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軟件無線電的開放式軟件通信體系結(jié)構(gòu)
摘要：介紹了軟件無線電系統(tǒng)的開放式軟件通信體系結(jié)構(gòu)，提出在可重新配置的硬件平臺(tái)上建主一種分布式處理環(huán)境，運(yùn)行不同供應(yīng)商提供的軟件組件以支持各種服務(wù)，從而達(dá)到系統(tǒng)軟件的可移植性、重用性和伸縮性。關(guān)鍵詞：軟件無線電 軟件通信結(jié)構(gòu) CORBA IDL 域描述體
伴隨蜂窩無線個(gè)人通信系統(tǒng)服務(wù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了很多無線通信標(biāo)準(zhǔn)，如GSM、IS95、IS54/136、PDC等。這些空中接口對(duì)不同的應(yīng)用和服務(wù)都有各自約定的波段、調(diào)制解調(diào)機(jī)制、編解碼方式、復(fù)合接人技術(shù)和協(xié)議�？梢灶A(yù)見，在不久的將來，無線電通信系統(tǒng)必將把各種無線接入網(wǎng)集成到一個(gè)通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，通過一個(gè)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)。二十世紀(jì)90年代初開始，無線電的服務(wù)正從長(zhǎng)期依賴的硬導(dǎo)線連接向軟件無線電演進(jìn)。
1 基本思想
軟件無線電SDR(Software Defined Radio)為以軟件方式實(shí)現(xiàn)各種空中接口，提供靈活的無線通信方式以便于實(shí)現(xiàn)靈活的傳輸機(jī)制、協(xié)議和應(yīng)用。圖1所示為多模式(多個(gè)性)的SDR系統(tǒng)的功能模塊及標(biāo)準(zhǔn)接口點(diǎn)約定，其中無線電節(jié)點(diǎn)指基站或移動(dòng)終端。多模式技術(shù)要求可在一個(gè)以上的信道RF頻帶上接人，在圖1中為信道集。
圖1
一個(gè)軟件定義的個(gè)性包括RF頻帶、信道集、空中接口波形及相關(guān)功能。RF／信道接人模塊提供多個(gè)信號(hào)通道及跨越多個(gè)RF頻段的RF頻率變換。IF處理模塊包括濾波、進(jìn)一步頻率變換、空／時(shí)分集處理、波束成形及相關(guān)功能。多模式無線電產(chǎn)生多個(gè)空中接口波形，波形在調(diào)制解調(diào)器模塊確定。信息安全(INFOSEC)功能在無線應(yīng)用中越來越重要，該模塊主要實(shí)現(xiàn)傳輸安全、身份認(rèn)證及保護(hù)隱私等功能。調(diào)制解調(diào)器輸出的編碼信道比特流在INFOSEC被稱為黑色(密文)比特流，經(jīng)由INFOSEC變換為紅色(明文)比特流。然后通過協(xié)議棧加以處理，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)比特或源比特。網(wǎng)絡(luò)比特依從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)接口接人到遠(yuǎn)程源；源比特則通過源解碼器接到本地源。圖1中發(fā)展支持部分的功能是支持軟件目標(biāo)的下載及新技術(shù)插入[1]。
SDR的基本宗旨是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)代替現(xiàn)在主要的模擬信號(hào)處理。通過智能天線、寬帶RF器件、寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，利用通用可編程處理器實(shí)現(xiàn)IF、基帶及比特流處理。因?yàn)橛每芍匦戮幊痰能浖媪擞布M電路，通過動(dòng)態(tài)分配射頻、中頻、ADC、DPS硬件和算法，并將軟件對(duì)象分配到硬件組件中，使得軟件無線電可以在線改變自己的特性。支持軟件無線電可重新配置的技術(shù)有：
(1)可通過重載微程序進(jìn)行重新配置的可編程門陣列(FPGA)；
(2)可通過重載代碼在指令存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行重新配置的通用處理器。
圖2
這些軟硬相關(guān)的微程序和代碼的倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行在系統(tǒng)某處的通用處理器，它包含帶有文件系統(tǒng)訪問FPGA和處理器的操作系統(tǒng)。這個(gè)通用處理器通常也包含與外部信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)行通信的接口，例如用戶接口或者臨近的監(jiān)控站。
2 SDR的軟件通信體系結(jié)構(gòu)
軍用聯(lián)合策略無線電系統(tǒng)(JTRS)定義的軟件通信體系結(jié)構(gòu)SCA (Software Communication Architecture)規(guī)范經(jīng)歷了Steps 2A和Steps2B兩期的修正改進(jìn)。當(dāng)前版本Version 2．2是2001年11月30日在JTRS網(wǎng)站上發(fā)布的，被軟件無線電論壇(SDR Forum)作為SDR的標(biāo)準(zhǔn)。
