一种自适应的软件无线电体系架构

李兰花 王玲 施峻武

【摘要】 软件通信体系结构（SCA）为软件无线电台的设计提供了一个与实现无关的开放式架构。SCA4.0是一种自适应的软件无线电体系架构，相较之前的版本更灵活，更易升级，同时支持不同量级的软件架构。这种自适应性也能更好的适应目前具有不同设备资源的各类无线电台。本文首先对SCA4.0规范的特性进行了详细的分析，然后以小型化设备为例介绍了这种自适应性的软件架构。

【关键词】 SCA4.0 自适应 软件无线电 小型化设备软件架构

一、引言

SCA规范的制定实现了软件无线电[1]的思想，提高了波形的可移植性、可重用性和互操作性，降低波形的开发成本。从1999年推出的最初版本到目前为止已有多个版本，SCA4.0[2-3]是2012年推出的。

SCA规范软件架构包含了操作系统、核心框架、分布式处理中间件和应用层软件。由于功能完备的软件架构，往往需要占用比较多的资源，这对于一些小型设备来说并不适合。因此，JTRS提出了一种自适应的软件无线电体系结构，相较之前的版本增加了轻量级组件，功能单元，轻量级AEP，选择性继承以及Push Model等机制，支持不同的传输机制，由此来提高框架的灵活性，便于在不同量级的平台上实施。以小型化设备的软件架构为例，采用轻量级核心框架、轻量级中间件以及轻量级应用环境架构能极大地提高设备的运行性能，降低资源的占用率。

二、SCA4.0规范特性

2.1 PUSH MODEL

在SCA4.0之前的版本，核心框架通过Pull Model获取注册资源的各项信息，SCA4.0中通过采用Push Model[4]，一方面可以进行直接的信息交换，减少了调用的总次数，从而减少启动和初始化的时间，另一方面，交换信息的属性和操作是可选的，可以减少不必要的实现。图1，对比了Pull Model和Push Model的注册操作。为了适用Push Model，SCA4.0新制定了一个ComponentRegister接口用于设备和波形组件的注册。

为了实现Push Model，SCA4.0对端口连接方式进行了改进。SCA4.0提供了Registered和Obtainable两种类型的端口提供方式，对应于旧版本的静态和动态两种形式的端口提供方式。新的端口连接方式采用推送所有信息的方式，用单次的调用取代了多次连接。图2对比了SCA2.2.2[5]和SCA4.0中obtainable 端口的连接序列图。

2.2轻量级组件

轻量级组件和功能单元（UOFs）是SCA4.0的两个机制，用于调整框架以适应不同产品和任务的需求。之前的SCA版本接口功能齐全，要求实现的功能往往比实际需要的大，决定实现一个接口时，即使是一个虚拟的实现，它会增加额外的成本，如需求分析、设计决策、开发时间、软件集成和测试和遵从性测试。SCA4.0采用了新的接口继承方式——选择性继承，开发人员可以通过预编译和IDL指令定义特定的组件选择性继承需要实现的接口功能，这使得组件更小、更注重实现。

对于轻量级组件的实现，可参考SCA规范中各组件的继承关系，以ResourceComponent为例，如图3所示，通過IDL指令和预编译配置接口继承，只有在定义了标识符时，接口才被继承，例如只有在定义了TESTABLE时TestableObject接口才需要被实现，因此通过控制Resource接口的继承方式就能控制ResourceComponent的大小。

2.3功能单元

UOFs用以提供一个标准化的方法，允许从一个组件规范省略不必要的接口和需求。通过选择不同的组件和UOFs可以构建不同量级的SCA架构。SCA4.0推荐了三种量级的架构[5]：轻量级架构、中量级架构和全功能架构。轻量级架构适用于硬件模块静态配置的无线电台，提供的是一组最低功能的实现，往往应用在资源受限的平台环境。中量级架构适用于硬件模块支持即插即用，但不支持注销的无线电台，相对于轻量级架构，它引入了可动态配置的功能。全功能架构适用于支持硬件模块的即插即用和可注销的无线电台。图4展示了SCA不同架构的UOFs，针对实际情况可以选择不同量级架构。

