一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件無線電軟件體系結(jié)構(gòu)

柏春雷

摘要 本文針對美軍軟件通信體系結(jié)構(gòu)（ SCA）技術(shù)進行了技術(shù)剖析，提出了一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件定義無線電（ SDR）軟件體系結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】高實時 低成本 波形跨硬件平臺共用 軟件定義無線電（SDR）軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件定義無線電從提出到現(xiàn)在已有30多年，隨著軟件無線電在軍事與民用方面的發(fā)展應(yīng)用，逐漸形成了兩種典型的現(xiàn)有軟件無線電軟件體系結(jié)構(gòu)，即民用的GNU Radio+通用軟件無線電外設(shè)（ HackRF、BladeRF、USRP、RTL-SDR等）的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)與軍用的軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）。

民用的GNU Radio+通用軟件無線電外設(shè)（HackRF、BladeRF、USRP、RTL-SDR等）的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)技術(shù)思路是通過軟件無線電外設(shè)實現(xiàn)上下變頻等射頻前端最終輸出基帶10數(shù)據(jù)，交由GPP調(diào)用GNU RADIO進行后續(xù)的數(shù)字信號處理，其注重的是GPP數(shù)字信號處理這一技術(shù)點，是一個朝著終極軟件無線電發(fā)展的實驗室功能驗證架構(gòu)，并未考慮體系結(jié)構(gòu)標準化、實時性、穩(wěn)定性等工程化實施相關(guān)的問題。

美軍的軟件無線電通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）注重的是以Intemet設(shè)計思想、計算技術(shù)構(gòu)建開放系統(tǒng)，以波形共用的方式解決士兵或系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作問題，實現(xiàn)波形跨硬件平臺的共用、軟硬件平臺分離。其依賴于中間件、DDS等技術(shù)，實現(xiàn)起來成本、效率、開銷方面存在著嚴重問題，美國國防部委托波音公司對市場上主流中間件產(chǎn)品進行了性能測試，測試結(jié)果如圖1所示。

從測試結(jié)果可以看出采用中間件技術(shù)帶來的成本、效率、開銷問題突出，美軍SCA的標準在不斷探尋一種高效、低成本的解決方案。

本文針對高實時、低成本、波形跨硬件平臺共用、軟硬件平臺分離的實際需求，結(jié)合現(xiàn)有軟件定義無線電體系結(jié)構(gòu)，提出了一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件無線電軟件體系結(jié)構(gòu)。

1 美軍軟件無線電體系結(jié)構(gòu)簡述

美軍在作戰(zhàn)與科技發(fā)展都是走在世界前沿的，美軍SCA架構(gòu)并不是一個完美的軟件無線電工程化解決方案，然而美軍SCA是現(xiàn)有唯一己得到實際裝備驗證的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)。

1991年2月的海灣戰(zhàn)爭中，美軍由于陸軍動中通信能力不足，導(dǎo)致預(yù)先決策的軍事能力未達到預(yù)期。因此，陸軍決定啟動一個開發(fā)項目，目的是在戰(zhàn)場上建立一支賽博戰(zhàn)部隊，每個士兵作為網(wǎng)絡(luò)的一個信息節(jié)點，士兵或系統(tǒng)之間可互聯(lián)互通互操作。基于以波形共用的方式解決士兵或系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作的軍事需求與實現(xiàn)波形的跨硬件平臺共用、軟硬件平臺分離技術(shù)需求，美國國防部于1997年9月啟動了JTRS項目（最先稱為JTR“聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)電臺”，后來加了一個系統(tǒng)的“S”，即JTRS）。

1999-2015年期間，美軍先后發(fā)布了SCA1.0版、SCA l.1版、SCA 2.0版、SCA 2.1版、SCA 2.2版、SCA 2.2.2版、SCA 4.0版、SCA 4.1版。典型的版本為SCA 2.2.2、SCA 4.0、SCA 4.1三個版本。

