基于軟件通信體系結構的控制臺軟件設計

郝嘉祿　施峻武　習勇　王萌

摘 要： 針對實驗室自主開發的基于軟件通信體系結構的軟件無線電平臺，結合實際應用需求，設計并實現了控制臺軟件，以友好的圖形化界面方式提供了對軟件無線電目標平臺的監控、操作、配置和管理等功能。測試表明，該控制臺軟件操作簡單、顯示直觀、便于管理且易于與其他軟件集成，極大地簡化了用戶對軟件無線電平臺的開發與管理，同時對軟件無線電技術的推廣應用也具有重要意義。

關鍵詞： 軟件無線電； 軟件通信體系結構； 核心框架； CORBA； 控制臺

中圖分類號： TN911?34； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0050?04

Abstract： For the software defined radio （SDR） platform based on software communication architecture （SCA） developed by the laboratory independently， the console software was designed and implemented in combination with the actual application requirements， which provides the functions of monitoring， operation， configuration and management to SDR target platform with friendly GUI. The test results show that the console software is simple to operate， visualized to display， easy to manage， and liable to integrate with other software， and can simplify the users′ development and management of the SDR platform greatly. It has great significance to generalize and apply SDR technology.

Keywords： software defined radio； software communication architecture； core framework； CORBA； console

0 引 言

軟件無線電是指軟件定義的、能實現多種通信功能的無線電通信系統[1]。其核心思想是構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將通信的各種功能如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件完成，加載不同的軟件以實現不同的通信模式和功能[2]。

軟件無線電體系結構是軟件無線電系統的核心部分，是指導軟件無線電系統開發的一套獨立于具體實現的方法集合。美國國防部聯合戰術無線電系統（Joint Tactical Radio System，JTRS）發布的軟件通信體系結構[3]（Software Communication Architecture，SCA）是提出最早、最成熟、全球支持力度最大、應用最廣泛的軟件無線電體系結構，并成為事實上的軟件無線電技術標準。

國內外基于SCA規范開發的軟件無線電平臺已經逐步投入使用。然而，SCA規范涉及到中間件、操作系統、XML、UML等諸多軟件工程概念，對通信工程師而言，理解SCA規范具有相當大的難度。為了簡化波形和平臺的開發及管理，與SCA相關的輔助配套軟件，如集成開發環境、波形數據庫、控制臺軟件等就顯得尤為重要。就軟件無線電平臺的監控管理而言，國外SCARI++軟件套件[4]中的Radio Manager，OSSIE[5]的WaveDash等提供了可視化的圖形用戶界面用于平臺的管理，但國內具備此類功能的系統軟件的設計開發仍處于起步階段。

本文針對實驗室自主開發的基于SCA規范的軟件無線電平臺設計了控制臺軟件，以友好的界面方式提供了監控、操作、配置和管理軟件無線電目標平臺的功能。

1 SCA簡介

SCA是一種開放的通用體系結構，它定義了一個標準的、開放的、可互操作的軟件平臺，通過該軟件平臺可以實現底層硬件與波形軟件相互隔離。

SCA平臺模型圖如圖1所示，主要由操作系統、傳輸機制和服務、核心框架接口、應用環境描述和應用資源組成。SCA規范中詳細定義了核心框架（Core Framework，CF）的各種接口和相互關系，并使用通用對象請求代理體系結構（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）中間件作為分布式環境的消息傳輸機制，而應用環境描述定義了各種應用資源（如波形組件）對系統資源的利用情況。

CF由基本應用接口、基本設備接口、框架控制接口和框架服務接口組成。其中，框架控制接口定義了對域內的設備、服務、應用工廠、應用進行管理的域管理接口、設備管理接口、應用工廠接口和應用接口等，主要包括DomainManager，DeviceManager，ApplicationFactory，Application等，可用于實現對整個域內組件的統一管理[6]。

CORBA[7]是一種通用對象請求代理體系結構，它把各種對象的操作和屬性封裝在不同的接口中，通過對象請求代理調用接口中的操作完成指定功能。CF中各種接口都是按照CORBA形式實現的。SCA域內組件間的通信以及整個域的控制、配置與管理都是通過CORBA完成的。同時CORBA也可以為SCA提供事件服務、日志服務等，極大地方便了核心框架的實現與波形應用的開發。endprint

