朱嬌 祝頌東 阮軼杰

（1.31131 部隊(duì) 江蘇省南京市 210000 2.陸裝駐南京地區(qū)第一軍代室 江蘇省南京市 211101）

（3.上海美多通信設(shè)備有限公司 上海市 200333）

1 背景

美國(guó)國(guó)防部進(jìn)行的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS)是世界上最先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)之一，為美軍的現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系統(tǒng)，它是一種軟件可編程的模塊化通信系統(tǒng)，能與多種傳統(tǒng)波形互通，可提供C4ISR 能力的、可擴(kuò)縮的大容量戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系列。JTRS 建立在通用開放體系結(jié)構(gòu)上，是保密的、即插即用的，JTRS 具有可現(xiàn)場(chǎng)配置的模塊式硬件和波形軟件，具有自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)尋址和分配帶寬的能力，基本工作頻段為2 ～2000MHz，能傳話音、視頻和數(shù)據(jù)。JTRS 通過循序漸進(jìn)的方式部署，逐步取代了傳統(tǒng)的系統(tǒng)，自身易于升級(jí)和改進(jìn)。

JTRS 的實(shí)施分為三個(gè)階段：

1.1 體系結(jié)構(gòu)定義階段

為滿足1997年美聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電臺(tái)《任務(wù)需求說明》中確立的聯(lián)合通信要求，JTRS 聯(lián)合計(jì)劃辦公室將JTRS 實(shí)施的第一階段任務(wù)確立為通信體系結(jié)構(gòu)定義，美國(guó)雷聲、摩托羅拉和波音公司被分別指派了定義軟件通信體系結(jié)構(gòu)的任務(wù)，于1999年6月完成了該階段的工作。最終雷聲公司提供的“軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA: Software Communications Architecture)w，由聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS)聯(lián)合計(jì)劃辦公室頒布。

1.2 SCA的開發(fā)和驗(yàn)證階段

該階段具體劃分為2A、2B 和2C 三個(gè)階段。

2A 階段的主要工作是開發(fā)和驗(yàn)證已經(jīng)確立的SCA，包括顯示模型的開發(fā)。該階段中雷聲、ITT、羅科韋爾和BAE 系統(tǒng)公司均開發(fā)了基于SCA 的車載、艦載或機(jī)載的樣機(jī)。

2B 階段主要驗(yàn)證SCA 擴(kuò)縮性、波形因素效應(yīng)及可選波形的開發(fā)。哈里斯公司的AN/PRC-117F 電臺(tái)，能夠提供一種單一的通信平臺(tái)，將過去需要使用三種不同電臺(tái)分別實(shí)現(xiàn)和空中聯(lián)絡(luò)官、飛行員和陸軍支援部隊(duì)通話的通信功能綜合為一體。在“蟒蛇行動(dòng)”中廣泛應(yīng)用于空軍和海軍請(qǐng)求近距離空中支援。

2C 階段工程于2000年7月開始實(shí)施，著重驗(yàn)證SCA 在組網(wǎng)和加密方面有關(guān)的問題，理解多信道電臺(tái)同時(shí)工作時(shí)的復(fù)雜性。

1.3 競(jìng)標(biāo)采購(gòu)階段

該階段的目標(biāo)是采購(gòu)約18 萬部符合SCA 的JTRS 電臺(tái)，以取代美軍四個(gè)軍種現(xiàn)裝備的型號(hào)雜亂且不互通的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)。

2 SCA概述

軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范建立了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的、獨(dú)立的框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中包含了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)中的軟件可配置電臺(tái)的最基本要求。這些要求包括了接口規(guī)范，應(yīng)用程序接口(APIs)，性能規(guī)范以及一些規(guī)則。該規(guī)范的目的就是保證軟、硬件的可移植性和可配置性，同時(shí)保證釆用該規(guī)范開發(fā)的產(chǎn)品之間的互操作性。

SC 重點(diǎn)包括軟件體系結(jié)構(gòu)、硬件體系結(jié)構(gòu)和安全體系結(jié)構(gòu)三方面的內(nèi)容。在與可重用性有關(guān)的方面，SCA 進(jìn)行了非常精確的定義，而對(duì)于一些具有特定使用要求的方面，它只進(jìn)行一般性的定義。

