新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的SDR演進(jìn)與實(shí)現(xiàn)研究

宋騰輝 王利軍 張永飛 劉昊 王峰

【摘要】通信技術(shù)已進(jìn)入5G時(shí)代，高通量通信網(wǎng)絡(luò)即將普及，伴隨著網(wǎng)絡(luò)容量的大規(guī)模提升，通信設(shè)備的種類將急劇增多，網(wǎng)絡(luò)中通信體制、調(diào)制方式、調(diào)制帶寬等通信技術(shù)的組合更加靈活，專一或者專用通信體系即將打破。傳統(tǒng)專用通信設(shè)備供應(yīng)商將面臨巨大的挑戰(zhàn)，逐漸出現(xiàn)設(shè)備體制難以兼容、淘汰速度加快、設(shè)備硬件架構(gòu)類型太多、維護(hù)成本太高等問題。因此，采用便于維護(hù)的通用平臺是一種相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案，而軟件定義無線電平臺，具有良好的通用性、擴(kuò)展性和靈活性，能夠兼容衛(wèi)星廣播、無線通信、電子對抗、微波探測等不同應(yīng)用類型。本文以衛(wèi)星通信平臺的為典型應(yīng)用案例，提出一種可直接部署衛(wèi)星通信的SDR平臺的實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】軟件定義無線電;SDR;架構(gòu)設(shè)計(jì);通用平臺

中圖分類號：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03..001

在多體制通信時(shí)代，專用通信設(shè)備面臨體制兼容、升級復(fù)雜、維護(hù)困難等問題，更重要的是成本高、淘汰快。而軟件定義無線電（SDR，Software Defined Radio）提供了一種新的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念，即采用超前定義的一種通用架構(gòu)的硬件，以軟件升級實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，這是一種有效而且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案。SDR技術(shù)可以使整個系統(tǒng)（含用戶終端及網(wǎng)絡(luò)）采用動態(tài)的軟件編程技術(shù)對設(shè)備特性進(jìn)行重配置，換句話說，相同的標(biāo)準(zhǔn)硬件可以通過軟件重新定義來支持不同的應(yīng)用功能。本文引出一部分SDR SCA（Software Communication Architecture）規(guī)范的設(shè)計(jì)分析，以通用SDR硬件平臺為主要討論點(diǎn)，基于多種專用衛(wèi)星通信平臺開展論證，旨在設(shè)計(jì)一種支持多模式、多頻段、多功能的通用信息處理平臺。本文提及的通用SDR硬件平臺特別適用于VPX和LRM機(jī)箱架構(gòu)。

1. 架構(gòu)對比與演進(jìn)思路

衛(wèi)星通信中的信道設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)空間站或者地面站對無線信道中衛(wèi)星信號的信息處理，涉及天線、功放、信號采集、信號處理、應(yīng)用處理和應(yīng)用管理等硬件設(shè)備。衛(wèi)星通信設(shè)備與常見的SDR設(shè)備架構(gòu)存在差異性，本文提出一種三層架構(gòu)的劃分方法，更加簡明的給出不同種類衛(wèi)星通信設(shè)備向通用SDR平臺的演進(jìn)思路。

SDR的理念是一款通用平臺能夠?qū)崿F(xiàn)各類通信體制的功能。SDR涉及多方面內(nèi)容：天線、中頻、基帶的可編程實(shí)現(xiàn);射頻直采、數(shù)字濾波、數(shù)字信道化等;多MODCOD調(diào)制編碼方式等;顆粒度劃分，軟件組件封裝、硬件顆粒封裝;波形管理，波形重構(gòu)、重構(gòu)時(shí)間等。換一個新視角來看，SDR是在討論一種三層架構(gòu)的通用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1-（a）所示，其底層為信道處理單元，負(fù)責(zé)信號的接入和處理;中間層為控制單元，完成組件的封裝、組件控制等;最上層為應(yīng)用層，即用戶接入的應(yīng)用處理單元，完成整個系統(tǒng)管理和應(yīng)用波形部署。對應(yīng)于這三層劃分，SDR的異構(gòu)處理器分為三類：信道層采用專用處理器，例如FPGA、DSP;控制層采用實(shí)時(shí)處理器，例如PPC（PowerPC）;用戶層采用通用處理器GPP（General Purpose Processer），例如x86 CPU。各自功能如圖1（a）中所示。

