软件定义战术电台的设计技术研究

高新华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



软件定义战术电台的设计技术研究

高新华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：软件定义战术电台的设计利用了认知无线电和认知网络等新技术，应对受到的干扰和恶意攻击。从战术电台功能需求出发，分析战术电台功能重构的理论要求。基于这些要求设计实现框架、平台结构、软件模块实现方法以及软件定义节点功能实现方法。最后通过模块映射，将模块动态部署到软件定义无线电平台中，完成功能的绑定，实现战术电台的节点功能定义，以满足战场对抗环境下使用要求，实现抗干扰和反攻击能力的全面提升。

关键词：认知无线电；认知网络；战术电台；抗攻击

0引言

对于战术电台而言，随着战场环境中设备量的增加和攻击技术的发展，面临的频带拥挤、恶意干扰和网络攻击的问题越来越严重。随着网络攻击技术的发展，尤其是针对通信协议的攻击能力提升，致使在战场环境下战术电台不仅通信效能不断下降，而且还会受到虚假路由和虚假信息的侵扰，严重影响了作战过程中战场信息传输的及时性和正确性。因此，迫切需要利用新技术，解决战术电台在战场环境下通信质量下降和虚假信息侵扰等问题，提升战术电台在对抗环境下的通信保障能力。

目前，随着软件定义无线电(Software-Defined Network，SDR)、认知无线电(Cognitive Radio，CR)[1-2]和认知网络(Cognitive Network，CN)、软件定义网络(Software-Defined Network，SDR)[3]等技术逐步发展[4]，可以在一个处理平台上实现多种功能[5]，给战术电台面临的问题解决带来了理想方案[6]。软件定义无线电技术是采用硬件功能软件化的方法，实现硬件功能的软件定义；认知无线电技术从频谱认知、频谱动态分配和认知决策等方面提出了提高频谱利用率的解决方法。美国军方提出了移动目标防御技术[7]，能够自动改变一个或多个系统属性，从而使系统攻击表面对攻击者而言是不可预测的。美国电气和电子工程师协会(IEEE)和国际电信联盟(ITU)等研究机构对认知无线电技术的实现进行了一些标准化研究工作[8]，为认知无线电设备设计、实现提供了一定的指导，为实现软件定义战术电台提供了理论基础。因此，综合利用以上技术，采用环境认知、软件定义和设备实体虚拟化的方法，提升复杂电磁环境下无线战术电台的通信保障能力，解决无线战术电台面临的干扰和虚假信息侵扰问题。

根据战术电台在战场环境中的使用要求，从软件定义无线电、认知无线电及认知网络技术原理出发，提出了一种新型战术电台的设计方法，在满足基本需求的同时，在战术电台上增加战术网络节点处理功能，并提供战术电台的节点功能可定义能力。以便动态改变战术电台的设备功能，满足对抗条件下的战术通信应用需要。

1战术电台的认知功能分析

在战场环境中，战术电台的主要任务是进行战术通信。随着技术的发展，它逐渐成为了一个综合战术无线通信节点，不仅完成无线通信传输功能，还完成节点自组网，并且也要执行对战场网络攻击的防御任务。为了对抗在使用过程中遭受到的网络攻击，战术电台在使用过程中必须具有动态调整能力，也就是需要根据环境的情况，对战术电台的运行参数进行动态改变，甚至对它的通信协议和功能进行重定义，采用设备虚拟化的方法，分别构建诱骗节点和通信节点实体，从而避开对它的攻击。因此，战术电台必须具有环境认知、智能决策和协议栈重构的功能。这样，需要在通信及组网功能基础上，增加环境感知、智能决策、功能定义和协议栈可加载能力。可通过感知、决策和执行等3个环节，实现其环境的自适应，应对在使用过程中受到的无线频谱拥挤、电磁干扰和网络攻击。

从使用过程来看，它需要感知周围环境的电磁环境参数和网络中其他实体的运行参数，对环境、信道条件、网络协议、网络存在实体、用户需求以及设备本身的内部情况进行推理和动态决策，根据决策结果实时调整本身的资源配置、运行参数和运行状态，以便高速、可靠地完成信息的传输。从环境认知、决策定义功能和网络通信执行的3个方面来看，认知、决策定义和执行等3个功能各自闭环，它们的关系如图1所示。

