一種新型SCA電臺的分析與設計

張海燕， 叢 鍵

（西南通信技術研究所，四川 成都 610041）

0 引言

戰術電臺作為機步師、快反旅等戰術通信系統中用于構建無線通信網絡的主要通信裝備，長期以來都獲得高度重視和重點發展。借鑒美軍戰術電臺的裝備體系建設規劃和技術演進路線，新型戰術電臺的發展趨向于在通用化的電臺硬件平臺上集成多種通信模式、覆蓋更寬頻段、支持多種用途并具備先進的安全保密和抗干擾能力。

在戰術無線通信的使用環境中，通常缺乏通信基礎設施的支撐，因此具有自組織、自愈合的移動自組網功能，是新型電臺需要具備的基本能力，具體包括：支持路由、中繼、網關等多種網絡服務；提供點對點、點對多點、組播、廣播多種網絡通信模式、能自動實現入網、退網、重入網；能支持子網內、子網間動態路由；能夠動態控制網絡拓撲結構、路由機制和帶寬分配等。

由于無線電信號的傳播特點，無線通信部分是戰術通信系統中較容易入侵的環節，傳統的基于業務流的加密技術已無法滿足新型電臺網絡應用的安全保密需求。本文重點參照 JTRS系列電臺的設計思想，基于SCA的紅黑隔離機制，設計一種具有安全保密功能的新型電臺以滿足戰術通信安全保密的組網應用需求。

1 美軍JTRS網絡結構

從JTRS的設計目標[1]來看，與民用通信網絡的發展思路近似，即通過減少網絡體系中節點的種類（JTRS是通過讓同一種設備能夠承擔更多的應用功能來達到這一目標），來構造一個扁平化的、全IP的、具有全球無縫覆蓋能力的網絡架構[2]。

JTRS的應用場景中主要包括以下要素：

1）海上單位通過AMF-M或MIDS-J經衛星連接到空中平臺，實現到GIG的接入。

2）陸地單位GMR與HMS通過WNW、SRW構建若干個子網，并經過AMF-SA/空中平臺或經過UHF SATCOM實現子網間的互聯以及接入到GIG。

3）覆蓋范圍：WNW/SRW 用于構建小范圍的局域網絡；WNW 用于為局部地理范圍內的網絡互連，提供干線傳輸支撐；JAN-TE、UHF SATCOM、Link16用于實現較大范圍內的網絡互連；MUOS用于實現GIG的全球覆蓋目標。

JTRS部署應用典型場景[3]如圖1所示。

JTRS系統由一系列具有覆蓋較寬頻率范圍、具有MANET路由選擇能力、基于SCA架構的SDR系列電臺構成。JTRS計劃是以增量的方式[4]推進，處于每一層網絡體系上的電臺部署的波形都是具備MANET能力的組網波形，每種組網波形不僅能完成戰術環境中某一特定作戰需求，而且為基于IP的業務提供通用傳輸能力。目前，按照 JTRS 演進步驟已基本完成WNW、SRW、MUOS及JAN_TE四種波形在不同的 JTRS的各域上的功能、性能驗證工作，已完成驗證的 JTRS中的電臺及組網波形類型如表1所示。

表1 已完成驗證的電臺及組網波形

2 兩款典型新型電臺[4]網絡特性分析

（1）AN/PRC-155電臺

JTRS HMS項目中的MP背負式電臺（AN/PRC-155）是第一種支持雙信道的SDR戰術電臺，具備滿足“網絡中心”要求的連通性和與現役電臺的互操作性能力。AN/PRC-155安裝了兩種先進波形：SRW、MUOS（移動用戶目標系統）。AN/PRC-155電臺配置了SRW波形后具備的通信性能如表2所示。

表2 配置SRW波形的AN/PRC-155電臺通信性能

（2）JTRS GMR

GMR（AN/VRC-107）是為 JTRS提供區域范圍的一種骨干通信手段來設計的，也是JTRS中最重要的項目計劃之一，GMR重點強調的是互操作性、組網能力、自適應能力與靈活性。GMR支持的波形包括：WNW、SRW、UHF SATCOM等。JTRS GMR電臺配置了WNW波形后具備的通信性能如表3所示。