衛(wèi)星通信的硬件平臺架構(gòu)，如圖1-（b）所示，根據(jù)通信功能也可以抽象為三層：應(yīng)用層使用PPC/ARM處理器來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)IP加速，;主控層采用PPC和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks來實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)多媒體業(yè)務(wù)的訪問控制;信道層，與SDR底層基本一致，完成信號接入和信號處理。

通過三層架構(gòu)劃分，可以看出衛(wèi)通設(shè)備和SDR平臺具有架構(gòu)的相似性，理論上可以將SDR的軟件設(shè)計(jì)直接移植到衛(wèi)通設(shè)備上。但是，多類專用的衛(wèi)星通信設(shè)備所涉及的處理器、軟件版本多，直接部署SDR到各類衛(wèi)星通信設(shè)備面臨針對不同類型平臺的重復(fù)性軟件架構(gòu)開發(fā)，與SDR的設(shè)計(jì)理念相去甚遠(yuǎn);而且，各類衛(wèi)通軟件都是因型而異，自定義軟件架構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)等，將現(xiàn)有的軟件程序融入SDR SCA架構(gòu)是一個繁瑣的工作過程。值得關(guān)注的是，SCA提供了一種通用封裝方法，即使用MHAL（Modem Hardware Abstract Layer）對硬件或總線接口統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化處理;此時(shí)，上層應(yīng)用開發(fā)人員只關(guān)心標(biāo)準(zhǔn)接口的調(diào)用和處理，不再關(guān)心平臺硬件的差異性，而且硬件設(shè)計(jì)、SCA架構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)可同時(shí)開展。針對上述衛(wèi)星通信設(shè)備向SDR衛(wèi)星通信設(shè)備演進(jìn)的各類問題，下文將討論衛(wèi)星SDR通信設(shè)備的約束原則和實(shí)現(xiàn)方法。

2. 設(shè)計(jì)原則與實(shí)現(xiàn)方法研究

由于存在攜行、機(jī)載、車載設(shè)備等站型，衛(wèi)星通信設(shè)備種類較多，每種型號需要不同的專業(yè)維護(hù)人員;隨著設(shè)備種類的增加，出現(xiàn)人員缺、成本高等問題。首先，要解決平臺種類多的問題，提出一種共用的三層硬件平臺，以適應(yīng)多數(shù)應(yīng)用場景。

SDR的設(shè)計(jì)原則是多層架構(gòu)涉及的異構(gòu)處理器（GPP/PPC/ARM/FPGA）款型盡可能保持固定和統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一操作系統(tǒng)版本、總線/接口類型，必要情況下統(tǒng)一接插件選型。由于處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的耦合性較高，操作系統(tǒng)小版本號變更也可能會引入應(yīng)用移植的兼容性問題，而且實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)版本證書價(jià)格昂貴、每個版本需要單獨(dú)購買，所以，根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，提出一種通用SDR平臺，以部署衛(wèi)通波形為案例，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。圖2給出了衛(wèi)星通信的通用SDR體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案圖。

根據(jù)圖2總結(jié)的現(xiàn)有衛(wèi)星通信架構(gòu)向SDR架構(gòu)演進(jìn)所面臨的技術(shù)路線，給出了一種衛(wèi)通SDR平臺的實(shí)現(xiàn)方法，如圖3，給出了核心器件種類、OS版本及各類必須的總線接口。

衛(wèi)通SDR平臺的可編程性、功耗、性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)突出。該平臺的核心處理器選型，以高性能和自主可控為首要依據(jù)，支持多波形重構(gòu)、可編程能力;三層架構(gòu)每一層都具有CPU，使得該平臺可以靈活支持SCA框架中的組件管理。平臺支持高性能的總線拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)、高速SRIO可以支持交換架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)三層架構(gòu)間的高速數(shù)據(jù)交換。

衛(wèi)通SDR平臺內(nèi)外的互聯(lián)總線選型比較考究，應(yīng)盡量減少總線類型，還要兼顧傳統(tǒng)設(shè)備的兼容性。提煉多類型設(shè)備的共性接口類型后，通用平臺選擇了RS232、RS485、工業(yè)以太網(wǎng)、SRIO總線為主要接口總線。雖然，現(xiàn)階段SRIO鏈路標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議不足夠完善，不具備以太網(wǎng)自動協(xié)商和熱插拔技術(shù)，但其通過合理的應(yīng)用層設(shè)計(jì)后可以完善自動互聯(lián)功能，是繼以太網(wǎng)之后最具競爭力的高速總線接口;通過選擇SRIO接口作為高速互聯(lián)接口，使得SDR通用平臺支持高速交換架構(gòu)和具備下一代產(chǎn)品的接入能力，拓展了其通用性。

