軟件定義無線電部署管理器設(shè)計

陳曉紅 包曉燕

摘要：為使應(yīng)用波形不受電臺軟硬件平臺影響，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層波形與底層軟、硬件解耦合，遵循SCA4.1規(guī)范設(shè)計一種軟件定義無線電部署管理器，通過在電臺上動態(tài)部署不同的波形，實(shí)現(xiàn)電臺功能的軟件定義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，部署管理器可在多通道上成功完成多個波形安裝、部署、卸載和刪除，且效率較高?；赟CA 4.1規(guī)范的軟件定義無線電部署管理器可提高波形可移植性和可重用性，進(jìn)一步提高電臺可操作性、改善用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：軟件定義無線電;SCA4.1;波形部署

DOI：10.11907/rjdk.192126 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0107-06

0 引言

軟件定義無線電（Softw&re Defined Radio，SDR）技術(shù)具有互操作性強(qiáng)、易升級、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，特別是在艦船通信領(lǐng)域，軟件無線電技術(shù)展示出獨(dú)特優(yōu)勢。

傳統(tǒng)艦船通信系統(tǒng)電臺種類繁多、功能單一且靈活性差。外軍已將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于艦船通信設(shè)備，構(gòu)成了完全集成的通信系統(tǒng)。軟件定義通信裝備功能已成為一種趨勢，我軍須從實(shí)際出發(fā)，制定合適的目標(biāo)和策略，利用現(xiàn)有技術(shù)不斷提高裝備性能，改變傳統(tǒng)艦船通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮小系統(tǒng)體積，精簡系統(tǒng)控制與管理，且確保與現(xiàn)有設(shè)備通信穩(wěn)定。目前國內(nèi)已開展軟件無線電方面的研究，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備向板卡集成、板卡向軟件集成，提高了通信系統(tǒng)集成水平，正推動軟件無線電應(yīng)用向數(shù)字化、多模式、抗干擾性更強(qiáng)的方向發(fā)展。

美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（Joint Tactical Radio System，JTRS）計劃基于軟件定義無線電的思想，制定軟件通信體系架構(gòu)（Software Communication Architecture，SCA）規(guī)范。目前應(yīng)用最廣泛的是SCA 2.2.2規(guī)范，該應(yīng)用推動了第二代SDR技術(shù)的市場應(yīng)用。目前該規(guī)范最新版本SCA 4.1于2015年8月發(fā)布。SCA4.1相比于SCA 2.2.2來說，能夠支持不同的傳輸機(jī)制、不同量級的架構(gòu)，可以根據(jù)具體應(yīng)用場景優(yōu)化核心框架，采用“推”模型，減少函數(shù)調(diào)用總次數(shù)，這些新特點(diǎn)可提高系統(tǒng)安全性、靈活性和可用性。

目前軟件定義無線電裝備還處于研制初期階段，依托SCA架構(gòu)的波形部署控制軟件相關(guān)研究屈指可數(shù)，因此基于SCA 4.1規(guī)范的軟件定義無線電部署管理器研究具有重要意義。

1 軟件定義無線電部署管理器開發(fā)架構(gòu)

從軟件開發(fā)角度來看，SCA是一個基于組件開發(fā)的體系架構(gòu)，允許不同波形在分布式處理單元上進(jìn)行通信。基于組件開發(fā)的體系架構(gòu)是一種允許創(chuàng)建、集成、重用波形組件的體系架構(gòu)。其應(yīng)用基于軟件組件裝配，軟件組件特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小、可重用的二進(jìn)制代碼模塊和一個定義明確的功能;組件在被用于構(gòu)建一個應(yīng)用前，已被作為一個軟件的單元被設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和測試。用戶可在軟件組件產(chǎn)品說明書目錄上選購所需軟件組件，進(jìn)行裝配應(yīng)用。

圖1是SCA4.1版本的核心框架（Core Framework，CF）接口定義語言（Interface Definition Language，IDL）關(guān)系視圖，使用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）描述組件之間的關(guān)系，調(diào)用波形應(yīng)用無需知曉波形組件內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)。SCA軟件組件可分為3部分：邏輯設(shè)備、應(yīng)用和電臺部署管理器。

邏輯設(shè)備分為：設(shè)備（Devices）、可加載設(shè)備（LoadableDevice）、可執(zhí)行設(shè)備（Executable Device）;應(yīng)用指可部署的通信標(biāo)準(zhǔn)軟件實(shí)現(xiàn)，如FM、EPLRS、Linkl6等;電臺部署管理器用來對波形應(yīng)用實(shí)施安裝、卸載、部署、配置、健康監(jiān)視、自檢等。

