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新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的SDR演進與實現(xiàn)研究

2021-05-20 10:48宋騰輝王利軍張永飛劉昊王峰
衛(wèi)星電視與寬帶多媒體 2021年3期
關(guān)鍵詞:架構(gòu)設(shè)計

宋騰輝 王利軍 張永飛 劉昊 王峰

【摘要】通信技術(shù)已進入5G時代,高通量通信網(wǎng)絡(luò)即將普及,伴隨著網(wǎng)絡(luò)容量的大規(guī)模提升,通信設(shè)備的種類將急劇增多,網(wǎng)絡(luò)中通信體制、調(diào)制方式、調(diào)制帶寬等通信技術(shù)的組合更加靈活,專一或者專用通信體系即將打破。傳統(tǒng)專用通信設(shè)備供應(yīng)商將面臨巨大的挑戰(zhàn),逐漸出現(xiàn)設(shè)備體制難以兼容、淘汰速度加快、設(shè)備硬件架構(gòu)類型太多、維護成本太高等問題。因此,采用便于維護的通用平臺是一種相當(dāng)經(jīng)濟的解決方案,而軟件定義無線電平臺,具有良好的通用性、擴展性和靈活性,能夠兼容衛(wèi)星廣播、無線通信、電子對抗、微波探測等不同應(yīng)用類型。本文以衛(wèi)星通信平臺的為典型應(yīng)用案例,提出一種可直接部署衛(wèi)星通信的SDR平臺的實現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】軟件定義無線電;SDR;架構(gòu)設(shè)計;通用平臺

中圖分類號:TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI:10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03..001

在多體制通信時代,專用通信設(shè)備面臨體制兼容、升級復(fù)雜、維護困難等問題,更重要的是成本高、淘汰快。而軟件定義無線電(SDR,Software Defined Radio)提供了一種新的設(shè)計思路和設(shè)計理念,即采用超前定義的一種通用架構(gòu)的硬件,以軟件升級實現(xiàn)功能擴展,這是一種有效而且相當(dāng)經(jīng)濟的解決方案。SDR技術(shù)可以使整個系統(tǒng)(含用戶終端及網(wǎng)絡(luò))采用動態(tài)的軟件編程技術(shù)對設(shè)備特性進行重配置,換句話說,相同的標準硬件可以通過軟件重新定義來支持不同的應(yīng)用功能。本文引出一部分SDR SCA(Software Communication Architecture)規(guī)范的設(shè)計分析,以通用SDR硬件平臺為主要討論點,基于多種專用衛(wèi)星通信平臺開展論證,旨在設(shè)計一種支持多模式、多頻段、多功能的通用信息處理平臺。本文提及的通用SDR硬件平臺特別適用于VPX和LRM機箱架構(gòu)。

1. 架構(gòu)對比與演進思路

衛(wèi)星通信中的信道設(shè)備,主要實現(xiàn)空間站或者地面站對無線信道中衛(wèi)星信號的信息處理,涉及天線、功放、信號采集、信號處理、應(yīng)用處理和應(yīng)用管理等硬件設(shè)備。衛(wèi)星通信設(shè)備與常見的SDR設(shè)備架構(gòu)存在差異性,本文提出一種三層架構(gòu)的劃分方法,更加簡明的給出不同種類衛(wèi)星通信設(shè)備向通用SDR平臺的演進思路。

SDR的理念是一款通用平臺能夠?qū)崿F(xiàn)各類通信體制的功能。SDR涉及多方面內(nèi)容:天線、中頻、基帶的可編程實現(xiàn);射頻直采、數(shù)字濾波、數(shù)字信道化等;多MODCOD調(diào)制編碼方式等;顆粒度劃分,軟件組件封裝、硬件顆粒封裝;波形管理,波形重構(gòu)、重構(gòu)時間等。換一個新視角來看,SDR是在討論一種三層架構(gòu)的通用系統(tǒng)設(shè)計,如圖1-(a)所示,其底層為信道處理單元,負責(zé)信號的接入和處理;中間層為控制單元,完成組件的封裝、組件控制等;最上層為應(yīng)用層,即用戶接入的應(yīng)用處理單元,完成整個系統(tǒng)管理和應(yīng)用波形部署。對應(yīng)于這三層劃分,SDR的異構(gòu)處理器分為三類:信道層采用專用處理器,例如FPGA、DSP;控制層采用實時處理器,例如PPC(PowerPC);用戶層采用通用處理器GPP(General Purpose Processer),例如x86 CPU。各自功能如圖1(a)中所示。