SCA不是一個(gè)實(shí)現(xiàn)方面的結(jié)構(gòu)，而是要建立一種為JTPS軟件無線電開發(fā)而與實(shí)現(xiàn)無關(guān)的框架。SCA規(guī)范包括一篇闡述軟件通信體系結(jié)構(gòu)的主要文檔和相關(guān)附錄文檔。附錄文檔有JTRS定義的應(yīng)用環(huán)境描述體(AEP)以及域描述體(Domain Profile)，描述體包含協(xié)議信息。SCA規(guī)范的附錄文檔還包括波形配置的應(yīng)用程序接口(API)、服務(wù)定義API、安全性說明、Rational UML文檔，以及配置管理文檔。
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2為SDR系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和模塊接口示意圖，其中CORBA ORB & Services模塊和Operating System模塊使用現(xiàn)有商用產(chǎn)品。該軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：最大程度地利用了商用產(chǎn)品和協(xié)議；通過開放式分層結(jié)構(gòu)將核心應(yīng)用程序和非核心應(yīng)用程序從底層硬件獨(dú)立出來；通過通用對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)(CORBA)提供了一種分布式處理環(huán)境，從而達(dá)到軟件應(yīng)用程序的可移植性、重用性和伸縮性。按比特流分段，系統(tǒng)分為黑色總線(密文傳輸)、信息安全(INFOSEC)和紅色總線(明文傳輸)三個(gè)子段。這些子段在物理上是相互隔開的，從而保證黑／紅之間的隔離和INFOSEC的完整性。參照OSI的七層模型，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)物理層、MAC層和部分邏輯鏈路層的任務(wù)，然后通過I／O模塊與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
系統(tǒng)由操作環(huán)境(Operating Environment)、應(yīng)用程序、邏輯設(shè)備和通用軟件規(guī)則構(gòu)成。OE包括核心框架(CF)、中間件(如CORBA的對(duì)象請(qǐng)求代理ORB)和操作系統(tǒng)，其中ORB必須支持minimumCORBA(最小CORBA)規(guī)范。CORBA的擴(kuò)展服務(wù)，如命名服務(wù)、日志服務(wù)、事件服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)事件等也作為中間件的一部分。
2．2 核心框架IDL
與應(yīng)用程序接口(APl)
核心框架CF(Core Framework)由一組開放式軟件接口和描述體構(gòu)成，定義了嵌入式通信系統(tǒng)中的應(yīng)用程序組件的配置信息、管理機(jī)制及相互通信方式。CF接口通過IDL進(jìn)行定義，分為下面幾類：
(1)基本應(yīng)用程序接口，包括端口(Port)、生命周期、屬性集、資源工廠和資源等；
(2)框架控制接口，包括應(yīng)用程序、應(yīng)用程序工廠、域管理器；設(shè)備和設(shè)備管理器；
(3)框架服務(wù)接口，包括文件、文件系統(tǒng)、文件管理器。
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SCA規(guī)范的附錄C以Rational UML的表達(dá)方式詳細(xì)描述了各類接口之間的關(guān)系。這些以IDL定義的接口以及這些接口的繼承類也就形成了應(yīng)用程序的接口(API)，被波形應(yīng)用程序引用。CF利用CORBA結(jié)構(gòu)進(jìn)行消息傳遞。標(biāo)準(zhǔn)的API對(duì)于應(yīng)用程序的靈活使用和設(shè)備的替換使用都很重要，同時(shí)也可以保證服務(wù)提供者和用戶無需考慮開發(fā)和使用時(shí)操作環(huán)境(OE)和編程語言的不同。
2．3 應(yīng)用程序環(huán)境描述體 (Application EnvironmentProfile)
SCA應(yīng)用程序環(huán)境描述體(AEP)基于POSIX實(shí)時(shí)應(yīng)用程序支持標(biāo)準(zhǔn)(IEEE Std 1003．13—1998)，支持波形的可移植性、結(jié)構(gòu)的伸縮性以及商用服務(wù)期限。圖2中的Operating System要求POSIX兼容的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(OS)應(yīng)提供AEP指定的功能和選項(xiàng)。CORBA對(duì)象請(qǐng)求代理ORB、CF框架控制接口、框架服務(wù)接口和硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)在訪問OS提供的AEP服務(wù)時(shí)不受限制，而應(yīng)用程序訪問OS的這些服務(wù)時(shí)受限制，需要通過CF訪問文件系統(tǒng)。SCA規(guī)范附錄B詳細(xì)說明了與AEP相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。
