战术电台多波形技术分析

2011-07-31任香凝牛桂兵

无线电通信技术 2011年6期

杨建,任香凝,牛桂兵

(1.二炮司令部,北京100085;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

近年来,战术电台作为各国军队旅级及以下梯队乃至单兵的主要通信装备,获得了高度重视并处在迅猛发展之中。适应21世纪信息化部队对通信容量、组网能力、互通性等的更高要求,针对电台设备的规范化、小型化、扩展频段、减少品种和数量等亟待解决的问题,基于通用硬件平台及软件无线电技术运行多波形,实现多频段多模式多用途的新型战术电台已成为主流发展趋势。

1 多波形技术分析

美国联合战术无线电系统(JTRS)计划的联合计划执行办公室(JPEO)将“波形”定义为“从用户输入到电台频率输出发生的一整套电台和/或通信功能”。将其理解为从信息发送到接收包括协议在内的全部处理过程。多波形战术电台旨在开发一种多频段、多功能、多模式、可编程/可重新配置的无线电台,其软件可以加载/卸载,硬件可以即插即用,可根据用户需要和可供通信的信道条件,通过灵活的配置选择运行不同波形,满足各种信息传输需求,其最终实现方式将是基于软件通信体系架构(SCA)的软件定义电台(SDR)。

美国JTRS是当前国际上基于SCA开发多波形、多外形因子SDR系列的典型代表。美国国防部于1997年开始实施的JTRS计划,从根本上是要采用无线电波形技术开发一种开放结构的战术电台系列,用其将战术部队连接到全球信息栅格(GIG)和卫星通信系统,将大容量数据链路扩展到直接与敌方部队接触的较小战术编队的作战人员,使JTRS成为可在战场上进行移动ad hoc组网的可互操作SDR电台系列。JTRS多波形、多外形因子电台的主要技术特点包括：

①通用硬件平台：支持多波形、多频段、多任务的JTRS硬件平台的基带部分(调制解调器)基本上是通用的,而射频部分和天线能共用则共用;不能共用时则根据不同波形(分配不同工作频率)选配。例如AN/PRC-117G(V)1(C)运行窄带波形时,采用1副30～512 MHz天线;运行宽带波形时,采用 1副225 MHz～2GHz天线;运行卫星通信波形时,采用1副243～318 MHz天线;

②软件通信体系架构(SCA)：SCA是基于通用对象请求代理架构(CORBA)制定的软件无线电软件协议和相应技术标准,由操作环境(OE)和应用(Applications)组成。多波形JTRS基于SCA构建,实现了无线电台加载波形、运行应用以及组网到综合系统的可编程性,成为真正的SDR。而SCA作为提供标准操作环境的核心框架,必须在每个硬件装置上实现。不同JTRS电台之间可通过SCA架构加载同一种波形,轻松实现互通;

③新组网波形设计：JTRS面向不同应用运行环境/领域(如地面、机载和海上)开发4类组网波形,包括宽带组网波形(WNW)、士兵电台波形(SRW)、联合机载网络-战术边缘(JAN-TE)波形、移动用户目标系统(MUOS)波形。各类组网新波形又针对不同作战需求设计了多种空间信号(SIS)形式。例如：WNW具有正交频分复用(OFDM-宽带)、抗干扰(宽带)、先进有效带宽调制(BEAM-窄带)和低截获/低探测概率(LPI/LPD-窄带)4种不同的空间信号;而SRW具有战斗通信(CC)-宽带、LPI/LPD、电子战(EW)-宽带抗干扰3种空间信号。新波形的每种空间信号形式具有广泛的可设置波形参数域,不但涉及的参数全面,而且参数值可设置范围广,由此每种波形的空间信号形式又衍生了多种具体工作模式,从而在波形的空间信号层涵盖各种带宽和数据率。例如WNW OFDM波形可通过设置调制进制、前向纠错编码(FEC)、展宽因子、分集因子等参数,工作在共计38种模式;SRW的各波形工作方式可对工作频率、带宽、调制、编码和发射功率等参数进行配置;

④传统波形的后向兼容：JTRS计划为后向兼容在役的卫星通信、增强型定位报告系统(EPLRS)、单信道地面机载无线电系统(SINCGARS)、“迅捷”(Have Quick)、HF、Link 16等,开发了十几种传统波形。传统波形基本上沿袭继承原有波形,并未再将各种通信手段/方式的波形进一步合并;

⑤多外形因子(Form Factor)电台型谱：JTRS计划主要根据搭载平台/用户的不同,划分电台运行的不同领域,进而开发出多种外形因子的电台,形成如表1所示的电台型谱,每种电台根据需要选择加载JTRS波形库内的若干几种波形。

表1 JTRS电台型谱及工作波形

通过对JTRS技术特点进行分析,可总结出多波形战术电台的基本技术内涵是：基于通用硬件平台和软件通信体系架构,面向不同应用运行环境开发多波形,每种波形可提供满足不同作战需求的多种空间信号形式,并具有广泛的可设置波形参数域,新一代波形应采用通信自适应措施,具备非视距传输能力,能够根据信道情况自适应改变空间信号工作参数,从而在一部战术电台上实现多频段多模式多功能,提高装备的多用途能力,减少装备品种数量,提高装备的互联互通互操作能力。