1.1 SCA 2.2.2

2006年發(fā)布的SCA 2.2.2規(guī)范作為第一個穩(wěn)定版本，開始注重實時性與效率，明確定義MHAL的概念用以提高波形的可移植性、實時性、器件間的通信規(guī)范性，目前美軍現(xiàn)役裝備大都采用該版本進行設(shè)計。

1.2 SCA 4.0

2012年2月發(fā)布的SCA 4.0規(guī)范開始注重小型化電臺（電池供電）應(yīng)用，引入傳輸機制這一定義泛指以往的CORBA中間件，定義了獨立的中間件應(yīng)用程序接口，提供更多的輕量化、靈活性，該規(guī)范適用于從小的單通道無線設(shè)備到高功率的多信道設(shè)備。通過裁減，更好地適應(yīng)了每個電臺及其任務(wù)的具體功能，顯著降低了內(nèi)存和處理功耗，并且使得電臺能夠更快地啟動和重新配置。

1.3 SCA 4.1

2015年8月正式發(fā)布的SCA 4.1規(guī)范，基于SCA 4.0的基礎(chǔ)上，增加對SCA 2.2.2的兼容性，不再強制要求使用CORBA中間件，可以使用其他組件間通信機制，明確了平臺API規(guī)范。強調(diào)了實時性，強制要求使用POSIX實時操作系統(tǒng)。重新定義了可裁剪的管理組件和應(yīng)用組件，擴展了“推”注冊模型，明確了對SCA 2.2.2波形組件的控制能力。

2018年3月1日，美國國防部聯(lián)合企業(yè)標準委員會宣布將SCA4.1列為美國國防部信息技術(shù)標準注冊處的強制性戰(zhàn)術(shù)無線電標準，并停用SCA2.2.2

2 一種新J軟件無線電軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件無線電軟件軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括波形應(yīng)用軟件、軟件平臺、硬件平臺三部分組成。軟件無線電軟件軟件體系結(jié)構(gòu)采用商用現(xiàn)貨（COTS） POSIX標準的實時操作系統(tǒng)屏蔽操作系統(tǒng)的差異性、降低實施成本、保證系統(tǒng)實時性;采用組件間通信機制屏蔽組件間通信協(xié)議的差異性、保證波形應(yīng)用軟件的可移植性;采用平臺服務(wù)與平臺設(shè)備屏蔽硬件外設(shè)的差異性與波形管理等平臺服務(wù)接口的差異性;實現(xiàn)波形與硬件平臺分離、波形、硬件平臺的獨立演進，進而實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電設(shè)備由提供單一功能定義的模式向軟件定義模式的轉(zhuǎn)變。

2.1 波形應(yīng)用軟件

波形應(yīng)用軟件是波形具體功能的軟件實現(xiàn)，可部署于FPGA、DSP、GPP等器件。波形應(yīng)用軟件參照IEEE 802、OSI、TCP/IP參考模型進行波形組件劃分，將波形組件劃分為六層，包括物理層組件、介質(zhì)訪問控制層組件、邏輯鏈路控制子層組件、數(shù)據(jù)鏈路層組件、網(wǎng)絡(luò)層組件、應(yīng)用層組件。

2.2 軟件平臺

軟件平臺包括POSIX實時操作系統(tǒng)、平臺服務(wù)、平臺設(shè)備、組件間通信機制四部分組成;其中POSIX實時操作系統(tǒng)、平臺服務(wù)、平臺設(shè)備部署于GPP、DSP，組件間通信機制部署于GPP、DSP、FPGA，本架構(gòu)規(guī)定了軟件平臺接口及部分功能實現(xiàn)。

2.2.1 POSIX實時操作系統(tǒng)

POSIX實時操作系統(tǒng)部署于GPP、DSP處理器上，依據(jù)不同應(yīng)用場景及處理資源劃分了標準級、輕量級、超輕量級三個PO SIX.1子集的接口要求，詳細內(nèi)容如表2所示。