2．4 域描述體(Domain Profile)
SDR設(shè)備的目的是建立一個(gè)可重新配置的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)可運(yùn)行不同供應(yīng)商提供的軟件組件支持用戶需要的服務(wù)，硬件設(shè)備和軟件組件構(gòu)成了一個(gè)SCA的系統(tǒng)域。SCA規(guī)范要求可移植的軟件組件提供通用信息，清楚地定義硬件設(shè)備和軟件組件的信息和交付格式，包括組件的位置、標(biāo)識(shí)、屬性、性能及相互間的關(guān)系，這些信息稱為域描述體。域管理器就是利用域描述體的組件配置信息來啟動(dòng)、初始化和維護(hù)SCA兼容的系統(tǒng)中安裝的應(yīng)用程序。
對(duì)象管理組織OMG(Object Management Group)制定的CORBA組件規(guī)范定義了面向?qū)ο蟮目蚣苤熊浖M件的交付配置過程，交付格式采用擴(kuò)展標(biāo)記語言XML。SCA規(guī)范關(guān)于域描述體的約定遵循CORBA組件模型原理，域描述體使用文檔類型定義(DTD)格式，文檔后綴為“．dtd”。SCA規(guī)范定義的DTD文檔有以下幾類，開發(fā)過程中還可以增加自己的DTD文檔。
(1) Profile Descriptor：為SAD、SPD或DCD實(shí)例提供完整的文檔名，通過CF接口的“Profile”屬性進(jìn)行訪問。
(2)Software Assembly Descriptor(SAD)：描述應(yīng)用程序／波形的軟件配置特性和組件的連接特性。
(3)Software Package Descriptor(SPD)：確定一個(gè)軟件組件的實(shí)現(xiàn)情況，如處理器類型、操作系統(tǒng)、執(zhí)行代碼類型和文件名等。
(4)Software Component Descriptor(SCD)：描述CORBA軟件組件及其接口。
(5)Device Package Descriptor(DPD)：用于確定制造商的信息。
(6)Device Configuration Descriptor(DCD)：指明組件如何在最初時(shí)啟動(dòng)一個(gè)設(shè)備并找到域管理器。
(7)Properties Descriptor File(PRF)：描述軟件包或設(shè)備包的屬性。
SCA規(guī)范附錄D詳細(xì)說明了有關(guān)的DTD文檔。下面以DCD類型文檔為例說明這類文檔的用途和使用方法。DCD類型文檔引用的DTD文件名為“deviceconfiguration．+SCA版本號(hào)+．dtd”，如deviceconfiguration．2．1．dtd。根據(jù)它產(chǎn)生的XML文檔實(shí)例通常以“_DCD．xml”為擴(kuò)展名，如NodeI_DCD．xml。XML文檔在第二個(gè)有效行指出引用的DTD文檔，XML解析器根據(jù)指定的DTD文檔來驗(yàn)證XML文檔的有效性。
2．5 安全結(jié)構(gòu)(Seeurity Architecture)
在軍用系統(tǒng)中，有專門的組織定義、維護(hù)和研究安全措施方面的問題。隨著工商部門對(duì)保守企業(yè)秘密要求的不斷提高，安全性功能不再只是針對(duì)JTRS的需求，信息安全(INFOSEC)處理器的重要性也在不斷提高。利用可編程的INFOSEC器件，可實(shí)現(xiàn)軟件定義的INFOSEC。SCA的體系結(jié)構(gòu)也采用了可編程的信息安全模塊。
3 參考案例
3．1典型的SDR收發(fā)器子系統(tǒng)
典型的SDR收發(fā)
器應(yīng)包括以下三個(gè)組成部分：
(1)RF接口模塊：信號(hào)下行傳輸時(shí)，RF模擬信號(hào)需要經(jīng)過頻率變換和A／D轉(zhuǎn)換，形成寬帶中頻數(shù)字信號(hào)；信號(hào)上行傳輸時(shí)反之。本模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)變頻、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換，這里不采用可運(yùn)行OS和ORB的嵌入式處理器。
(2)通道化和預(yù)處理模塊：本模塊由多個(gè)FPGA和一個(gè)控制這些FPGA的處理器構(gòu)成。信號(hào)下行傳輸時(shí)，將中頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)字下變頻(DDC)得到窄帶基帶信號(hào)，上行傳輸時(shí)反之，數(shù)字下變頻和上變頻(DUC)均通過FPGA實(shí)現(xiàn)。每個(gè)FPGA必須有它自己的邏輯設(shè)備，代表傳輸模塊的邏輯設(shè)備必須放在本模塊的嵌入式處理器上，以便其它SCA設(shè)備和應(yīng)用程序訪問本模塊。設(shè)備管理器和設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及支持軟件也必須運(yùn)行在這個(gè)嵌入式處理器上。需要注意的是，通過CORBA總線，處理器可以運(yùn)行任何CF組件，不論這些組件在系統(tǒng)何處實(shí)例化。
