軟件無線電無人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)

◎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(fā)揮著較大優(yōu)勢，同時也逐漸被推廣應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，比如電子戰(zhàn)、雷達(dá)等。因此軟件無線電在無人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究意義重大。

二、無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)概述

當(dāng)蜜蜂成群飛行時，個體之間可進(jìn)行信息交流，然后組成不同的隊形，提升蜂群整體優(yōu)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(xié)作行為，創(chuàng)建出無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)方式，無人機(jī)編成群組可將信息網(wǎng)絡(luò)作為中心，通過溝通平臺進(jìn)行信息交互，進(jìn)而實(shí)施協(xié)同作戰(zhàn)，充分整合無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢，提升無人機(jī)作戰(zhàn)多樣性。

三、軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)

1.智能天線技術(shù)。

智能天線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整適應(yīng)，同時可優(yōu)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(shù)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(jìn)系統(tǒng)管理水平的提升。

2.RF 前端技術(shù)。

通過應(yīng)用RF 模塊，能夠有效覆蓋軟件無線電系統(tǒng)的所有頻段，對于RF 模塊，不僅要求支持多個標(biāo)準(zhǔn)，同時還應(yīng)該對射頻模塊進(jìn)行更換。為了促進(jìn)RF 模塊處理速度和能力的提升，應(yīng)降低RF 模塊體積以及損耗，并采用高密度集成形式，保證調(diào)制解調(diào)功能。

3.A/D-D/A 轉(zhuǎn)換技術(shù)。

在軟件無線電中，A/D-D/A 為至關(guān)重要的接口，通過應(yīng)用A/D-D/A，可連接RF部分可與通用數(shù)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(shù)字上/下變頻（DUC/DDC）技術(shù)。

通過利用數(shù)字上/下變頻（DUC/DDC）技術(shù)，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(shù)。

在軟件無線電中，基帶處理技術(shù)為核心技術(shù)，數(shù)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(jìn)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?qū)崿F(xiàn)其他各項功能，包括濾波、協(xié)議控制、信道編解碼以及調(diào)制解調(diào)，只有充分利用DSP、FPGA、GPP 技術(shù)，才能夠提升信號處理運(yùn)算能力。

6.互連技術(shù)。

互連技術(shù)的主要作用是連接系統(tǒng)中的各個單元，進(jìn)而創(chuàng)建系統(tǒng)硬件平臺，其能夠有效保證硬件平臺的開放性、可擴(kuò)展性。在軟件無線電中，常見互聯(lián)結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)以及交換結(jié)構(gòu)三種。

四、軟件無線電無人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)技術(shù)方案

1.硬件平臺設(shè)計。

（1）信道模塊。

在軟件無線電無人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)技術(shù)方案硬件平臺設(shè)計中，設(shè)計中頻濾波器，可根據(jù)所選擇的波形不同而選擇相應(yīng)的中頻帶寬。數(shù)字信號處理單元控制通道的功能包括射頻控制以及數(shù)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(yùn)行的重要載體，主要運(yùn)行硬件抽象層、中間件、嵌入式操作系統(tǒng)以及波形組件。信號處理模塊具有較強(qiáng)的信號運(yùn)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(shí)際需要。GPP 運(yùn)行部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，要求嵌入式操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時功能，DSP 和FPGA 的功能比較多，包括信道編碼與譯碼、MAC 協(xié)議、信道估計均衡、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)以及同步算法等。此外，F(xiàn)PGA 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(shù)據(jù)，另外其還具有可編程I/O 接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)控功能。

（3）主控與業(yè)務(wù)模塊。

主控與業(yè)務(wù)模塊的功能是對系統(tǒng)進(jìn)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(yè)務(wù)的接口。主控與業(yè)務(wù)模塊是由聲碼話單元、GPP 以及外部業(yè)務(wù)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(tǒng)一的射頻控制API 實(shí)現(xiàn)，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(shè)計。

軟件平臺基于SCA 體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建，主要由波形應(yīng)用、輕量化核心框架、CORBA中間件、硬件抽象層、硬件驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)、板級支持包/硬件驅(qū)動程序構(gòu)成。其組成如圖1 所示。

圖1 軟件平臺系統(tǒng)架構(gòu)

核心框架的功能模塊由基礎(chǔ)模塊和核心模塊組成?；A(chǔ)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(yīng)用的XML 文件解析、波形應(yīng)用的動態(tài)加卸載管理以及系統(tǒng)資源的配置與管理。

CORBA 中間件用于屏蔽操作系統(tǒng)異構(gòu)性以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)性，為分布式環(huán)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(yuǎn)程功能調(diào)用、分離的對象定義和實(shí)現(xiàn)方法，能夠有效規(guī)范客戶端和服務(wù)器端操作，促進(jìn)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(yīng)用運(yùn)行環(huán)境中，實(shí)時操作系統(tǒng)至關(guān)重要，其能夠為上層波形應(yīng)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(jī)軟硬件資源，控制程序執(zhí)行流程，提供系統(tǒng)調(diào)用接口和驅(qū)動程序。

硬件抽象層針對不同的數(shù)據(jù)傳輸方式規(guī)定了一系列API，這些API 可屏蔽硬件平臺相關(guān)的底層通信機(jī)制以及封裝標(biāo)準(zhǔn)，將波形組件間通信方式與具體硬件平臺進(jìn)行分離，同時還能夠保證波形組件底層通信訪問接口的統(tǒng)一性，使得波形軟件能夠在不同硬件平臺上進(jìn)行平滑移植。

3.波形設(shè)計方案。

本文實(shí)現(xiàn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)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(fù)用（OthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）傳輸技術(shù)，以獲得高效的頻譜利用率；在接收端采用Turbo 迭代譯碼結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高通信的可靠性。鏈路層采用支持多跳網(wǎng)絡(luò)的基于時分復(fù)用多址接入（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA） 的 媒 體 接 入 控 制（MediumAccessControl，MAC）協(xié)議，以滿足應(yīng)急通信中自組網(wǎng)、多跳和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大的應(yīng)用需求。

五、結(jié)語

綜上所述，本文主要對軟件無線電無人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)探究，軟件無線電為無線通信裝備核心技術(shù)，基于軟件無線電技術(shù)的無人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)具有多通信體制兼容、軟件可重構(gòu)可升級、可擴(kuò)展的多通道設(shè)計、組網(wǎng)機(jī)動靈活、軍民產(chǎn)品一體化設(shè)計等特點(diǎn)，可同時支持寬、窄帶信號通信組網(wǎng)，結(jié)構(gòu)小巧、重量輕便、部署靈活，可同時實(shí)現(xiàn)無人機(jī)蜂群的飛控、測控、圖像和機(jī)間協(xié)同信息的傳輸功能。

圖2 寬帶網(wǎng)絡(luò)波形功能框圖