2 軟件定義無線電部署管理器設(shè)計

2.1 功能描述

波形部署是SCA軟件無線電集成管理的關(guān)鍵之一，因此電臺部署管理器是軟件定義無線電裝備軟件平臺的一個重要組成部分，其在軟件無線電軟件平臺中的組成架構(gòu)如圖2所示，電臺部署管理器功能如圖3所示。

2.2 原理描述

部署管理器安裝波形前，首先需啟動域管理器和設(shè)備管理器，通過解析域管理器配置文件（Domain Manager Configuration Descriptor，DMD）和設(shè)備配置文件（Device Configuration Descriptor，DCD），明確管理器使用的服務(wù)，解析各設(shè)備相關(guān)域配置文件并啟動組件，然后方可安裝和創(chuàng)建波形應(yīng)用。根據(jù)軟件裝配描述文件（Software Assembly Descriptor，SAD），波形應(yīng)用的裝配控制器把某波形包含的軟件組件加載到硬件設(shè)備上，并對軟件組件進(jìn)行組裝，通過connectUsesPorts建立組件之間的連接，并對波形應(yīng)用進(jìn)行啟動、停止、配置和查詢等控制。

2.3 波形應(yīng)用軟件部署設(shè)計要求

由于實(shí)際電臺目標(biāo)設(shè)備及相關(guān)性能在波形組件部署前是已知的，所以波形組件對部署對象進(jìn)行相關(guān)屬性描述和靜態(tài)能力檢查是波形應(yīng)用軟件可部署的前提。波形應(yīng)用軟件部署設(shè)計要求主要包括：

（1）波形組件與部署相關(guān)的能力檢查，包括動態(tài)能力檢查和靜態(tài)能力檢查。動態(tài)能力檢查指在運(yùn)行時查詢，獲取用于部署的潛在目標(biāo)設(shè)備的能力;靜態(tài)能力檢查與之相反，運(yùn)行時已不需查詢，目標(biāo)設(shè)備能力在使用前均已知。實(shí)際應(yīng)用中電臺目標(biāo)設(shè)備及其能力不會動態(tài)改變，所以采用靜態(tài)能力檢查。

（2）波形組件與部署相關(guān)屬性描述。在組件裝配描述文件中詳細(xì)描述待部署的組件集合。主要描述內(nèi)容為：波形應(yīng)用的每一個組件必須描述能力要求，能力屬性是描述一個可部署的組件適用于目標(biāo)平臺的處理器、操作系統(tǒng)類型，并在編譯時針對目標(biāo)平臺硬件需求進(jìn)行編譯。

波形應(yīng)用的每一個組件必須描述容量要求，如內(nèi)存、MIPS等。容量屬性要求在硬件平臺中一些具有有限數(shù)量的物理資源在部署之前必須保留給待部署的組件，在容量屬性中必須描述組件每一個不同編譯（實(shí)現(xiàn)）版本對容量的要求。

同時還需描述波形應(yīng)用所有組件的互聯(lián)關(guān)系。一個波形應(yīng)用是一組已裝配的組件集合，將組件連接在一起建立一個裝配好的組件間數(shù)據(jù)流。一個連接由一個源組件和目的組件組成，并通過將源組件的一個關(guān)聯(lián)發(fā)布給目的組件建立連接。

2.4 SCA波形組件部署實(shí)現(xiàn)流程

該部分主要包括：目標(biāo)設(shè)備匹配、組件部署和組件生命周期控制。

2.4.1 目標(biāo)設(shè)備匹配

（1）執(zhí)行能力屬性檢查。將注冊設(shè)備聲明的能力與待部署組件每個實(shí)例的能力要求進(jìn)行比較，如圖4所示。

（2）執(zhí)行容量屬性檢查。無線電部署管理器按照組件描述符文件容量需求，查詢設(shè)備容量屬性是否匹配，執(zhí)行容量屬性檢查。

為每個部署的組件（包括附屬組件）設(shè)置保留容量，當(dāng)遵循該方式保留失敗，可進(jìn)入回滾操作。當(dāng)一個容量檢查失敗，無線電部署管理器必須找到一個新設(shè)備，重新執(zhí)行組件容量匹配，如圖5所示。

2.4.2 組件部署

組件部署是指將開發(fā)階段組件生成的二進(jìn)制代碼傳送給目標(biāo)設(shè)備。一個波形應(yīng)用組件可來自一個遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，也可來自一個無線電臺內(nèi)部。安裝過程需拷貝所有波形應(yīng)用組件文件，包括：裝配描述文件、組件描述文件、部署描述文件等。

待安裝的波形應(yīng)用組件必須通過域管理器獲取，在一個波形應(yīng)用組件被執(zhí)行之前必須被部署，部署包括將所有資源的實(shí)現(xiàn)發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備。