2 发展途径

国内战术电台现状与发展基于软件通信体系架构的软件定义电台的最终目标相比还有较大差距。不妨在现阶段以能够运行多波形的软件可编程调制解调器、宽带射频及天线为重点开展研究工作。技术途径如下：

①首先类似JTRS的电台外形因子分类方式,根据应用需求做好未来电台装备型谱发展规划,明确每型电台的主要功能用途及选择加载的几种波形工作模式;

②梳理运行每种波形所需的模块化的软件可编程调制解调器硬件结构,并描述每个功能模块的输入端和输出端的信号结构(包括信号形式、接口类型以及频率、带宽、速率、电平等指标),以及用于表征该模块功能的所有参数及参数值范围,明确哪些参数可进行软件重新配置;

③归纳得到支持运行多波形的通用硬件平台架构(各模块尽量能共用则共用);用于波形加载/卸载、波形类型及工作模式选择、波形参数配置、波形运行控制的通用系统操作控制软件平台架构;以及按照3个层次设计的波形库软件架构：一是按应用运行环境划分的波形类型,二是波形工作模式,三是波形参数配置;

④根据多波形电台的体系架构,开发尽可能靠近射频天线的通用、模块化、接口规范标准化的数字处理硬件平台;支撑软件可重新编程的通用系统操作控制软件平台;以及符合通用设计规范、便于扩展升级的波形库软件。

这样,战术电台在便于升级的通用软硬件平台及通用接口规范支撑下,以软件可编程调制解调器为核心,通过现场加载波形或事先加载多波形、现场选择配置的方式,即可根据用户需要和应用环境选择运行适宜的通信波形,灵活实现多功能、多任务。

3 主要关键技术

3.1 通用硬件平台

通用硬件平台的基本思想是将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线,即尽可能早地将收到的模拟信号数字化,使得在同一硬件平台上能够最大程度地通过可重新编程软件来实现电台的各种空中接口、传输机制、协议和应用,即运行基于SCA的多波形。

通用硬件平台可参照图1所示的体系结构构建,规定了一种树形结构的硬件类和一组实现要求。在最顶层,硬件体系结构类包括机箱类和硬件模块类,而硬件模块类又派生出射频、调制解调、处理器、信息安全、输入输出、电源、定位模块等子类。该结构采用面向对象的方式,以类和属性继承的结构包括了所有应用领域中通用的硬件。对应于硬件子类的硬件对象就是实际设备中的硬件模块,也就是这些硬件子类的物理实现。硬件模块应根据平台和环境的要求来确定具体的属性值,进而被实例化为适用于不同平台和应用领域的硬件模块。

图1 硬件体系结构

多波形战术电台在逐渐发展成为SDR的初级阶段,其核心是能够运行多波形的软件可编程调制解调器。软件可编程调制解调器作为运行多波形的基带处理平台,其构建过程是通过梳理每种波形运行所需的硬件平台架构,进而以支撑多模式、多波形的最大化设计原则,归纳得到通用的基带处理硬件平台。该平台采用模块化结构,严格确定各模块的接口规范以便于重构升级,各模块尽量共用以节省资源和简化结构,采用高性能元器件以适应多任务需求,提供多模式所需的最大通道数,支持运行各种波形工作模式;并基于通用系统操作控制应用软件,实现多波形一体化调制解调器的软件可编程、可重新配置、可现场升级。

3.2 软件通信体系架构

软件通信体系架构即符合通用设计规范的系统操作控制软件平台,可参照图2所示的各模块间关系进行软件构建,通过分层的、开放的基础软件将核心应用和非核心应用与底层硬件分离开,并通过CORBA中间件技术提供分布式的处理环境,以提高波形应用软件的可移植性、可扩展性和可重用性,具有波形加载/卸载、波形类型及工作模式选择、波形参数配置以及对基带设备、射频设备的波形运行控制等功能。现阶段其研究重点是开发具有自主知识产权的可操作、可裁减、可扩展的系统软件模块及相关协议标准。

图2 软件体系结构

基于该软件平台的SDR将可以在通用硬件平台上,加载不同的通信波形组件、网络协议和其他软件;支持软硬件即插即用,能根据多种特定战术域的作战需求对波形进行重配置;并通过更换软硬件模块,容许加入新的功能、技术和标准,便于实现扩展升级。

3.3 多波形技术

战术电台多波形技术即构建满足需求的多种波形,形成一个通用的波形库。多波形技术的研究重点包括波形库的组织规范和波形组件的设计规范。波形库的组织规范是将波形库内的模块有机组合起来的整体框架结构。波形组件设计指开发独立于硬件的、基于软件体系架构的波形应用程序。多波形设计可分为3个层次：一是面向运行环境/应用领域进行波形分类;二是每类波形根据工作场景的不同可选不同的空间信号形式;三是每种空间信号形式具有广泛的可设置波形参数域,可进一步划分为不同的基本波形组件,例如信号帧处理波形组件、信道编译码波形组件、调制解调波形组件等,定义组件之间的交互方式与接口,使组件能够在系统中根据需求连接成完整的波形应用,组合为一系列工作模式。这种设计方式使得多波形电台能够涵盖多频段、各种带宽(宽带、窄带)以及各种数据率。