對(duì)于硬件來說，在不同的領(lǐng)域里，物理上的和應(yīng)用環(huán)境上的差別非常大，因而對(duì)于所有的實(shí)現(xiàn)來說不可能達(dá)到物理上的兼容性。然而，可以利用面向?qū)ο蟮姆椒▉砻枋鲇布?，把硬件表示成硬件類，所有的可能的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都包含在一個(gè)單獨(dú)的框架里。這個(gè)框架擁有一些屬性（也就是行為和接口），可以在不同的實(shí)現(xiàn)中應(yīng)用。

軟件的體系結(jié)構(gòu)廣泛利用了對(duì)象模塊，它的定義主要在核心框架中。核心框架是整個(gè)系統(tǒng)操作環(huán)境的一部分。由體系結(jié)構(gòu)對(duì)軟件發(fā)展的制約是在接口和軟件結(jié)構(gòu)方面，而不是在功能的實(shí)現(xiàn)上。這樣，一些具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)不但可以得到保護(hù)，并且能夠在體系結(jié)構(gòu)的其它實(shí)現(xiàn)中的被廣泛地重復(fù)利用。SCA 允許使用硬件或軟件來實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的功能。

圖1 說明了SCA 的概念以及它在具體平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。硬件定義停留在SCA 框架的層次上，軟件定義可以直接深入到具體實(shí)現(xiàn)中，這是由于軟件具有硬件無關(guān)的特性。有一些特殊的要求如尺寸、重量和功耗等限制了軟件對(duì)象的直接應(yīng)用。然而，即使在這些情況下，在軟件、固件建模以及仿真過程中所獲得的可重用性仍然可以大大減少實(shí)現(xiàn)的耗費(fèi)，并且縮短研制周期。

3 軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)定義了一個(gè)操作環(huán)境，它包括核心框架服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施軟件，如板級(jí)驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和串行接口服務(wù)、操作系統(tǒng)和服務(wù)以及CORBA 中間件服務(wù)等。該軟件結(jié)構(gòu)是釆用軟件通信體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波形時(shí)的一種典型劃分。圖2 為軟件體系結(jié)構(gòu)圖。

軟件體系結(jié)構(gòu)要能適用大多數(shù)工業(yè)總線體系結(jié)構(gòu)，并支持可靠的傳輸機(jī)制?？蛇x擇的總線有VME、PCI、CompactPCI, Firewire (IEEE-1394)、Ethernet 等，允許在非信息安全（紅）和信息安全（黑）的子系統(tǒng)中使用不同的總線體系結(jié)構(gòu)。

圖1：體系結(jié)構(gòu)框架及其與實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系

圖2：軟件體系結(jié)構(gòu)

圖3：硬件體系結(jié)構(gòu)框架

軟件體系結(jié)構(gòu)支持多個(gè)不同的串行和網(wǎng)絡(luò)接口，如RS232, RS422, RS423, RS485, Ethernet, 802.x 等。對(duì)應(yīng)這些接口，可采用不同的低層次網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如PPP, SLIP, CSLIP, LAPx 等。

軟件體系結(jié)構(gòu)采用一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)來為核心應(yīng)用軟件和非核心的波形處理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件提供多進(jìn)程、多線程的支持。為了實(shí)現(xiàn)核心及非核心應(yīng)用軟件的可移植性，體系結(jié)構(gòu)需要一個(gè)提供給操作系統(tǒng)服務(wù)的操作系統(tǒng)接口。

核心框架是一些基本的開放的應(yīng)用層接口和服務(wù)，通過這些接口和服務(wù)來為軟件設(shè)計(jì)者提供底層軟、硬件的一個(gè)抽象。

圖4：硬件安全要素示意圖

應(yīng)用程序執(zhí)行用戶通信的功能，這些功能包括調(diào)制解調(diào)層的數(shù)字信號(hào)處理、鏈路層的協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò)的路由功能、外部的輸入/輸出接口、安全及嵌入式應(yīng)用等。應(yīng)用程序必須使用核心框架的接口和服務(wù)。應(yīng)用層中還包括支持非CORBA 組件的適配程序。

由上述可見，軟件體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵要點(diǎn)是：盡量使用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和產(chǎn)品；利用多層開放的軟件結(jié)構(gòu)把核心和非核心應(yīng)用程序與底層的硬件隔離開來；利用CORBA 技術(shù)提供一個(gè)分步式處理環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)軟件的可移植性、再重用性和可擴(kuò)展性。

4 硬件體系結(jié)構(gòu)

SCA 通過面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，具體為硬件體系結(jié)構(gòu)中硬件類及子類的對(duì)象構(gòu)成的層次關(guān)系，如圖3 所示。