三、软件架构

3.1核心框架

SCA4.0定制核心框架，去除了一些冗余接口，通过选择性继承实现轻量级组件。SCA4.0规范中将CF组件分为五类：基本构件组件，用于提供SCA软件产品的一些共同特征、约束和关联的抽象；基本应用组件为应用开发者提供应用结构定义；框架控制组件为组件在平台上执行部署提供结构定义；基本设备组件提供的结构定义将被用于实现和管理域内的物理设备，如对设备进行加载、执行和聚合操作；框架服务组件为平台开发者提供与逻辑设备不直接相关的通用软件功能。在此针对处理器能力有限，系统硬件模块固定，不存在分布式结构的小型化设备提出轻量级核心框架[6]的设计建议：移除文件服务由于小型化设备中其它专用处理器一般不向CF提供文件服务，可转由GPP操作系统来提供文件服务，不需要专门的文件服务管理。在不需要使用嵌套应用时可移除集合操作组件。尽量少的继承接口，使用轻量级组件。例如当不需要测试时，可不继承TestableObject接口。先制定要求，再定制组件。在设备资源已知，设备信息基本不变时使用静态部署提高系统运行效率。

3.2 中间件

SCA4.0支持不同的传输机制，SCA2.2中指定CORBA这种传输机制作为中间件，但是由于CORBA常采用TCP/IP作为 底层传输机制，引入的延时较大，对于一些产品并不适用。在此针对小型化设备的轻量级中间件设计建议：1）使用小型化的CORBA产品。CORBA/e是一种嵌入式CORBA规范，用于开发分布式嵌入式系统。CORBA/e定义的三种量级的架构：完全量级CORBA 架构、轻量级CORBA架构）、超轻量级CORBA 架构。其中，完全量级适用于一般的GPP；轻量级适用于资源受限的处理器（如DSPs）；超轻量级适用于资源高度受限的处理器（如应用程序同时分布在DSPs和FPGAs上）。2）使用其他传输机制，如数据分发服务（DDS），简单对象访问协议（SOAP）等。DDS信息分发中间件是一种轻便、能够提供实时信息传送的中间件技术，应用于分布式实时系统中，能可靠实时的交换分配群体数据。SOAP用于在分布式环境中发送消息，并执行远程过程调用。SOAP基于XML的轻量级协议，使不同操作系统平台和不同编写语言的应用程序可以进行相互通信。

3.3 应用程序环境架构

AEP是基于POSIX实时应用程序支持标准。SCA操作环境中的操作系统应是满足POSIX兼容的实时操作系统，并且提供AFP指定的功能和选项。在SCA4.0规范附录B中详细的说明了与AEP相关的标准。附录中定义的实时描述文件，只需在包括了这项标准的UOF使用即可。需要注意的是一旦引入约束，每个使用该功能的程序都必须遵守该项约束。SCA4.0包括了AEP和轻量级AEP（LwAEP）两种描述。在小型化设备中建议使用LwAEP，它既能满足资源受限的操作系统上的可移植性，还能保证系统的性能，减少集成和重用代码的开发，减少代码的修改量，提高代码的可移植性。

四、结束语

在软件无线电项目的实施过程中，SCA规范本身的语义不清、重复定义和不完整往往给软件无线电架构的实现带来了诸多挑战。然而JTRS最新提出的SCA4.0是一种自适应的软件无线电体系结构，为解决这些问题提出了很多优化机制，使框架具有更灵活、轻量级，更易实现新技术的特点，这让它在未来的软件无线电发展中将占有不可或缺的位置。本文分析了SCA4.0规范的各类优化机制，适用于多种平台，并提出将各类特征机制应用于轻量级软件架构，从而使得SCA的自適应性能够在资源受限的小型化设备中体现。

参 考 文 献

[1] 范建华， 王晓波， 李云洲. 基于软件通信体系结构的软件定义无线电系统[J]. 清华大学学报： 自然科学版， 2011， 51（8）： 1031-1037.

[2] JTRS JPEO. SCA Specification Version 4.0 （2012-02-28），Software Communications Architecture Specification [S].

[3] JTNC. Software Communications Architecture Specification 4.0 Users Guide [EB/OL]. （2010-11-30） [2014-12-11]. http：//jtnc.mil/Pages/ StandardsAndAssessments.aspx， 2012.

[4] 蔡卓， 张小琼. SCA 4.0 规范概述[J]. 通信技术， 2013， 7： 041.

[5] 刘文斌， 廖文瑜， 彭麟， 等. 电台软件架构发展及其向 SCA4. 0 演进的途径分析[J]. 通信技术， 2014， 4： 011.

[6] 唐麒. 小型化软件通信体系结构的研究与实现[D]. 国防科学技术大学， 2011.