2.2.2 組件間通信機制

組件間通信機制包括同節(jié)點內(nèi)的組件間通信機制與不同節(jié)點間的組件間通信機制，其中同節(jié)點內(nèi)的組件間通信機制采用POSIX實時操作系統(tǒng)所提供的進程間通信接口（如共享內(nèi)存、消息隊列、管道、信號量、Socket等），不同節(jié)點間間的組件間通信采用MHAL模型。如圖7所示。

2.2.3 平臺服務(wù)

平臺服務(wù)部署于GPP、DSP處理器上，是指執(zhí)行指定系統(tǒng)功能的進程，以便支持其他程序，尤其是底層（接近硬件）程序。

2.2.4 平臺設(shè)備

平臺設(shè)備部署于GPP、DSP處理器上，是硬件資源的邏輯抽像與封裝，平臺設(shè)備以操作系統(tǒng)驅(qū)動形式存在。平臺設(shè)備劃分為塊設(shè)備、字符設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;并提供POSIX實時操作系統(tǒng)中所規(guī)定的設(shè)備驅(qū)動程序接口。

2.3 硬件平臺

硬件平臺是軟件平臺與波形應(yīng)用軟件的硬件承載，由GPP、FPGA、DSP、IO外設(shè)等組成。

3 架構(gòu)實現(xiàn)

本架構(gòu)驗證環(huán)境基于Xilinx Zynq 7020SoC與AD9361組成的USRP E310硬件平臺、基于VxWorks 6.9的軟件平臺，驗證環(huán)境框圖如圖8所示，主要指標如下：

3.1 射頻

（1）2 RX，2 TX;

（2） 70 MHz到6GHz頻率范圍;

（3）帶寬連續(xù)到56 MHZ。

3.2 基帶處理

（1）雙核ARM Cortex A9 866 MHz;

（2）集成A7系列FPGA;

（3）1 GB DDR3 RAM forARM;

（4） 512 MB DDR3 RAM for FPGA;

（5）運行VxWorks 6.9操作系統(tǒng)。

基于本驗證平臺進行了系統(tǒng)靜態(tài)資源、系統(tǒng)動態(tài)資源、進程間通信傳輸性能、異構(gòu)節(jié)點間通信性能的測試，試驗方法與實驗結(jié)果如下：

（1）系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)資源占用。

實驗方法：查看GPP編譯后的目標文件及在VxWorks控制臺輸入memShow命令查看運行后系統(tǒng)內(nèi)存占用情況，F(xiàn)PGA查看系統(tǒng)編譯后的目標文件與綜合報告。

實驗結(jié)果：如表3所示。

（2）同節(jié)點內(nèi)的組件間傳輸性能。

實驗方法：在VxWorks 6.9系統(tǒng)中啟動2個優(yōu)先級為101的task，2個task分別采用共享內(nèi)存（采用二值信號量進行同步）、Socket進行通信，利用系統(tǒng)時間戳進行計時，測量1000次得到最短傳輸時間與最長傳輸時間;

若系統(tǒng)時間戳每秒計數(shù)值為Ns，taskl的開始計數(shù)值為Nl，task2的開始計數(shù)值為N2，則同節(jié)點內(nèi)的一次傳輸時間Tl為：

T1=（N2-Nl）/Ns

實驗結(jié)果：如圖9。

4 結(jié)束語

本文針對美軍軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）、民用軟件定義無線電體系結(jié)構(gòu)技術(shù)進行了客觀的剖析，提出了一種高實時、低成本、實現(xiàn)波形跨硬件平臺共用的新型軟件定義無線電（SDR）軟件體系結(jié)構(gòu)，并搭建了驗證環(huán)境進行了相關(guān)測試;通過實驗數(shù)據(jù)驗證了架構(gòu)的可行性;軟件定義無線電是通信史上的一個革命性技術(shù)，相信隨著硬件摩爾定律的不斷發(fā)展軟件定義無線電技術(shù)定將蓬勃發(fā)展。

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