軟件通信體系結構規范的演進研究＊

仇建軍 王曉陽 張 瓊

（1.海軍駐武漢地區通信軍事代表室 武漢 430079）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

軟件無線電，即部分或全部的物理層功能由軟件定義，由于其具有波形可移植性、互操作性，產品可重配置，便于新技術的引用和升級等優點，被視為無線電的發展趨勢而受到越來越廣泛的關注和研究。而DSP、FPGA、GPP處理速度的提升和功耗的優化、模數轉換器性能的提升、基于對象的編程和使硬件抽象且獨立的中間件技術的應用以及使波形在異構處理結構中布置的有效的軟件體系結構的開發，都使以前停留在概念上的軟件無線電成為現實［9］。美軍聯合戰術無線電（JTRS）提出的軟件通信體系結構（SCA）為無線通信系統的發計和開發提供了詳細的規范，建立了獨立于設備的結構框架，如圖1所示。

圖1 SCA：軟件通信體系結構

SCA 定義了嵌入軟件無線電（SDR）平臺的操作環境（OE），并定義了標準的機制來加載和配置到這些平臺的SDR波形。另外，SCA 為了實現SDR 平臺提供標準的服務而定義了一組通用的應用可編程接口（API），這些API可被波形應用使用。需要注意的是，SCA并沒有將硬件模塊標準化，而是由業界完全開放的、競爭性地開發相關的SDR 平臺。這些制造商可以從商用現貨（COTS）供應商獲得操作環境軟件，從而降低開發這類軟件無線電所需的費用。

2 SCA的過去

由于早期的一些如Speakeasy、FM3TR 等軟件無線電項目的成功經驗都表明，一個標準的軟件無線電體系結構框架有利于在一系列SDR 電臺家族上開發通用的波形軟件，從而提高互操作性并有助于減少開發的費用和風險。因此后續開展的JTRS 項目開始建立軟件通信體系結構（SCA）規范，并在2000年發布了第一個正式的版本SCA 1.0，接著在2001年發布了一個較為完備的版本SCA 2.2，其最初的經典SCA 軟件體系結構如圖2所示。在該體系結構中用統一建模語言（UML）來圖形化表示接口，并用接口定義語言（IDL）來定義接口，其可從大的方面分為總線及板級硬件驅動層、提供串行和網絡接口的網絡和串行接口服務層、為應用提供多線程支持的符合可移植操作系統接口（POSIX）規范的操作系統接口層、提供分布式處理環境中消息傳遞功能的公共對象請求代理體系結構（CORBA）中間件層、為波形應用提供底層軟硬件抽象的核心框架層以及提供通信功能的應用層六個部分組成。其中前五層構成一個通用的軟件平臺，為應用層的波形開發提供了統一的、開放的底層支持和服務，從而獲得波形應用的可移植性、可重用性和互操作性。而在2004年發布的SCA 3.0版本中增加了專用硬件附錄，希望通過建立抽象的處理資源，將其分配到各種任務中來解決專用硬件（如DSP、FPGA）的問題，但該方案是面向軟件的，不足以趕上DSP和FPGA的能力，尤其是在SCA 中并沒有明確地定義抽象等級，迫使供應商用結果去解釋規范，而每種實現差異很大，實際上成了專有實現，同時，實現抽象需要額外的軟件，這也削弱了DSP和FPGA的性能優勢。因此3.0版本推出一段時間后又重新回到2.2版本的基礎上，JTRS的聯合辦公室在2006年推出了SCA2.2.2版本，該版本棄用了API附錄的方式，改由JTRS的接口控制工作組（ICWG）制定通用的標準API規范，同時棄用了安全規范附錄，其規范較為成熟。整體上來看，從01年發布的SCA 2.2版本開始，后續的規范大部分都未做改變。因此現在推出的符合SCA 規范的軟件無線電產品都是以SCA 2.2.2版本為基礎的。

圖2 最初的SCA 軟件體系結構

3 SCA的現在

隨著軟件技術、專用數字芯片的發展以及SCA 開發經驗的積累，以2.2版本為基礎的SCA 已越來越難滿足對異構平臺間波形可移植性的要求。因此，在2009年在SCA2.2.2基礎上相繼提出了SCA Next和ESSOR Architecture概念。這些概念的提出是為了提升體系結構以減少波形在多種SDR 平臺間移植所需的開銷。

3.1 SCA Next到SCA 4.0

從2009年提出SCA Next概念，經過3年時間的討論，最終在2012年2月形成正式的SCA 4.0版本，標志著說明體系結構，設計和實現一個軟件無線電與之前相比有了根本性的改變。SCA 4.0 遵循模型驅動體系結構（MDA）的方法進行開發，該方法是首先對應用領域進行高度抽象的建模，這個模型和實現它的技術（或者底層技術）完全沒有關系，稱之為平臺無關模型（PIM）。然后，PIM 將被轉換為一個或多個平臺相關模型（PSM），PSM 將用一個特定的實現技術來描述私有的系統，最后，PSM 將被翻譯成源代碼。SCA 4.0中基本的規范被開發成PIM，附錄E 定義了本地或分布式的客戶／服務器操作的傳輸機制，不在限于CORBA，還包括C＋＋、SOAP，DDS、MHAL通信服務等。其附錄E－1就定義了CORBA PSM 模型。其模型驅動結構［5］示意圖如圖3所示。

圖3 模型驅動結構（MDA）示意

同時，SCA 4.0的OE 配置文件和操作系統功能單元（UoF）可按輕量級、中等、完整三個等級進行適應性調整。另外，不同于以前無論是否需要組件必須實現所有繼承的接口，在SCA 4.0中組件的接口可根據需要進行裁剪，優化了組件的連接流程從而加快了啟動時間并提高了可移植性。并且設計新的API來提高DSP 和FPGA 處理器的移植能力。現在，供應商正積極研制符合SCA 4.0規范的商用現貨，PrismTech公司已推出第一款適合SCA 4.0規范的中間件產品。