硬件類結(jié)構(gòu)用于描述硬件是如何按照規(guī)范來實(shí)現(xiàn)的。通過面向?qū)ο蟮姆椒墒褂布Y(jié)構(gòu)能適用于各種不同的領(lǐng)域（如手持式，背負(fù)式，車載式，機(jī)載式和艦載/固定臺(tái)式）。頂層硬件類與頂層的硬件功能相對(duì)應(yīng)。頂層的硬件類可細(xì)化為與次層的硬件功能相對(duì)應(yīng)的子類。由類或子類相關(guān)聯(lián)的屬性來描述各類或子類對(duì)系統(tǒng)特征和性能的影響。

模塊的實(shí)現(xiàn)必須滿足JTRS 對(duì)硬件可重用性、可擴(kuò)展性和可擴(kuò)充性要求。隨著可編程能力和可編程的硬件技術(shù)的發(fā)展，功能實(shí)現(xiàn)從完全依靠硬件逐漸過渡到主要以軟件應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)硬件功能。

功能的實(shí)現(xiàn)依賴于硬件內(nèi)含功能和軟件功能的相互結(jié)合，由此，圖3 所示的硬件模塊類框架中包括了可編程的功能類（處理器）和其它有內(nèi)含功能的類。

為滿足將來發(fā)展的需要，硬件結(jié)構(gòu)類應(yīng)具有可擴(kuò)展性，即硬件類都能被擴(kuò)展，以進(jìn)一步增加性能，這可以通過增加新的類或在已有的類中增加新的屬性來實(shí)現(xiàn)。這樣既為硬件的定義提供統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備內(nèi)在的靈活性，以滿足新的功能或波形的需求，同時(shí)支持軟硬件性能進(jìn)一步發(fā)展。

5 安全體系結(jié)構(gòu)

SCA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至少要有一條獨(dú)立的紅邊總線和一條獨(dú)立的黑邊總線，黑邊部分處理不需保密的信息或已加密的保密信息；紅邊部分則處理未經(jīng)加密的保密信息。紅邊和黑邊之間通過加密子系統(tǒng)隔離。系統(tǒng)需要提供加密之外的信息安全，將通過生成獨(dú)立的監(jiān)測(cè)和防護(hù)措施功能以保證軟件的正確使用和訪問控制，或者綜合利用硬件和運(yùn)行在紅邊或黑邊處理器上的軟件平臺(tái)來保證安全性。設(shè)備級(jí)安全包括電磁輻射防護(hù)、物理防護(hù)和電子防護(hù)三個(gè)方面。

硬件安全方面的要素包括可編程的信息安全、可編程的傳輸安全和密鑰注入處理器，如圖4 所示。

圖4 遵循SCA 的硬件體系結(jié)構(gòu)，紅邊部分的信息未經(jīng)過保密處理，黑邊部分的信息則經(jīng)過了安全處理，兩部分通過安全模塊進(jìn)行信息交互。

系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)允許對(duì)現(xiàn)有軟件進(jìn)行復(fù)用，集成標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊如PCI 通用總線軟件，以保持一個(gè)靈活的，具有友好用戶界面的系統(tǒng)。那么對(duì)于軟件來說，必須考慮三個(gè)方面的安全要素：軟件防護(hù)；具有標(biāo)準(zhǔn)接口的專用保密模塊控制軟件；可靠的操作系統(tǒng)和CORBA 訪問控制。

可編程模塊化通信系統(tǒng)必須支持多級(jí)安全結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)可以與工作在不同安全級(jí)別的系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行通信。系統(tǒng)需要為不同的級(jí)別的數(shù)據(jù)提供儲(chǔ)存、路由選擇和控制的服務(wù)，具體實(shí)現(xiàn)方法是在數(shù)據(jù)上進(jìn)行“標(biāo)注”來區(qū)分不同的安全級(jí)別。系統(tǒng)安全要求有相應(yīng)的密鑰管理體制，并需要考慮商用現(xiàn)貨的安全性。

6 小結(jié)

在不斷擴(kuò)展的美國(guó)軍事轉(zhuǎn)型技術(shù)計(jì)劃中，JTRS 計(jì)劃將美軍使用的多種單一功能的無線電臺(tái)合并成一個(gè)聯(lián)合的可互通的電臺(tái)系列，從而將促進(jìn)美軍通信裝備向保密、多頻段、多模式軟件電臺(tái)方向的變革。

JTRS 計(jì)劃對(duì)于我軍通信裝備的發(fā)展具有重要的借鑒價(jià)值，因此充分理解其SCA 規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、波形開發(fā)和驗(yàn)證模型的研制是十分必要的。