衛(wèi)星通信的硬件平臺架構(gòu),如圖1-(b)所示,根據(jù)通信功能也可以抽象為三層:應(yīng)用層使用PPC/ARM處理器來實現(xiàn),運行Linux系統(tǒng),實現(xiàn)IP加速,;主控層采用PPC和實時操作系統(tǒng)Vxworks來實現(xiàn),負責(zé)多媒體業(yè)務(wù)的訪問控制;信道層,與SDR底層基本一致,完成信號接入和信號處理。

通過三層架構(gòu)劃分,可以看出衛(wèi)通設(shè)備和SDR平臺具有架構(gòu)的相似性,理論上可以將SDR的軟件設(shè)計直接移植到衛(wèi)通設(shè)備上。但是,多類專用的衛(wèi)星通信設(shè)備所涉及的處理器、軟件版本多,直接部署SDR到各類衛(wèi)星通信設(shè)備面臨針對不同類型平臺的重復(fù)性軟件架構(gòu)開發(fā),與SDR的設(shè)計理念相去甚遠;而且,各類衛(wèi)通軟件都是因型而異,自定義軟件架構(gòu)、接口標準等,將現(xiàn)有的軟件程序融入SDR SCA架構(gòu)是一個繁瑣的工作過程。值得關(guān)注的是,SCA提供了一種通用封裝方法,即使用MHAL(Modem Hardware Abstract Layer)對硬件或總線接口統(tǒng)一封裝,實現(xiàn)標準化處理;此時,上層應(yīng)用開發(fā)人員只關(guān)心標準接口的調(diào)用和處理,不再關(guān)心平臺硬件的差異性,而且硬件設(shè)計、SCA架構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計可同時開展。針對上述衛(wèi)星通信設(shè)備向SDR衛(wèi)星通信設(shè)備演進的各類問題,下文將討論衛(wèi)星SDR通信設(shè)備的約束原則和實現(xiàn)方法。

2. 設(shè)計原則與實現(xiàn)方法研究

由于存在攜行、機載、車載設(shè)備等站型,衛(wèi)星通信設(shè)備種類較多,每種型號需要不同的專業(yè)維護人員;隨著設(shè)備種類的增加,出現(xiàn)人員缺、成本高等問題。首先,要解決平臺種類多的問題,提出一種共用的三層硬件平臺,以適應(yīng)多數(shù)應(yīng)用場景。

SDR的設(shè)計原則是多層架構(gòu)涉及的異構(gòu)處理器(GPP/PPC/ARM/FPGA)款型盡可能保持固定和統(tǒng)一規(guī)劃,統(tǒng)一操作系統(tǒng)版本、總線/接口類型,必要情況下統(tǒng)一接插件選型。由于處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的耦合性較高,操作系統(tǒng)小版本號變更也可能會引入應(yīng)用移植的兼容性問題,而且實時操作系統(tǒng)版本證書價格昂貴、每個版本需要單獨購買,所以,根據(jù)上述設(shè)計原則,提出一種通用SDR平臺,以部署衛(wèi)通波形為案例,進行系統(tǒng)設(shè)計分析。圖2給出了衛(wèi)星通信的通用SDR體系架構(gòu)實現(xiàn)方案圖。

根據(jù)圖2總結(jié)的現(xiàn)有衛(wèi)星通信架構(gòu)向SDR架構(gòu)演進所面臨的技術(shù)路線,給出了一種衛(wèi)通SDR平臺的實現(xiàn)方法,如圖3,給出了核心器件種類、OS版本及各類必須的總線接口。

衛(wèi)通SDR平臺的可編程性、功耗、性價比等優(yōu)點突出。該平臺的核心處理器選型,以高性能和自主可控為首要依據(jù),支持多波形重構(gòu)、可編程能力;三層架構(gòu)每一層都具有CPU,使得該平臺可以靈活支持SCA框架中的組件管理。平臺支持高性能的總線拓撲實現(xiàn),以太網(wǎng)、高速SRIO可以支持交換架構(gòu),可以實現(xiàn)三層架構(gòu)間的高速數(shù)據(jù)交換。