2.4.3 組件生命周期控制

控制所有部署組件生命周期。電臺部署管理器對每一個被部署的組件強(qiáng)制性賦予一個生命周期：Instantiation（實(shí)例化）→initialization（初始化）→configuration（配置）→connection（連接）→disconnection（斷開連接）→release（釋放資源）→termination（生命周期終止）。

2.5 相關(guān)功能組件

2.5.1 應(yīng)用控制

（1）SCA應(yīng)用。該應(yīng)用特點(diǎn)為：①通過裝配描述符描述如何裝配和部署;②使用無線電部署管理器應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）將其安裝到無線電臺中;③使用無線電部署管理器執(zhí)行應(yīng)用部署;④一個應(yīng)用可被看作單一的資源;⑤無線電部署管理器應(yīng)用的操作分安裝、部署、啟動3個步驟進(jìn)行。

（2）SCA資源。一個資源更像一個硬件器件，包含輸出、輸入及需要連接到其它組件的控制端口。若在一個應(yīng)用程序中使用一個資源，該資源必須被部署到設(shè)備中，且設(shè)備必須滿足性能要求和容量要求。

資源還可實(shí)現(xiàn)簡單或復(fù)雜的信號處理功能，作為一個端口的提供者，端口由命名字符串定義，可提供連接其它組件的端口，還可提供讓一個特定API訪問的端口。

因?yàn)橐粋€應(yīng)用由許多資源組成。通過集合這些資源，應(yīng)用包含了資源所有端口和配置屬性。由無線電部署管理器軟件部署程序賦予資源強(qiáng)制性生命周期。

（3）資源生命周期流程（見圖6）包括：①當(dāng)包含資源的應(yīng)用被實(shí)例化時，資源處于激活狀態(tài);②告知資源可初始化其狀態(tài)，如內(nèi)存分配;③資源接收配置參數(shù);④提供/接受與其它組件的對象關(guān)聯(lián)，建立數(shù)據(jù)流;⑤資源再次接收配置參數(shù);⑥開始數(shù)據(jù)處理;⑦停止數(shù)據(jù)處理;⑧通知資源不再使用在連接時刻建立的對象關(guān)聯(lián)（中斷數(shù)據(jù)流）;⑨資源必須釋放內(nèi)存、終止執(zhí)行;⑩無線電部署管理器中斷資源執(zhí)行。

（4）基本組件由基本應(yīng)用接口組件標(biāo)識、端口連接器、生命周期、可測試接口、屬性設(shè)置和可控制接口組成，如圖7所示。與SCA2.2.2中的資源接口類似，開發(fā)者必須在基本組件上繼承組件。SCA 4.1采用選擇性繼承的方式，通過預(yù)編譯與IDL指令定義組件待實(shí)現(xiàn)的接口，使組件更輕量化。

（5）SCA資源一裝配控制器。無線電部署管理器將應(yīng)用控制授權(quán)交予裝配控制器，但需借助于代理執(zhí)行控制或配置。

SCA應(yīng)用代理組件由裝配控制器調(diào)用，裝配控制器組件必須實(shí)現(xiàn)資源接口，因?yàn)樗撬匈Y源的代理。裝配控制器的定義在應(yīng)用裝配描述符里，由應(yīng)用開發(fā)者提供。

任何一個來自用戶接口且與應(yīng)用資源相互作用的請求必須被授權(quán)給裝配控制器。裝配控制器有自己的邏輯屬性集、端口名，且知道哪些組件必須為應(yīng)用輸入和輸出數(shù)據(jù)提供外部端口（在裝配描述符里指明）。

2.5.2設(shè)備控制

有4種邏輯設(shè)備組件：設(shè)備組件、可執(zhí)行設(shè)備組件、可加載設(shè)備組件、聚合設(shè)備組件。

設(shè)備組件由生命周期、可管理接口、容量管理、設(shè)備屬性、聚合設(shè)備屬性組成，這些接口均源自于SCA 2.2.2的邏輯設(shè)備接口，如圖8所示。邏輯設(shè)備組件供軟件組件部署所用，可作為軟件部署目標(biāo)機(jī)、硬件設(shè)備軟件代理，且還提供對硬件設(shè)備的訪問，如GPS接收機(jī)。

可執(zhí)行設(shè)備組件提供對DSP的訪問，可加載設(shè)備組件提供對FBGA的訪問。作為組件部署的目標(biāo)設(shè)備，SCA可加載設(shè)備組件和可執(zhí)行設(shè)備組件需通告能力（OS、Processor等）和容量（MIPS、Memory）等。可執(zhí)行設(shè)備組件與可加載設(shè)備組件在繼承設(shè)備組件的同時，可實(shí)現(xiàn)各自接口。聚合設(shè)備組件繼承設(shè)備組件的同時，實(shí)現(xiàn)可加載接口。