根據(jù)傳輸總線類型，本文研究了SDR平臺的功能布局和顆粒度劃分的實(shí)現(xiàn)方法——三層分割。衛(wèi)通平臺總體趨勢向小型化和通用化演進(jìn)（LRM/VPX 3U標(biāo)準(zhǔn)、6U標(biāo)準(zhǔn)板卡等）;硬件顆粒度劃分，直接決定平臺模塊的繼承性和互聯(lián)性;通用總線的引入，可以使得各層模塊的升級具備獨(dú)立的更換性。如圖3，新型設(shè)備的內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能按照本文提出的三層架構(gòu)進(jìn)行軟件-硬件功能顆粒度設(shè)計(jì)，以具備通用性、擴(kuò)展性。

SCA軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)和處理能力優(yōu)化。SCA2.2.2規(guī)范架構(gòu)自提出以來，并未提供公開的性能指標(biāo)，很顯然其實(shí)時(shí)性較差;本文從三層架構(gòu)的顆粒度劃分上規(guī)避了高速采樣數(shù)據(jù)（舉例，48MSPS采樣信號的IQ數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)4.608Gbps）直接進(jìn)入處理器或者中間層數(shù)據(jù)交換的情況，采樣數(shù)據(jù)被約束在信道層，采用FPGA將實(shí)時(shí)信號處理能力提升到極致。以高速時(shí)分多址衛(wèi)通應(yīng)用為例，其對實(shí)時(shí)性能和吞吐帶寬要求較高;而SCA MHAL交換速率很難超過3Gbps的業(yè)務(wù)能力，不支持高達(dá)48MSPS/4.608Gbps數(shù)據(jù)流交換，且不適合實(shí)時(shí)時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)處理。為解決該問題，采用信道層設(shè)計(jì)解決了48MSPS采樣數(shù)據(jù)到基帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，使用信道層完成基帶幀到實(shí)時(shí)時(shí)分包收/發(fā)處理方法，將對實(shí)時(shí)性要求不高的低速率基帶幀設(shè)計(jì)為MHAL層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，規(guī)避了MHAL無法實(shí)時(shí)處理高速數(shù)據(jù)的問題;三層架構(gòu)中的主控層和應(yīng)用層僅處理應(yīng)用接口、基帶業(yè)務(wù)，規(guī)避了采樣處理和參數(shù)計(jì)算等高處理器資源占用處理情況;綜上，該衛(wèi)通SDR平臺的業(yè)務(wù)處理能力可以高達(dá)150Mbps。另外，SCA4.4版本的帶寬和實(shí)時(shí)性得到了較大提高，在正式版應(yīng)用后，以期進(jìn)一步優(yōu)化三層處理架構(gòu)，向更高速采樣處理和更強(qiáng)的基帶處理能力進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

綜上所述，這種三層SDR平臺演進(jìn)過程較為平滑、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性高，而且這種三層架構(gòu)的平臺具備較高性能和通用性，可以直接部署現(xiàn)有的衛(wèi)星通信軟件或者其他應(yīng)用波形，能夠作為一款通用的SDR平臺來長期使用。

3. 結(jié)束語

經(jīng)過上述專用設(shè)備現(xiàn)狀分析、架構(gòu)對比、演進(jìn)思路分析和實(shí)現(xiàn)方法討論可以發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信SDR平臺的演進(jìn)技術(shù)研究是必要的且必須進(jìn)行的。本人從多類專用的衛(wèi)星通信設(shè)備設(shè)計(jì)和使用中遇到的問題出發(fā)，研究了各類平臺的硬件架構(gòu)，提出一種便于維護(hù)的通用SDR平臺，已經(jīng)在SDR 4U、8U VPX/LRM終端設(shè)計(jì)和新型板卡設(shè)計(jì)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和推廣，以期形成貨架產(chǎn)品、迭代出高可靠性產(chǎn)品并降低生產(chǎn)成本。高通量時(shí)代來臨，小型化的各型設(shè)備復(fù)雜度成指數(shù)上升，衷心希望本文能為相關(guān)工程人員的SDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)并解決實(shí)際應(yīng)用中所遇到的部分困惑。

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