软件无线电技术及其发展

李晓陆 余 翔 王 琳

【摘要】文章简要阐述了软件无线电的特点及其发展历程,重点分析了推动美军联合战术无线通信系统(JTRS)发展的关键要素及其主要技术,最后给出了软件无线电未来发展的构想。

【关键词】软件无线电SCAJTRS波形集成开发环境

1 概述

根据国际电信联盟(ITU)的定义,软件无线电是一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D、D/A尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统,如图1所示。

软件无线电技术的设备具备如下特点:

◆开放式体系结构,可扩展性强;

◆模块化程度高,可配置,易维护;

◆软件组件化,可移植,可复用,从而缩短开发时间,降低研制成本;

◆可加载多种波形,即统一的平台兼容多种通信体制,可大大减少设备的种类,降低维护成本;

◆通过升级软件或部分模块,实现新技术的嵌入;

◆支持灵活的组织应用模式,有效地实现互连互通和互操作。

2 软件无线电技术的发展历程

自1992年Joseph Mitola在美国电信系统会议上首次提出软件无线电的概念以来,美国军方给予了高度的重视,并在其发展中始终占据领先的地位。其发展可归纳为如下几个阶段:

(1)概念验证与初步体系结构的提出

在1992年和1997年,美国防部(DOD)先后实施了Speakeasy和可编程模块化通信系统(PMCS,Programmable Modular Communication System)计划,开展软件无线电的研究工作。Speakeasy(I、II期)和PMCS计划成功完成了多频段多模式电台样机的开发,实现了多类电台的互通,证明了软件无线电在技术上的可行性,并制定了军用无线通信系统的开放式的体系结构(即红、黑边分区的安全架构;模块化、标准化互联总线的硬件结构),为后续工作的开展奠定了基础。

(2)JTRS计划的颁布;明确需求、使命;推进阶段与组织管理机构的建立

1997年,美国防部批准了JTRS(Joint Tactical Radio Systems,联合战术无线电通信系统)计划,1998年3月发布了JTRS联合作战需求文件(JORD),10月成立了联合战术无线电系统计划办公室(JPO)。JTRS计划的使命是开发一系列可互操作,且经济上可承受的软件定义无线电台,为联合部队提供安全的无线网络通信能力。JTRS计划采用渐进式采购和螺旋式发展策略。

(3)JTRS计划的执行

◆ 第一阶段(Step 1:于1999年6月完成)为体系结构定义阶段,对需求、波形和技术基础进行分析,提出可保证向下兼容、未来可扩展的JTRS软硬件体系结构,产生基础体系结构定义报告(ADR)。

◆ 第二阶段(Step 2:于1999年10月启动)是体系结构开发和验证阶段,形成并完善JTRS的重要基础——软件通信体系结构(SCA)标准,具体细分为2A、2B、2C三期。

◆ 第三阶段(Step 3:2003年4月开始)为采购与装备阶段。JTRS将支持保密和非保密的宽带、窄带波形和话音、数据多媒体业务,具有动中通组网能力,且在体积、功耗和频谱利用率等性能指标上得到进一步改善。从2004年开始采办5大群集(Cluster)的JTRS硬件平台和波形,逐步装备部队并最终将取代各军种当前使用的各个频段的无线电台及一部分专用战术通信设备。

(4)JTRS计划的调整

2005年1月,由波音公司牵头的JTRS群集1型号的研制成本、电台的体积、功耗和重量、WNW技术指标均与设计要求存在较大差距;系统信息安全存在问题,并对群集5项目产生了很大的影响。美国国防部采购主管于3月31日签署了官方采办备忘录(ADM),批准了JTRS新计划。

JTRS新计划肯定了JTRS定位,主要在以下几个方面进行了调整:

1)改变了群集项目模式。将原5个群集调整为4个区域,如图2所示:

图2 调整后的JTRS计划组织结构

2)明确后续技术开发工作重点。要求最优先开发组网功能,着重研发3种软件波形,即宽带组网波形(WNW)、士兵电台波形(SRW)和联合机载网络战术边缘波形(JANTEW);将电台型号由26个减少到13个,波形数目由32个减少到9个,同时还减少了一些电台的信道数量。

3)加强集中管理。2006年2月成立的JTRS联合计划执行办公室(JPEO),负责对JTRS各项目计划需求和预算进行核准;组织编写对产品系列的测试和评估计划;为JTRS系列产品确定一个通用的标准,以保证满足GIG的应用要求。

4)加强风险控制。JTRS采办方式由“爆炸式”改为“渐进式”,将研发预算从60亿调低到40亿美元。并提出了解决部队急需更新装备的“替代方案”,批准采购了一批“过渡电台”。

(5)JTRS计划的快速进展

2005年夏,波音公司完成了WNW及其JTRS GMR电台高级性能测试。2006年1月底,向FCS交付7台JTRS GMR,计划年内再提交50套。随着JTRS GMR问题的解决,通用动力公司的HMS(原群集5)电台的开发按照进度和预算正常进行。

在2006年1月,Thales公司的JTRS增强型多频段小组内/小组间电台(原群集2,JEM或MBITR)完成了SCA认证和国家安全局(NSA)1类加密认可,通过了政府的全面测试与评估,可确保电台能够满足作战需求。这是第一个通过认证和评估的JTRS电台。

2007年1月,JTRS计划网络企业领域交付了WNW V2.0版;士兵级集成通信环境波形V2.1版在位于新泽西州迪克斯堡的C4ISR测试床所模拟的真实作战环境中通过了技术测试。

2007年4月,JTRS地面移动无线电台(GMR)组件在亚利桑那州的瓦丘卡堡进行了演示,其网络有9个节点,其中4个节点是加载了WNW、增强型定位与报告系统(EPLRS)及单信道地面和机载电台系统(SINCGARS)波形的4信道GMR,2个节点是海军陆战队的舰艇传统EPLRS,其余节点是陆军车载装备。这次演示证明了GMR与EPLRS等电台的互通能力和Ad Hoc组网能力,以及WNW传输文本报文、视频和白板业务的能力。

3 推进JTRS计划的要素及关键技术

经过10多年的发展,JTRS在近年来取得了较大的进展,并通过实践表明软件无线电的设计开发与传统无线电工程存在巨大的差别,JTRS计划在组织管理、技术实现、设备集成与维护等方面都有较大的创新之处,从而为其目标的实现提供了有力的保障。分析与借鉴其有关经验,对推动软件无线电技术的发展与应用有着十分重要的意义,简要归纳有如下几点:

◆需求清晰,目标明确;

◆系统规划,且阶段性要求明确,组织、分工有较大的创新;

◆抓住本计划的关键因素,并做好与其它基础研究成果的整合;

◆坚定信心,及时解决问题。

JTRS的关键技术主要涉及以下几个方面:

◆软件无线电体系架构;

◆数字信号处理;

◆宽带射频前端;

◆宽频段天线;

◆系统总线互联及标准接口;

◆波形集成开发环境;

◆标准符合性认证;

◆波形管理。

其中数字信号处理、宽带射频前端、宽频段天线和系统总线互联及标准接口主要利用商业货架技术和基础研究课题的成果。

以JTRS计划为主导推动发展的几个关键技术及其主要作用包括:

(1)软件无线电体系架构

JTRS计划首先推动的工作是SCA标准的研究、颁布与验证。SCA是实现如下JTRS技术目标的根本保证:

◆通用化、模块化和标准化;

◆平台与波形相独立,且具有良好的开放性;

◆波形动态加/卸载。

SCA标准的不断发展和完善,至今已形成SCA V2.2.2版,包括硬件体系结构、软件体系结构、安全体系结构和网络体系结构。其中软件操作环境(OE)由主框架、日志与中间件服务、设备接口、波形API、异构处理单元和安全保密组成,如图3所示:

图3 SCA体系结构及其标准体系

(2)波形集成开发环境

波形集成开发环境是一套类似于C++软件编程的集成工具(IDE),它集成了建模、编辑、编译、连接、库管理和调整等工具(如图4),涉及到基于模型驱动架构(MDA)的波形设计方法、波形描述语言等专门技术,通过平台无关模型(PIM)、平台相关模型(PSM)技术最大程度保证了波形应用组件的可移植性及与平台的无关性。通过了符合性认证的波形集成开发环境可在如下方面发挥作用:

◆规范波形开发过程,提高波形组件开发的效率和波形组件的质量,降低开发成本;

◆缩短系统集成开发周期;

◆降低第三方波形组件嵌入的难度;

◆保证对系统的标准/规范符合性;提高成熟波形组件的可重用性;

◆为波形的管理提供技术工具;

◆为用户系统的波形重构提供技术手段。

(3)标准符合性认证

符合性测试是对待测对象的接口和功能是否满足体系结构规范的要求进行测试、统计、分析并形成测试报告的过程。JTRS为保证所开发的软件无线电平台和波形符合SCA标准的要求,设置了波形验收、波形库管理和SCA一致性认证的专门机构JTEL,即JTRS测试与认证实验室(JTRS Test and Evaluation Laboratory)。JTEL有以下三个方面的职责:

1)一致性测试

◆提供JTRS波形验收和SCA一致性建议给JPEO;

◆提供JTRS操作环境SCA一致性建议给JPEO。

2)波形库管理

所有经过SCA认证的JTRS波形保存在JTEL波形库中。

3)先进性保证

提供先进SDR技术的指导。

其中一致性测试的主要内容包括:

1)JTRS波形;

2)操作环境(OE),具体包含:

◆操作系统;

◆CORBA中间件;

◆SCA核心框架;

◆电台硬件和设备驱动;

3)任何一项有变更的重新认证;

4)回归测试。

(4)波形管理

波形管理是对通过认证的战术通信波形及其组件数据库的管理,涉及数据库管理、数据融合和安全等技术。

4 未来发展的展望

随着信息化社会建设的发展,迫切需要新型的无线通信系统,具体包括:

◆全空间域的无线通信;

◆全业务域的无线通信;

◆全距离域的无线通信;

◆全频域的无线通信;

◆可重构的无线通信系统。

传统的单一设备堆砌式的无线通信装备发展方式难以解决多种传输体制并存、频率资源紧缺的矛盾,并满足如上需求。此外,与平台基础设施的非一体化设计方式降低了系统的效能,增加了成本。软件无线电技术的应用将促成通信系统的变革性发展,首先是通信设备的计算机化,如图5所示。其主要特点包括:

◆软/硬件平台相互独立,且开放;

◆符合标准(总线、接口等)要求;

◆模块化设计。

图5 通信设备与计算机的类比

由此,用户可以根据需要,通过配置(第三方的)应用软件改变或增加设备的功能,也可以通过更换或增加某一模块来更新、增强部分能力(如配置专业显卡等)。

其次,它将改变传统的设备研制方式,形成相关的产业链,如图6所示。由此,用户可选用最优和成本合理的技术及部件,大大降低使用和维护成本。

图6 软件无线电设备开发产业链

软件无线电技术是各界公认的发展方向,将使通信电子设备的设计、开发及使用等产生革命性的变化,在产品质量、成本、技术先进性等方面发生实质性的改变。经过20多年的研究,软件无线电技术及其标准的建设取得了丰硕的成果,但其最终目标的实现可能需要多种规模的技术验证并完善技术标准,同时做好配套技术(如核心芯片、操作系统、中间件等)的储备以及相关的管理政策,处理好知识产权等问题。