衛(wèi)通SDR平臺內(nèi)外的互聯(lián)總線選型比較考究,應(yīng)盡量減少總線類型,還要兼顧傳統(tǒng)設(shè)備的兼容性。提煉多類型設(shè)備的共性接口類型后,通用平臺選擇了RS232、RS485、工業(yè)以太網(wǎng)、SRIO總線為主要接口總線。雖然,現(xiàn)階段SRIO鏈路標準協(xié)議不足夠完善,不具備以太網(wǎng)自動協(xié)商和熱插拔技術(shù),但其通過合理的應(yīng)用層設(shè)計后可以完善自動互聯(lián)功能,是繼以太網(wǎng)之后最具競爭力的高速總線接口;通過選擇SRIO接口作為高速互聯(lián)接口,使得SDR通用平臺支持高速交換架構(gòu)和具備下一代產(chǎn)品的接入能力,拓展了其通用性。

根據(jù)傳輸總線類型,本文研究了SDR平臺的功能布局和顆粒度劃分的實現(xiàn)方法——三層分割。衛(wèi)通平臺總體趨勢向小型化和通用化演進(LRM/VPX 3U標準、6U標準板卡等);硬件顆粒度劃分,直接決定平臺模塊的繼承性和互聯(lián)性;通用總線的引入,可以使得各層模塊的升級具備獨立的更換性。如圖3,新型設(shè)備的內(nèi)部模塊設(shè)計應(yīng)盡可能按照本文提出的三層架構(gòu)進行軟件-硬件功能顆粒度設(shè)計,以具備通用性、擴展性。

SCA軟件架構(gòu)設(shè)計和處理能力優(yōu)化。SCA2.2.2規(guī)范架構(gòu)自提出以來,并未提供公開的性能指標,很顯然其實時性較差;本文從三層架構(gòu)的顆粒度劃分上規(guī)避了高速采樣數(shù)據(jù)(舉例,48MSPS采樣信號的IQ數(shù)據(jù)吞吐量高達4.608Gbps)直接進入處理器或者中間層數(shù)據(jù)交換的情況,采樣數(shù)據(jù)被約束在信道層,采用FPGA將實時信號處理能力提升到極致。以高速時分多址衛(wèi)通應(yīng)用為例,其對實時性能和吞吐帶寬要求較高;而SCA MHAL交換速率很難超過3Gbps的業(yè)務(wù)能力,不支持高達48MSPS/4.608Gbps數(shù)據(jù)流交換,且不適合實時時分數(shù)據(jù)處理。為解決該問題,采用信道層設(shè)計解決了48MSPS采樣數(shù)據(jù)到基帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理,使用信道層完成基帶幀到實時時分包收/發(fā)處理方法,將對實時性要求不高的低速率基帶幀設(shè)計為MHAL層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容,規(guī)避了MHAL無法實時處理高速數(shù)據(jù)的問題;三層架構(gòu)中的主控層和應(yīng)用層僅處理應(yīng)用接口、基帶業(yè)務(wù),規(guī)避了采樣處理和參數(shù)計算等高處理器資源占用處理情況;綜上,該衛(wèi)通SDR平臺的業(yè)務(wù)處理能力可以高達150Mbps。另外,SCA4.4版本的帶寬和實時性得到了較大提高,在正式版應(yīng)用后,以期進一步優(yōu)化三層處理架構(gòu),向更高速采樣處理和更強的基帶處理能力進行擴展設(shè)計。

綜上所述,這種三層SDR平臺演進過程較為平滑、技術(shù)可實現(xiàn)性高,而且這種三層架構(gòu)的平臺具備較高性能和通用性,可以直接部署現(xiàn)有的衛(wèi)星通信軟件或者其他應(yīng)用波形,能夠作為一款通用的SDR平臺來長期使用。

3. 結(jié)束語

經(jīng)過上述專用設(shè)備現(xiàn)狀分析、架構(gòu)對比、演進思路分析和實現(xiàn)方法討論可以發(fā)現(xiàn),衛(wèi)星通信SDR平臺的演進技術(shù)研究是必要的且必須進行的。本人從多類專用的衛(wèi)星通信設(shè)備設(shè)計和使用中遇到的問題出發(fā),研究了各類平臺的硬件架構(gòu),提出一種便于維護的通用SDR平臺,已經(jīng)在SDR 4U、8U VPX/LRM終端設(shè)計和新型板卡設(shè)計中進行實現(xiàn)和推廣,以期形成貨架產(chǎn)品、迭代出高可靠性產(chǎn)品并降低生產(chǎn)成本。高通量時代來臨,小型化的各型設(shè)備復(fù)雜度成指數(shù)上升,衷心希望本文能為相關(guān)工程人員的SDR系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)并解決實際應(yīng)用中所遇到的部分困惑。

參考文獻:

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