表3 配置WNW波形的AN/PRC-155電臺通信性能

3 新型電臺體系結構

新型電臺的體系結構設計參考美軍 JTRS系統電臺，均采用SCA系列版本(SCA2.2及SCA2.2.2)[5]作為其系統體系結構。SCA強調通過多波形的集成能力，使新型電臺具備良好的多用途工作能力，并提升無線通信應用中的互操作能力。同時，由于戰術應用的特點，SCA對于通信安全保密性能相對其他方向有更高的要求，SCA規范的電臺體系架構如圖2所示。

基于SCA規范的電臺軟件體系架構將傳統電臺軟件設計從應用到驅動一體化設計演變為分層設計，即分解為電臺操作環境（OE，Operation Environment）和組網波形。

3.1 電臺操作環境（OE）[6]

新型電臺與傳統電臺軟件相比增加了 OE用于電臺的運行管理及波形的實現。新型電臺的 OE由操作系統、消息機制、核心框架構成。

實時操作系統層為上層的應用(包括核心框架和波形應用)提供多線程支持。為了實現上層應用的可移植性，SCA規范都要求有標準的操作系統接口，作為操作系統服務的提供者。另外，操作系統為上層應用程序提供標準的硬件訪問接口，屏蔽了底層硬件的異構性。

消息機制為波形應用部署在軟件平臺的部分提供與硬件平臺無關的統一消息機制，在新型電臺上主要采用三種消息機制，分別是：

1）GPP類處理器間的輕量級遠程過程調用（light weight Remote Procedure Call，lwRPC），通過lwRPC可以充分利用非共享內存的多處理器環境（如通過公共總線或者rapidIO交換），在傳輸層上實現了一種邏輯的客戶／服務器通信方法。

2）用于GPP和CE（處理單元）間通信的MHAL，MHAL是對SCA規范的一個補充，只用于GPP與CE類信號處理芯片的波形組件通信。MHAL能通過復制的實現來重定向數據流，從而在波形啟動時動態配置處理器上的資源。重定向數據鏈和可重新配置的能力對實現容錯和QoS功能的系統十分重要。

3）GPP內部通信機制，采用共享內存、消息機制等提供GPP內部組件間的高效信息交互。

3.2 組網波形

新型電臺的波形采用IP標準的分組交換設計，采用IPv4配合安全保密模塊共同使用的方式確保無線戰術網的安全。新型電臺采用MANET組網協議及技術，其信息分組的格式、路由與信令協議應當能夠適應網絡拓撲結構動態變化、無線傳輸鏈路帶寬受限、電磁環境惡劣、易受到干擾和攻擊等特點的要求。

組網波形針對自組織/自愈合的MANET的新型電臺應用模式，涵蓋了TCP/IP模型的全部內容，含多個功能實體，包括：RF、Modem、數據鏈路、子網內移動互連、INFOSEC（安全保密）、子網間移動互連等。

新型電臺的組網波形設計采用軟件無線電（SDR）混合無線協議棧架構的設計思想，波形具有可移植性、可重用性優點。符合SCA規范的標準波形組件，使不同的通信制式、通信協議可以通過使用或繼承的方式。基于軟件無線電方便的將這些波形組件加載到無線綜合傳輸系統中，既支持現役的各種通信波形技術，同時又可以添加和擴展新的波形技術。

圖2 SCA規范定義的電臺體系架構

波形軟件設計具有如下技術特點：

1）平臺與波形相獨立，且具有良好的開放性，波形支持動態部署，且只需要少量的移植代價就可以重新部署到新的平臺。

2）在 GPP類具有實時操作系統支撐的操作環境中，設計符合SCA規范的標準波形組件，該類波形組件完成波形裝配控制及波形應用層及網絡層的功能，不同波形的應用層及網絡層相似的部分可以通過組件的方式相互繼承。

3）在DSP類具有BIOS操作系統的操作環境中，按照 MANET無線協議棧分層思想設計波形數據鏈路層和物理層部分波形，不同波形的物理層和數據鏈路層，DSP類軟件的加載通過GPP處理器統一部署。