图1　战术电台系统功能

图1中，认知环完成外部信息的感知，包括频谱空穴、链路类型认知、网络类型识别及应用服务识别等网络环境的认知功能；决策定义环完成物理参数配置、链路参数适配、网络协议适配和服务类型适配等自身能力确定功能；执行环根据当前的网络运行要求、完成对系统资源调度、链路建立、节点组网和应用会话建立等网络节点的功能，执行信息传递的具体业务功能。整个系统可以根据组网需要和外部攻击信号特征，动态改变自身的运行状态，保证组网通信传输能力。

2软件定义战术电台功能设计

从战术电台的需求分析中可以看出，通过软件定义的方法可以满足战术电台的功能需求。因此，可以设计一个软件定义无线节点，提升战术电台在对抗环境中的生存能力。它的协议栈和控制系统必须能够满足多种协议的重构要求，通过环境感知、决策与资源监控，完成战术电台的运行实体状态修改。软件定义战术电台中这些功能通过构建环境感知、决策与监控和网络协议栈3个独立的功能体实现，每个功能体由一系列模块构成，底层模块提供基础功能，并通过标准接口为上层服务。

系统构成的层次关系如图2所示。图中，环境感知功能实现用户应用类型分析、系统服务能力感知、网络协议感知、链路协议和物理参数认知等能力；决策与监控是整个系统的运行控制核心，实现驱动环境感知、执行运行决策和状态监视，包括业务服务状态监控、网络协议软件监控、链路协议运行监控与物理资源监控与配置等，保证整个系统有序运行。网络协议栈实现通信业务执行功能，可以根据网络的不同需要，实现不同类型的通信协议，包括数据传输业务协议、数据分发业务协议、语音业务协议和无线自织网协议等网络节点的通信协议运行实体。通过软件的动态设置实现协议类型可配置和运行参数可配置，满足定义网络节点功能的运行要求。

在整个系统中，环境感知通过认知资源与环境认知处理软件模块实现环境认知，并且和决策与监控以及网络协议栈一起，通过软件重组构成认知无线电处理环境；网络协议栈的业务应用组件、网络服务组件以及物理层可定义模块与决策与监控一起，构成软件定义网络处理环境。其中，业务应用组件实现软件定义网络节点的应用层，也可以通过外部应用系统提供应用数据；网络协议栈的各层之间通过标准接口连接，统一由决策与监控控制提供网络服务，在独立定义运行时，它作为软件定义网络的控制层，在协同定义运行时，使用外部SDN控制软件控制网络服务；协议可定义模块与硬件资源构成战术电台节点的基础网络硬件设施。外部应用系统根据业务需要，可以使用业务应用接口、网络服务接口和基础网络硬件设施接口，实现数据的传输功能。

图2　软件定义战术电台功能层次关系图

3软件定义战术电台的系统设计

根据对战术电台的功能设计要求，软件定义战术电台系统可以按照其环境感知、决策与监控和网络通信协议处理功能要求，将整个系统分成感知子系统、监控子系统和网络子系统等3个子系统。其中，感知子系统完成环境认知、链路协议和网络实体业务功能的确定；监控子系统实现资源监控和运行状态监控；网络子系统其实就是一个网络能力构成模块库，由可重构前端模块、链路协议软件模块、网络协议模块和应用业务处理模块等不同层次的处理模块构成。系统由监控子系统控制实现一个无线网络节点实体，并监视其运行状况。系统构成如图3所示。

图3　系统设计图

从系统的实现方法角度来看，感知子系统中的频谱感知可以采用能量检测和循环谱的平稳特征检测来实现；链路、网络和业务的识别和认知通过网络对等实体协商的方式来实现；监控子系统除根据感知结果决策定义网络运行模块配置外，同时还要监视资源利用情况和协议实体模块的运行情况，以便动态实现网络节点的重构；网络子系统实现各层的数据传输业务功能。由监控子系统协调和控制系统的运行，动态构建一个网络节点实体。

