軟件無線電技術及其發展

李曉陸 余 翔 王 琳

【摘要】文章簡要闡述了軟件無線電的特點及其發展歷程,重點分析了推動美軍聯合戰術無線通信系統(JTRS)發展的關鍵要素及其主要技術,最后給出了軟件無線電未來發展的構想。

【關鍵詞】軟件無線電SCAJTRS波形集成開發環境

1 概述

根據國際電信聯盟(ITU)的定義,軟件無線電是一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺,將各種功能,如調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成,并使寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線,以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統,如圖1所示。

軟件無線電技術的設備具備如下特點:

◆開放式體系結構,可擴展性強;

◆模塊化程度高,可配置,易維護;

◆軟件組件化,可移植,可復用,從而縮短開發時間,降低研制成本;

◆可加載多種波形,即統一的平臺兼容多種通信體制,可大大減少設備的種類,降低維護成本;

◆通過升級軟件或部分模塊,實現新技術的嵌入;

◆支持靈活的組織應用模式,有效地實現互連互通和互操作。

2 軟件無線電技術的發展歷程

自1992年Joseph Mitola在美國電信系統會議上首次提出軟件無線電的概念以來,美國軍方給予了高度的重視,并在其發展中始終占據領先的地位。其發展可歸納為如下幾個階段:

(1)概念驗證與初步體系結構的提出

在1992年和1997年,美國防部(DOD)先后實施了Speakeasy和可編程模塊化通信系統(PMCS,Programmable Modular Communication System)計劃,開展軟件無線電的研究工作。Speakeasy(I、II期)和PMCS計劃成功完成了多頻段多模式電臺樣機的開發,實現了多類電臺的互通,證明了軟件無線電在技術上的可行性,并制定了軍用無線通信系統的開放式的體系結構(即紅、黑邊分區的安全架構;模塊化、標準化互聯總線的硬件結構),為后續工作的開展奠定了基礎。

(2)JTRS計劃的頒布;明確需求、使命;推進階段與組織管理機構的建立

1997年,美國防部批準了JTRS(Joint Tactical Radio Systems,聯合戰術無線電通信系統)計劃,1998年3月發布了JTRS聯合作戰需求文件(JORD),10月成立了聯合戰術無線電系統計劃辦公室(JPO)。JTRS計劃的使命是開發一系列可互操作,且經濟上可承受的軟件定義無線電臺,為聯合部隊提供安全的無線網絡通信能力。JTRS計劃采用漸進式采購和螺旋式發展策略。

(3)JTRS計劃的執行

◆ 第一階段(Step 1:于1999年6月完成)為體系結構定義階段,對需求、波形和技術基礎進行分析,提出可保證向下兼容、未來可擴展的JTRS軟硬件體系結構,產生基礎體系結構定義報告(ADR)。

◆ 第二階段(Step 2:于1999年10月啟動)是體系結構開發和驗證階段,形成并完善JTRS的重要基礎——軟件通信體系結構(SCA)標準,具體細分為2A、2B、2C三期。

◆ 第三階段(Step 3:2003年4月開始)為采購與裝備階段。JTRS將支持保密和非保密的寬帶、窄帶波形和話音、數據多媒體業務,具有動中通組網能力,且在體積、功耗和頻譜利用率等性能指標上得到進一步改善。從2004年開始采辦5大群集(Cluster)的JTRS硬件平臺和波形,逐步裝備部隊并最終將取代各軍種當前使用的各個頻段的無線電臺及一部分專用戰術通信設備。

(4)JTRS計劃的調整

2005年1月,由波音公司牽頭的JTRS群集1型號的研制成本、電臺的體積、功耗和重量、WNW技術指標均與設計要求存在較大差距;系統信息安全存在問題,并對群集5項目產生了很大的影響。美國國防部采購主管于3月31日簽署了官方采辦備忘錄(ADM),批準了JTRS新計劃。

JTRS新計劃肯定了JTRS定位,主要在以下幾個方面進行了調整:

1)改變了群集項目模式。將原5個群集調整為4個區域,如圖2所示:

圖2 調整后的JTRS計劃組織結構

2)明確后續技術開發工作重點。要求最優先開發組網功能,著重研發3種軟件波形,即寬帶組網波形(WNW)、士兵電臺波形(SRW)和聯合機載網絡戰術邊緣波形(JANTEW);將電臺型號由26個減少到13個,波形數目由32個減少到9個,同時還減少了一些電臺的信道數量。

3)加強集中管理。2006年2月成立的JTRS聯合計劃執行辦公室(JPEO),負責對JTRS各項目計劃需求和預算進行核準;組織編寫對產品系列的測試和評估計劃;為JTRS系列產品確定一個通用的標準,以保證滿足GIG的應用要求。

4)加強風險控制。JTRS采辦方式由“爆炸式”改為“漸進式”,將研發預算從60億調低到40億美元。并提出了解決部隊急需更新裝備的“替代方案”,批準采購了一批“過渡電臺”。

(5)JTRS計劃的快速進展

2005年夏,波音公司完成了WNW及其JTRS GMR電臺高級性能測試。2006年1月底,向FCS交付7臺JTRS GMR,計劃年內再提交50套。隨著JTRS GMR問題的解決,通用動力公司的HMS(原群集5)電臺的開發按照進度和預算正常進行。

在2006年1月,Thales公司的JTRS增強型多頻段小組內/小組間電臺(原群集2,JEM或MBITR)完成了SCA認證和國家安全局(NSA)1類加密認可,通過了政府的全面測試與評估,可確保電臺能夠滿足作戰需求。這是第一個通過認證和評估的JTRS電臺。

2007年1月,JTRS計劃網絡企業領域交付了WNW V2.0版;士兵級集成通信環境波形V2.1版在位于新澤西州迪克斯堡的C4ISR測試床所模擬的真實作戰環境中通過了技術測試。

2007年4月,JTRS地面移動無線電臺(GMR)組件在亞利桑那州的瓦丘卡堡進行了演示,其網絡有9個節點,其中4個節點是加載了WNW、增強型定位與報告系統(EPLRS)及單信道地面和機載電臺系統(SINCGARS)波形的4信道GMR,2個節點是海軍陸戰隊的艦艇傳統EPLRS,其余節點是陸軍車載裝備。這次演示證明了GMR與EPLRS等電臺的互通能力和Ad Hoc組網能力,以及WNW傳輸文本報文、視頻和白板業務的能力。

3 推進JTRS計劃的要素及關鍵技術

經過10多年的發展,JTRS在近年來取得了較大的進展,并通過實踐表明軟件無線電的設計開發與傳統無線電工程存在巨大的差別,JTRS計劃在組織管理、技術實現、設備集成與維護等方面都有較大的創新之處,從而為其目標的實現提供了有力的保障。分析與借鑒其有關經驗,對推動軟件無線電技術的發展與應用有著十分重要的意義,簡要歸納有如下幾點:

◆需求清晰,目標明確;

◆系統規劃,且階段性要求明確,組織、分工有較大的創新;

◆抓住本計劃的關鍵因素,并做好與其它基礎研究成果的整合;

◆堅定信心,及時解決問題。

JTRS的關鍵技術主要涉及以下幾個方面:

◆軟件無線電體系架構;

◆數字信號處理;

◆寬帶射頻前端;

◆寬頻段天線;

◆系統總線互聯及標準接口;

◆波形集成開發環境;

◆標準符合性認證;

◆波形管理。

其中數字信號處理、寬帶射頻前端、寬頻段天線和系統總線互聯及標準接口主要利用商業貨架技術和基礎研究課題的成果。

以JTRS計劃為主導推動發展的幾個關鍵技術及其主要作用包括:

(1)軟件無線電體系架構

JTRS計劃首先推動的工作是SCA標準的研究、頒布與驗證。SCA是實現如下JTRS技術目標的根本保證:

◆通用化、模塊化和標準化;

◆平臺與波形相獨立,且具有良好的開放性;