4）對FPGA類對信號處理實時性要求高的處理器，其軟件設計采用傳統設計方式，實現高速實時信號收發處理，FPGA類軟件的加載通過GPP處理器統一部署。

4 新型電臺采用的安全策略

新型電臺采用三種機制保障新型電臺在無線上的安全應用，三種機制分別涉及新型電臺硬件設計、軟件設計及網絡策略三個方面。

4.1 硬件設計

電臺硬件設計按照SCA規范紅黑隔離的需求設計，紅邊數字電路和黑邊數字電路中間由加密模塊完全隔開，加密前數字電路稱為紅邊硬件，加密后數字電路稱為黑邊硬件。紅邊硬件部分包括電臺應用接口、紅邊數字硬件；黑邊硬件部分包括：黑邊數字硬件、黑邊AD/DA、射頻處理。

采用紅黑隔離機制的新型電臺硬件設計如圖 3所示。

4.2 軟件設計

軟件平臺的軟件設計遵照SCA規范紅、黑架構，紅、黑邊軟件平臺之間的通道通過安全保密模塊隔離[7]，紅邊、黑邊軟件平臺分別外掛文件系統，應用波形部署在DSP及FPGA的軟件分別通過紅、黑邊軟件平臺加載。紅邊軟件平臺完成上電加載后的軟件平臺系統牽引，紅邊軟件平臺的域管理器完成對平臺內所有設備及資源的部署及配置管理。紅邊軟件平臺及黑邊軟件平臺分別部署獨立的設備管理器對其紅、黑邊內所有硬件設備進行。紅黑隔離的軟件設計如圖4所示。

應用波形的軟件設計采用協議棧分層設計的思想，在紅/黑邊分別不同的處理器上分別部署應用波形的各層實現，波形軟件實現內容包括：紅邊網絡層處理（部署在紅邊GPP）、黑邊網絡層處理（部署在黑邊GPP）、數據鏈路層處理（部署在黑邊GPP）、物理層處理（部署在黑邊DSP及黑邊GPP）[8]。

4.3 新型電臺網絡安全策略

基于SCA紅黑隔離的體系架構為安全保密的組網波形實現提供了一種途徑。組網波形的路由分兩部分：①紅邊路由：無線子網間路由，子網間路由及路由表的維護在紅邊完成；②黑邊路由：子網內路由，子網內路由及子網路由表的維護在黑邊完成。

黑邊的子網路由主要面向無線信道的子網內通信，當IP數據包只需要在無線子網內的中繼節點轉發時，可以不經過安全保密模塊解密及紅邊路由直接在黑邊從一個無線子網中繼轉發到組網內另外一個節點。當IP數據包已到達目標電臺或者需要在紅邊做網間中繼時才需要將加密數據包通過安全保密模塊解密后送入紅邊完成網間中繼功能或者IP數據到達紅邊配接業務終端功能。

5 結語

基于軟件無線電架構、具備寬頻段覆蓋和多用途特點、支持MANET的組網波形是新一代戰術電臺主要的技術發展與功能演進方向，因此通過軟件通信架構、寬頻段射頻前端、寬帶無線傳輸、移動柵格化自組網等技術的持續發展和綜合集成，實現通信保障能力明顯提升的新型戰術電臺，是構建面向網絡中心戰的下一代戰場通信網絡的重要途徑。

[1] 閻瑾.美軍戰術互聯網體系架構研究[J].通信技術,2011,44(09):105-107.

[2] NORTH R. Joint Tacitcal Radio System – Connecting the GIG to the Tactical Edge[C].USA:IEEE,2006:1-6.

[3] STEPHENS D R. JTRS Infrastructure Architecture and Standards[C]. USA:IEEE,2006:1-5.

[4] HASAN M S.Designing the Joint Tactical Radio System(JTRS) Handheld, Manpack, and Small Form Fit(HMS)Radios For Interoperable Networking and Waveform Applications[C]. USA:IEEE,2007:1-6.

[5] JTRS JPEO. Software Communication Architecture Specification[EB/OL].(2001-11-17)[2012-05-11].http://www.eng.auburn.edu/users/hamilton/.../SD R/SRD_Release_V2.2.pdf.

[6] 王爍,周家喜,王慶華.SCA架構軟件無線電臺設計與實現[J].通信技術,2011,44(06):40-42.

[7] CHAMBERLAIN M C. A Software Defined HF Radio[J].Military Communications Conference, 2005(04):2448-2453.

[8] 馬子驥,鄭善賢,劉宏立.一種基于軟件無線電的數字解調方法研究[J].信息安全與通信保密,2008(03):34-35,39.