(3)基帶處理模塊：該模塊對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制／解調(diào)和位流處理得到用戶數(shù)據(jù)。負(fù)載數(shù)據(jù)(Payload)通過Ethernet送出收發(fā)器子系統(tǒng)。
所有的處理器都必須運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)(OS)和對(duì)象請(qǐng)求代理(ORB)。波形應(yīng)用程序運(yùn)行在通用處理器上。
3．2 SDR-3000軟件無線電收發(fā)器
經(jīng)過Step2A和Step2B兩期的研發(fā)，Boeing、Harris、Motorola等公司各自開發(fā)出了自己的SDR產(chǎn)品。SDR-3000是加拿大Spectrum Signal Processing公司FlexComm平臺(tái)的最新產(chǎn)品。該產(chǎn)品支持上百個(gè)同步收發(fā)的信道，每個(gè)信道包含一個(gè)獨(dú)立的空中接口協(xié)議。FlexCommSDR-3000平臺(tái)幾乎支持所有天線接口標(biāo)準(zhǔn)，適合于聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線業(yè)務(wù)(JTRS)、機(jī)載通信站點(diǎn)(CAN)，以及各種蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的軟件無線電系統(tǒng)開發(fā)與使用。其優(yōu)越性在于：在已有硬件的基礎(chǔ)上，可通過無線或網(wǎng)絡(luò)安裝新的升級(jí)版本、新的應(yīng)用程序和波形，支持現(xiàn)場(chǎng)更換；已配置系統(tǒng)不需要進(jìn)行額外的硬件投資即可提供新的業(yè)務(wù)和能力，可節(jié)省很大的成本。
FlexComm SDR-3000是一種模塊化的軟件無線電收發(fā)器結(jié)構(gòu)，由三塊板組成，系統(tǒng)模塊接口如圖3所示。從天線獲得的射頻信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊得到中頻數(shù)字信號(hào)，并通過基于RapidIO的高速串行總線被送到軟件I／O模塊；在這里執(zhí)行通道化功能、數(shù)字下變頻DDC和其它預(yù)處理，然后經(jīng)過串行總線傳送到基帶處理模塊；數(shù)據(jù)收發(fā)器子系統(tǒng)得到的負(fù)載數(shù)據(jù)最后經(jīng)嵌入式CompactPCI分組交換背板的Ethernet總線送到外部子系統(tǒng)。
圖4為SDR-3000的軟件結(jié)構(gòu)示意圖。其中VSI／Pro是MPI軟件公司提供的矢量信號(hào)圖像處理標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。該車兼容VSIPL嵌入式API標(biāo)準(zhǔn)，包括各種通用處理函牧，如FIY、FIR濾波器。quicWave是基于VSI／Pro開發(fā)的車，用于開發(fā)波形組件。quicComm庫(kù)用于支持板級(jí)功能函數(shù)，如處理器間的通信、可編程的FPGA和PowerPC的啟動(dòng)及某些I／O操作等。
SDR-3000的硬件和軟件都支持SCA，實(shí)際應(yīng)用中可以選擇是否采用這種系統(tǒng)架構(gòu)。 目前，F(xiàn)lexComm SDR—3000系列產(chǎn)品并沒有包含SCA核心框架(CF)的服務(wù)功能，但收發(fā)器子系統(tǒng)可以通過CORBA總線(通過Ethernet總線傳輸)訪問運(yùn)行在系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的CF服務(wù)。
3．3 PC上的參考實(shí)現(xiàn)模型
加拿大通信研究中心(Communications Research Centre Canada)在SDR論壇的支持下開發(fā)出了兼容SCA的軟件無線電系統(tǒng)參考實(shí)現(xiàn)模型。該系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)，使用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)。詳細(xì)資料可從其網(wǎng)站http：／／www．crc．ca獲得。
可編程的FPGA和DSP等硬件技術(shù)與面向?qū)ο蟮姆植际教幚砑夹g(shù)使軟件無線電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能，但其發(fā)展還要面對(duì)很多挑戰(zhàn)，需要硬件開發(fā)商、核心框架開發(fā)者、波形應(yīng)用程序開發(fā)人員和系統(tǒng)集成開發(fā)商的共同努力。
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