◆波形動態加/卸載。

SCA標準的不斷發展和完善,至今已形成SCA V2.2.2版,包括硬件體系結構、軟件體系結構、安全體系結構和網絡體系結構。其中軟件操作環境(OE)由主框架、日志與中間件服務、設備接口、波形API、異構處理單元和安全保密組成,如圖3所示:

圖3 SCA體系結構及其標準體系

(2)波形集成開發環境

波形集成開發環境是一套類似于C++軟件編程的集成工具(IDE),它集成了建模、編輯、編譯、連接、庫管理和調整等工具(如圖4),涉及到基于模型驅動架構(MDA)的波形設計方法、波形描述語言等專門技術,通過平臺無關模型(PIM)、平臺相關模型(PSM)技術最大程度保證了波形應用組件的可移植性及與平臺的無關性。通過了符合性認證的波形集成開發環境可在如下方面發揮作用:

◆規范波形開發過程,提高波形組件開發的效率和波形組件的質量,降低開發成本;

◆縮短系統集成開發周期;

◆降低第三方波形組件嵌入的難度;

◆保證對系統的標準/規范符合性;提高成熟波形組件的可重用性;

◆為波形的管理提供技術工具;

◆為用戶系統的波形重構提供技術手段。

(3)標準符合性認證

符合性測試是對待測對象的接口和功能是否滿足體系結構規范的要求進行測試、統計、分析并形成測試報告的過程。JTRS為保證所開發的軟件無線電平臺和波形符合SCA標準的要求,設置了波形驗收、波形庫管理和SCA一致性認證的專門機構JTEL,即JTRS測試與認證實驗室(JTRS Test and Evaluation Laboratory)。JTEL有以下三個方面的職責:

1)一致性測試

◆提供JTRS波形驗收和SCA一致性建議給JPEO;

◆提供JTRS操作環境SCA一致性建議給JPEO。

2)波形庫管理

所有經過SCA認證的JTRS波形保存在JTEL波形庫中。

3)先進性保證

提供先進SDR技術的指導。

其中一致性測試的主要內容包括:

1)JTRS波形;

2)操作環境(OE),具體包含:

◆操作系統;

◆CORBA中間件;

◆SCA核心框架;

◆電臺硬件和設備驅動;

3)任何一項有變更的重新認證;

4)回歸測試。

(4)波形管理

波形管理是對通過認證的戰術通信波形及其組件數據庫的管理,涉及數據庫管理、數據融合和安全等技術。

4 未來發展的展望

隨著信息化社會建設的發展,迫切需要新型的無線通信系統,具體包括:

◆全空間域的無線通信;

◆全業務域的無線通信;

◆全距離域的無線通信;

◆全頻域的無線通信;

◆可重構的無線通信系統。

傳統的單一設備堆砌式的無線通信裝備發展方式難以解決多種傳輸體制并存、頻率資源緊缺的矛盾,并滿足如上需求。此外,與平臺基礎設施的非一體化設計方式降低了系統的效能,增加了成本。軟件無線電技術的應用將促成通信系統的變革性發展,首先是通信設備的計算機化,如圖5所示。其主要特點包括:

◆軟/硬件平臺相互獨立,且開放;

◆符合標準(總線、接口等)要求;

◆模塊化設計。

圖5 通信設備與計算機的類比

由此,用戶可以根據需要,通過配置(第三方的)應用軟件改變或增加設備的功能,也可以通過更換或增加某一模塊來更新、增強部分能力(如配置專業顯卡等)。

其次,它將改變傳統的設備研制方式,形成相關的產業鏈,如圖6所示。由此,用戶可選用最優和成本合理的技術及部件,大大降低使用和維護成本。

圖6 軟件無線電設備開發產業鏈

軟件無線電技術是各界公認的發展方向,將使通信電子設備的設計、開發及使用等產生革命性的變化,在產品質量、成本、技術先進性等方面發生實質性的改變。經過20多年的研究,軟件無線電技術及其標準的建設取得了豐碩的成果,但其最終目標的實現可能需要多種規模的技術驗證并完善技術標準,同時做好配套技術(如核心芯片、操作系統、中間件等)的儲備以及相關的管理政策,處理好知識產權等問題。