3.2 ESSOR Architecture

ESSOR Architecture［2］是2009年 由 歐 洲 法、意、西 班牙、瑞典、芬蘭和波蘭六國發起的歐洲安全軟件無線電（ESSOR）項目提出的面向歐洲軍用電通信市場完全可持續安全的SDR 體系結構。它是在已發布的JTRS SCA 和APIs的基礎上提出的，并在以下幾個方面擴展定義：定義DSP和FPGA 處理單元的OE來提供兩種基于MHAL和CORBA的規模可變的體系結構；在已發布的JTRS無線電設備（RD）和無線電服務（RS）API拓展定義。圖4展示了一個SDR的組成和結構，其中SDR 平臺通過APIs提供波形的加載運行。硬件平臺受尺寸、重量、功耗、處理能力、射頻前端能力（如單工或雙工）、主要受電臺操作環境，SDR 平臺可被分成不同類型（如手持，背負、車載、海軍／固定、機載等）。

圖4 SDR組 成 和 結 構

·CF：遵循ESSOR 體系結構，與JTRS SCA 2.2.2CF相比只做較少修改、說明和擴展的實現CF接口的實體；

·GPP、DSP 和FPGA的OE：連接GPP、DSP 和FPGA，并執行（如加載和執行代碼）的實體。存在不同連接解決方式的兩類OE：CORBA 和ESSOR MHAL；

·RD：提供SDR的HW 模塊抽象的實體。RD 提供為需要接入HW 模塊的其它SDR組件（如WF應用和RS）高層次的軟件接口（API）。ESSOR 體系結構對發布的JTRS API規范進行一些修改／說明，并擴展增加的功能如ESSOR Transceiver API，提供詳細的定義；

·RS：為波形應用提供軟件功能的實體。與波形的操作相關，控制、監控。下載文件和資源配置。和RD 相似，發布的JTRS API規范進行一些修改／說明，提供詳細的定義；

·RSS：提供與ESSOR 安全對象一致的安全功能實體。

ESSOR Architecture的提出是為了軍事目的開發，并在不同國家的SDR 平臺上開發、實現并驗證該體系結構。計劃在2013年中期進行六個不同國家SDR 平臺的高數據速率波形（HDR WF）波形的演示驗證工作。

4 SCA的未來

SCA的發展現在正處于關鍵的階段，JTRS 聯合辦公室提出“將SCA 定位為綜合性但足夠靈活來為幾代JTRS及工業產品提供技術基礎”的目標、歐洲ESSOR 項目提出的“完善SCA2.2.2來提供完整的SDR 體系結構定義”、美軍提出的 基 于SCA2.2.2 建 立的“Government Reference Architecture”為衛星通信終端通用的軟件結構等其他國家和地區都采取相似的路線。這樣的SCA 發展分歧有著固有的低效率，如多個組織在解決同一個問題上各自發展，缺乏足夠的資源而導致相同的失敗結果。另外，沿不同途徑的SCA 發展可能會造成最后體系結構的不兼容，從而導致規模效應的減小，開發費用的增加。無線電創新論壇（WINNF）提出了世界范圍內的SCA 標準協作模型，為不同SCA 標準組織的協調提供一個途徑。而主要的SCA 標準開發的JTRS項目和ESSOR 項目都原則上同意了該意見。從兩個項目的發展來看，未來的SCA 標準朝著達成世界范圍內一致的標準，并重點從波形在不同SDR 平臺間移植的代價最少的體系結構改進的方向努力。SCA 標準的發展趨勢［4］如圖5所示。

圖5 SCA 標 準的 發 展 趨勢

5 結語

隨著元器件性能的不斷提升，相關規范的完善，開發經驗的積累等，軟件無線電越來越受到重視，相關的研究和產品也越來越多。軟件通信體系結構作為軟件無線電的“操作系統”，為波形開發者提供底層抽象和標準的應用編程接口，使其不再或較少的關注平臺，從而獲得一系列好處。因此體系結構的優劣決定了整個SDR 系統的穩定，并極大的影響了系統性能的高低。本文介紹了SCA的起源、現狀及未來發展，隨著新技術的加入，相關標準仍然不斷完善，因此關注SCA 標準的發展對軟件無線電的研究有現實意義。

［1］Donald R.Stephens，Brian Salisbury，Kevin Richardson.JTRS體系結構 和 標 準［C］／／IEEE 軍 事 通 信2006 會 議，2006：3481－3485.

［2］Christian SERRA，ELEKTROBIT，INDRA Sistemas，RADMOR S.A，ESSOR 體系結構－動機和展望［C］／／無線創新論壇技術2010會議，2010.

［3］國際戰術無線電市場SDR 技術白皮書［EB／OL］.無線創新論壇［2011－9］.

［4］國際SCA 標準協調模型［EB／OL］.無線創新論壇［2011－6］

［5］Vince Kovarik，"SCA 4.0webcast16"，－PrismTech Ltd，May 2012.（PrismTech Ltd.SCA 4.0網絡直播.［2012－5］）.

［6］A.Ahtiainen，H.Berg，U.軟件無線電體系結構［C］／／SDR技術進展及產品展覽07年會議，2007

［7］JTRS JPEO.軟件通信體系結構規范4.0版［S］.2012，4.

［8］JTRS JPEO.軟件通信體系結構規范2.2.2版［S］.2006，5.

［9］閻毅，賀鵬飛.軟件無線電與認知無線電概論［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［10］楊小牛，樓才義.軟件無線電技術與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2010.