控制臺軟件正是基于SCA這種標準、開放、可互操作的平臺體系結構來實現，即通過CORBA連接調用CF接口完成對目標平臺的控制管理。

2 控制臺軟件的設計

軟件無線電系統雖然功能齊全、可擴展性強，但對于波形開發人員和一般用戶而言，存在體系結構復雜、使用難度大、操作過于繁瑣、信息顯示不直觀等問題，且傳統的無線電控制臺只是針對單一波形設計，因此有必要針對軟件無線電平臺設計一個支持波形重構、操作簡單、便于監控和管理的圖形化軟件平臺。

2.1 設計需求

控制臺軟件主要定位于實現軟件無線電平臺的可視化監控和圖形化管理，為用戶提供直觀、便捷、高效的平臺和波形管理模式，其應用場景如圖2所示。

軟件無線電系統管理人員能夠使用控制臺軟件從波形數據庫中下載已授權的波形軟件，并安裝到目標平臺上，進而完成波形的部署啟動、波形參數的配置與查詢等功能。同時，控制臺軟件可以監控整個平臺軟硬件的工作狀態，實時更新顯示并提供故障報警功能。

為了保證控制臺軟件的功能實現，軟件的設計需求包括：

（1） 提供與目標平臺、波形數據庫交互的接口；

（2） 實現與目標平臺、波形數據庫的數據通信功能；

（3） 與平臺管理人員實時交互；

（4） 便于與集成開發環境、波形數據庫等其他平臺成果集成。

2.2 設計思路

根據以上需求分析，控制臺軟件基于Eclipse[8]平臺實現，Eclipse提供的插件機制便于與其他系統軟件集成。按照功能劃分，控制臺軟件的設計分為以下三層：接口層、功能服務層和人機交互層，如圖3所示。

接口層：負責與軟件無線電平臺內其他模塊建立連接，主要包括HTTP接口、FTP接口和CORBA接口。其中，HTTP接口負責與波形數據庫的連接；FTP接口負責與目標平臺文件系統的連接；CORBA接口負責與目標平臺域管理器的連接。這些連接都是在以太網物理接口的基礎上基于TCP/IP協議實現的。

功能服務層：是控制臺軟件的核心，主要負責完成具體的功能實現，如波形的下載、上傳，對目標平臺DomainManager接口函數的調用，對目標平臺產生事件的接收處理等，實現對目標平臺的監控與管理等功能。

人機交互層：負責實時的、直觀的顯示平臺運行狀況，并為用戶提供簡單便捷的界面操作用于對平臺的查詢、配置。

2.3 詳細設計

在接口層中，CORBA連接是通過ORB（Object Reference Broker，對象請求代理）完成的。客戶端的ORB利用IIOP（Internet Inter?ORB Protocol，互聯網對象請求代理互通協議）與服務端的ORB進行通信，傳遞客戶端的調用請求。這樣對于控制臺而言，只要像調用本地方法一樣調用目標平臺對象操作，而不需關心底層實現細節。FTP與HTTP連接都是基于服務器和客戶端模型設計，FTP和HTTP服務器分別運行在目標平臺和波形數據庫主機上，客戶端由控制臺軟件實現。

人機交互層中針對平臺管理、波形管理、波形下載和波形上傳分別設計了不同的界面。本層解析用戶的操作行為，調用功能服務層的相應函數，完成對目標平臺的配置。同時，接收來自功能服務層反饋的消息，實時更新顯示界面。

功能服務層是完成控制臺軟件功能的核心，重點從以下三個方面進行詳細設計。

2.3.1 域管理服務

在SCA軟件平臺結構中，DomainManager是目標平臺的核心，用來進行整個域的控制和配置。控制臺軟件對平臺的管理正是通過DomainManager接口實現的。控制臺域管理服務通過靜態IOR（Interoperable Object Reference，可互操作的對象引用）方式可以獲取DomainManager對象引用，進而調用其接口完成平臺的管理。

為了域管理服務調用的方便，將DomainManager提供的配置查詢方法封裝為一個PropertySet接口，其參數為Properties，DomainManager根據Properties的ID判斷要進行的操作，Properties的value中存放平臺參數。其中，ID值主要類型及其對應功能如表1所示。

控制臺域管理服務構造Properties項，然后以該項為參數調用DomainManager的PropertySet即可完成對目標平臺的操作。下面以波形實例的創建為例來說明域管理服務的設計實現，其順序圖[9]如圖4所示。

