軟件無線電無人機蜂群通信系統

◎陳海贊

一、引言

軟件無線電具有開放性以及靈活性特征，不僅在民用無線電通信中發揮著較大優勢，同時也逐漸被推廣應用于軍用領域，比如電子戰、雷達等。因此軟件無線電在無人機蜂群通信系統中的應用進行深入研究意義重大。

二、無人機蜂群作戰概述

當蜜蜂成群飛行時，個體之間可進行信息交流，然后組成不同的隊形，提升蜂群整體優勢，隊形不僅可向蜂群中間靠攏，同時也可朝向某個方向移動，與此同時個體之間可保持一定的間距。通過參考蜂群協作行為，創建出無人機蜂群作戰方式，無人機編成群組可將信息網絡作為中心，通過溝通平臺進行信息交互，進而實施協同作戰，充分整合無人機技術優勢，提升無人機作戰多樣性。

三、軟件無線電關鍵技術

1.智能天線技術。

智能天線技術可實現自我調整適應，同時可優化選擇頻段，并且還具有干擾對消以及移動跟蹤功能。智能天線是由數字多波束所形成的天線，通過提高信噪比，有利于保證通信效果，促進系統管理水平的提升。

2.RF 前端技術。

通過應用RF 模塊，能夠有效覆蓋軟件無線電系統的所有頻段，對于RF 模塊，不僅要求支持多個標準，同時還應該對射頻模塊進行更換。為了促進RF 模塊處理速度和能力的提升，應降低RF 模塊體積以及損耗，并采用高密度集成形式，保證調制解調功能。

3.A/D-D/A 轉換技術。

在軟件無線電中，A/D-D/A 為至關重要的接口，通過應用A/D-D/A，可連接RF部分可與通用數字軟件軟件部分，這就要求A/D-D/A 具有良好的使用性能，提升采樣速度分辨度，并增加輸入寬帶的寬度。

4.數字上/下變頻（DUC/DDC）技術。

通過利用數字上/下變頻（DUC/DDC）技術，可提取有效的頻帶信號，通過將其下變頻到基帶，即可提升基帶處理能力。

5.基帶技術。

在軟件無線電中，基帶處理技術為核心技術，數字信號處理器則為硬件平臺的核心，其能夠與DSP、FPGA、GPP 軟件相配合，進而提升軟件無線電的靈活性、開放性以及兼容性，同時還能夠實現其他各項功能，包括濾波、協議控制、信道編解碼以及調制解調，只有充分利用DSP、FPGA、GPP 技術，才能夠提升信號處理運算能力。

6.互連技術。

互連技術的主要作用是連接系統中的各個單元，進而創建系統硬件平臺，其能夠有效保證硬件平臺的開放性、可擴展性。在軟件無線電中，常見互聯結構有總線結構、樹型結構以及交換結構三種。

四、軟件無線電無人機蜂群通信系統技術方案

1.硬件平臺設計。

（1）信道模塊。

在軟件無線電無人機蜂群通信系統技術方案硬件平臺設計中，設計中頻濾波器，可根據所選擇的波形不同而選擇相應的中頻帶寬。數字信號處理單元控制通道的功能包括射頻控制以及數字上下變頻等。

（2）信號處理模塊。

信號處理模塊可作為波形運行的重要載體，主要運行硬件抽象層、中間件、嵌入式操作系統以及波形組件。信號處理模塊具有較強的信號運算以及處理能力，并且具有開放性、通用性、加載性等特征，能夠有效滿足各類波形的實際需要。GPP 運行部分網絡協議，要求嵌入式操作系統具有較強的實時功能，DSP 和FPGA 的功能比較多，包括信道編碼與譯碼、MAC 協議、信道估計均衡、數字調制與解調以及同步算法等。此外，FPGA 還具備高速總線接口，其能夠與信道模塊交換射頻控制信息以及IQ 基帶數據，另外其還具有可編程I/O 接口實現系統調控功能。

（3）主控與業務模塊。

主控與業務模塊的功能是對系統進行總體控制、波形互通以及波形管理，同時其還可作為對外各類業務的接口。主控與業務模塊是由聲碼話單元、GPP 以及外部業務接口單元所組成的。

（4）射頻控制。

本文中，所有波形的射頻控制信息均采用統一的射頻控制API 實現，從而使信道模塊與波形的耦合程度大大減低，通用性顯著提高。在通用硬件平臺上，射頻控制API 的封裝和解析代碼分別部署在信號處理模塊和信道模塊的FPGA 上。

2.通用軟件平臺設計。

軟件平臺基于SCA 體系結構構建，主要由波形應用、輕量化核心框架、CORBA中間件、硬件抽象層、硬件驅動程序、嵌入式操作系統、板級支持包/硬件驅動程序構成。其組成如圖1 所示。

圖1 軟件平臺系統架構

核心框架的功能模塊由基礎模塊和核心模塊組成。基礎模塊主要包括：描述文件解析器、部署管理器和資源管理器，分別提供波形應用的XML 文件解析、波形應用的動態加卸載管理以及系統資源的配置與管理。

CORBA 中間件用于屏蔽操作系統異構性以及網絡協議異構性，為分布式環境中波形組件提供跨平臺通信的能力。CORBA 中間件通過透明的遠程功能調用、分離的對象定義和實現方法，能夠有效規范客戶端和服務器端操作，促進波形組件的分布式部署能力、可重用性以及可移植性的提升。

在波形應用運行環境中，實時操作系統至關重要，其能夠為上層波形應用提供對底層物理硬件的抽象和封裝，以合理、有效的方式組織和管理各種嵌入式計算機軟硬件資源，控制程序執行流程，提供系統調用接口和驅動程序。

硬件抽象層針對不同的數據傳輸方式規定了一系列API，這些API 可屏蔽硬件平臺相關的底層通信機制以及封裝標準，將波形組件間通信方式與具體硬件平臺進行分離，同時還能夠保證波形組件底層通信訪問接口的統一性，使得波形軟件能夠在不同硬件平臺上進行平滑移植。

3.波形設計方案。

本文實現的寬帶網絡波形功能框圖如圖2 所示，按層次可劃分為物理層、鏈路層、安全/密碼、I/O 共4個部分。物理層采用正交頻分復用（OthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）傳輸技術，以獲得高效的頻譜利用率；在接收端采用Turbo 迭代譯碼結構來進一步提高通信的可靠性。鏈路層采用支持多跳網絡的基于時分復用多址接入（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA） 的 媒 體 接 入 控 制（MediumAccessControl，MAC）協議，以滿足應急通信中自組網、多跳和網絡節點密度大的應用需求。

五、結語

綜上所述，本文主要對軟件無線電無人機蜂群通信系統技術方案進行了詳細探究，軟件無線電為無線通信裝備核心技術，基于軟件無線電技術的無人機蜂群通信系統具有多通信體制兼容、軟件可重構可升級、可擴展的多通道設計、組網機動靈活、軍民產品一體化設計等特點，可同時支持寬、窄帶信號通信組網，結構小巧、重量輕便、部署靈活，可同時實現無人機蜂群的飛控、測控、圖像和機間協同信息的傳輸功能。

圖2 寬帶網絡波形功能框圖