：如表3所示。

（2）同節(jié)點內的組件間傳輸性能。

實驗方法：在VxWorks 6.9系統(tǒng)中啟動2個優(yōu)先級為101的task，2個task分別采用共享內存（采用二值信號量進行同步）、Socket進行通信，利用系統(tǒng)時間戳進行計時，測量1000次得到最短傳輸時間與最長傳輸時間;

若系統(tǒng)時間戳每秒計數(shù)值為Ns，taskl的開始計數(shù)值為Nl，task2的開始計數(shù)值為N2，則同節(jié)點內的一次傳輸時間Tl為：

T1=（N2-Nl）/Ns

實驗結果：如圖9。

4 結束語

本文針對美軍軟件通信體系結構（SCA）、民用軟件定義無線電體系結構技術進行了客觀的剖析，提出了一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件定義無線電（SDR）軟件體系結構，并搭建了驗證環(huán)境進行了相關測試;通過實驗數(shù)據(jù)驗證了架構的可行性;軟件定義無線電是通信史上的一個革命性技術，相信隨著硬件摩爾定律的不斷發(fā)展軟件定義無線電技術定將蓬勃發(fā)展。

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