操作人員選擇要創建的波形及波形所在通道后，人機交互層會調用控制臺域管理服務的create_app函數。在create_app函數中構造配置項，配置項ID為字符串“CREATE_WAVE”，value值為用戶選擇的通道及波形名稱，然后以此配置項為參數調用DomainManager的PropertySet接口，通過匹配字符串ID可知要進行波形實例創建操作，取出value值，然后調用波形名稱對應應用工廠的create函數，即可在指定通道上完成波形實例的創建。

2.3.2 事件服務

CORBA體系結構中為了解決對象間的通信問題定義了事件服務的概念。CORBA事件服務提供了一種松散的、異步的通信機制，建立了一個通用的分布式事件模型。

控制臺軟件的一個重要功能是監控目標平臺，實時顯示平臺狀態。而控制臺界面的更新需要得到平臺狀態改變消息事件的驅動。考慮到目標平臺創建了事件通道，因此可以在控制臺構造一個事件消費者，通過接收平臺推送的事件消息驅動顯示界面的實時更新。

事件通道模型如圖5所示，目標平臺狀態改變后會通過事件生產者向事件通道發送相應類型事件消息，控制臺軟件接收事件消息通過功能服務層解析判斷后推送給人機交互層完成界面更新。endprint

事件消費者收到該事件后，通過sourceId，situation，sourceCategory得到出現故障的設備，再分析其故障類型、錯誤類型后在監控界面將報警消息顯示出來，并且可以通過響鈴等方式及時通知平臺管理人員。

2.3.3 HTTP服務和FTP服務

由圖3可知，控制臺軟件可以從波形數據庫中下載波形軟件并將其安裝到目標平臺。由于波形數據庫是基于Web服務構建的，因此在控制臺軟件中實現一個HTTP客戶端。另外考慮到目標平臺支持FTP服務，所以波形軟件的上傳通過FTP完成。Apache Jakarta Common子項目的工具包提供了對兩種協議的支持[10]，只需直接調用工具包提供的相應函數即可完成以上兩項功能。

3 軟件的運行

在Eclipse環境下啟動控制臺波形管理界面，連接目標平臺后軟件運行如圖6所示，整個界面分為6個功能區。

界面各功能區介紹如下：

#1區為通道列表區，顯示目標系統中配置的無線通道列表。

#2區為通道信息快視區，顯示#1區域中所選通道的詳細信息，包括通道名稱、頻率范圍和正在運行的波形。

#3區為通道占用設備區，顯示#1區域中所選通道所占用的板卡以及板卡上的設備占用情況。

#4區為通道波形管理區，顯示#1區域中所選通道上的可加載波形，并提供對波形的加載、卸載以及配置操作。

#5區為已安裝波形及實例顯示區，顯示目標系統中已經安裝的波形以及正在運行的波形實例。

#6區為波形應用管理工具欄。

4 結 語

本文在分析軟件通信體系結構的基礎上，結合已有軟件平臺設計了控制臺軟件，并在硬件平臺上進行了測試，實現了對軟件無線電平臺的監控管理功能，極大地簡化了用戶對平臺的操作配置。下一步工作計劃是建立一個完整的軟件無線電支撐應用系統，從軟件無線電波形、平臺的開發到管理監控都能通過簡單的圖形化界面操作實現，促進軟件無線電技術的推廣應用。

參考文獻

[1] MITOLA J. Software radios?survey， critical evaluation and future directions [J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 1993， 8（4）： 25?36.

[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

[3] Joint Tactical Radio System Joint Program Executive Office. Software communications architecture specification， SCA 4.0 [R]. [S.l.]： Joint Tactical Radio System Joint Program Executive Office， 2012.

[4] SCARI Project. Canadian open source SDR [R/OL]. （2002?04?10）. http：//www.crc.ca/en/html/scari/home/home.

[5] Wavedash. SCA?based open source software defined radio [EB/OL]. （2011?02?13）. http：//www.ossie.wireless.vt.edu.

[6] 陳雪蓮.基于軟件通信體系結構的波形應用接口設計與實現[D].長沙：國防科學技術大學，2004.

[7] 朱其亮，鄭斌.CORBA原理及應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2001.

[8] 王津濤，孟慶昌.Eclipse SWT/JFace開發實戰精解[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[9] [美]蘭博.UML參考手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[10] 杜佳榮，馬建紅，騰振宇.Java網絡編程技術與實踐[M].北京：清華大學出版社，2008.endprint