2.5.3 無線電管理

無線電管理由4個組件實(shí)現(xiàn)：域管理器組件（DomainManager Component）、應(yīng)用工廠組件（Application FactoryComponent）、應(yīng)用管理器組件（Application Manager Component）、設(shè)備管理器組件（Device Manager Component）。

域管理器組件是無線電管理器，應(yīng)用工廠組件用來實(shí)例化一個應(yīng)用并提供一個應(yīng)用管理器組件組件，應(yīng)用管理器組件控制一個部署的應(yīng)用。

（1）域管理器組件是無線電管理中心組件。它可實(shí)現(xiàn)由設(shè)備管理器指定的節(jié)點(diǎn)組件間的互連，負(fù)責(zé)應(yīng)用安裝，供UI使用控制并監(jiān)視電臺;可用一個“腳本”或設(shè)備管理器在啟動一個無線電期間的任何時刻啟動;用來安裝應(yīng)用，為安裝的應(yīng)用創(chuàng)建一個應(yīng)用工廠;提供兩個事件通道，一個是每個設(shè)備必須用來報告狀態(tài)改變的通道，另一個是報告電臺管理事件的通道;用于電臺內(nèi)部檢測，包括：偵聽產(chǎn)生的事件、獲取已裝應(yīng)用和已部署應(yīng)用的清單。

（2）應(yīng)用工廠組件的任務(wù)是：安裝一個特定類型的應(yīng)用;部署一個應(yīng)用并為每個部署的應(yīng)用創(chuàng)建一個應(yīng)用管理器對象;域管理器組件為每種已安裝的應(yīng)用創(chuàng)建一個應(yīng)用工廠，每個應(yīng)用工廠管理一種類型的應(yīng)用，如FMLoS;應(yīng)用工廠能創(chuàng)建一種相同應(yīng)用類型的幾種實(shí)例，如FMLoS 1、FMLoS 2等;應(yīng)用工廠組件按“執(zhí)行能力檢查→執(zhí)行容量檢查→傳遞結(jié)果到目標(biāo)設(shè)備→控制已部署設(shè)備的生命周期”的步驟執(zhí)行組件部署。

（3）應(yīng)用管理器組件功能包括：啟動/停止信號處理，通過配置改變應(yīng)用的行為，釋放終止的組件、歸還“容量”資源的應(yīng)用。

（4）設(shè)備管理器組件中，一個無線電由許多節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)運(yùn)行單一的設(shè)備管理器組件，每個設(shè)備管理器組件按節(jié)點(diǎn)描述符描述的方式啟動節(jié)點(diǎn)。

2.6軟件設(shè)計

子模塊包括網(wǎng)口模塊、消息分發(fā)模塊、波形安裝模塊、波形刪除模塊、波形部署模塊、波形卸載模塊、波形查詢模塊。設(shè)計流程如圖11所示。

3 測試驗(yàn)證與結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)硬件平臺包括一個裝有Windows操作系統(tǒng)的臺式計算機(jī)、一套四通道軟件定義無線電設(shè)備，軟件平臺為Windows操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺是ReDe開發(fā)環(huán)境（實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)ReWorks4.7），編程語言為C/C^。

本文部署管理器在ReDe開發(fā)環(huán)境下編寫程序，并編譯生成可在軟件定義無線電設(shè)備上運(yùn)行的.out文件，將該文件放在主控上運(yùn)行并進(jìn)行測試。

針對四通道設(shè)備的功能需求和硬件結(jié)構(gòu)，按照軟件無線電技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求，構(gòu)建適用于設(shè)備的核心框架。部署管理器屬于主控的一部分，部署管理器和波形應(yīng)用的軟件代碼放在主控板上。部署波形時，把待安裝的波形軟件包拷貝到指定基帶板上，在多通道上對多個波形進(jìn)行安裝、部署、卸載和刪除。

部署管理器可在多通道上成功地完成多個波形安裝、部署、卸載和刪除，且效率較高。

4 結(jié)語

本文按照SCA 4.1規(guī)范設(shè)計了全量級軟件無線電裝備部署管理器，該管理器可實(shí)現(xiàn)對多種波形的安裝、刪除、部署和卸載等操作，提高波形可移植性和可重用性，增強(qiáng)電臺可操作性和用戶使用體驗(yàn)。下一步可通過對接口選擇性繼承等方式進(jìn)一步優(yōu)化核心框架，進(jìn)而提高波形部署效率。