4战术电台认知的交互过程设计

在实现过程中，为了与满足电台通信其他电台的互通要求，软件定义战术电台的通信协议，包括数据格式和网络运行交互过程，必需遵照以前各种网络物理层、链路层、网络层和应用层协议标准。与其他电台不同的是建网和入网过程，需要补充认知内容，需要定义交互过程协议。数据包括网络状态发布数据，入网申请及重配置申请等；交互过程包括建网过程和入网过程协议。建网过程是通过2台或2台以上电台共同协商网络参数，构建一个网络；入网过程是通过申请加入已经运行的网络中。典型的交互过程设计如图4所示。在链路建立时，首先根据不同的信道占用类型，如专用、共享(CSMA)和分时复用(TDMA)等，按照要求分配物理通道或跳频频段、跳频频点，建立电台的运行环境；然后根据网络路由协议要求，建立路由表等网络运行维护环境。另外，还可以在网络运行时各个节点根据需要进行协商，共同决定网络的运行状态。

图4　认知交互过程设计

5硬件平台选择和模块映射

软件定义电台的硬件平台可以选用软件定义无线电平台。使用各种可编程器件搭建硬件平台，如FPGA、DSP和通用CPU等，通过加载不同软件模块实现硬件的功能定义。目前，随着FPGA、DSP和CPU的容量与处理能力的不断提高，可以选择资源丰富、运行速度快的器件，承载多种可配置应用实体的运行，以满足多种功能软件模块同时加载的需求。硬件平台主要包括射频前端收发模块、FPGA、DSP和中央处理器CPU等，根据电台能力需要，选择合适的射频、FPGA容量、DSP能力和CPU等各器件，可以利用2个硬件通路，分别完成认知检测和网络通信，整个系统由监控子系统通过控制通道对其资源进行监视和调度。各个软件定义模块分别加载到相应的硬件中，执行相应的功能，系统的组成和模块映射关系如图5所示。在软件定义战术电台中，除天线和射频前端及AD/DA器件的功能由硬件的能力决定外，其他部分的功能都可由软件定义来完成，可重构射频前端通过微电子机械系统(MEMS)技术实现，它可以在一定范围内控制和调整硬件的指标。认知通道中，通过宽带接收实现宽带信号的接收和检测，FPGA和DSP分别加载通信参数识别和链路检测处理模块，完成物理参数和链路通信的认知；通信通道中，FPGA和DSP可以分别加载物理层协议处理和链路层协议处理模块，实现链路建立功能；中央处理器承载检测、资源调度模块、网络层及应用层软件定义模块的运行，实现节点的功能定义。

图5　硬件平台选择和模块运行映射

在使用过程中，软件定义战术电台可以运行在独立组网模式和网络协同运行模式。如果运行在独立组网模式下，可以通过内部软件定义控制整个电台的运行状态；在网络协同运行模式中，通过外部控制系统控制战术电台的运行状态，实现节点功能的定义。可以根据任务要求、和环境认知结果，通过软件在一个平台上重构多个电台运行实体，实现多种实体功能的软件定义战术电台，包括认知实体、诱饵实体和通信实体等，可以利用虚拟化的方法实现一体多机，实现认知、防护和通信等功能的多位一体，既可以保证通信的正常进行，还可以消耗敌方的对抗资源。

6结束语

通过对软件定义战术电台的功能需求研究，在综合软件无线电、认知无线电和认知网络等技术基础上，提出了一种软件定义战术电台设计方法，它通过软件模块加载和节点功能的动态定义，实现战术电台的功能定义和重构。

在应用过程中，可以通过虚拟化实体的方法，实现一体多机，在一个平台上实现环境认知、通信和防御的虚拟化实体，在动态适应环境和灵活完成通信任务的同时，还可以利用资源优势和重构能力，通过各种不同的方式消耗敌方网络攻击资源，提高对抗环境下自身防护能力，达到获取信息优势的目的。

参考文献

[1]张建军,姜艳,马玲玲.认知无线电对通信对抗装备建设的启示[J].无线电通信技术,2009,35(4) ：47-49.

[2]宋志群.认知无线电技术及应用[J].无线电通信技术,2012,38(5)：1-5.

[3]张朝昆,崔勇,唐翯翯,等.软件定义网络(SDN)研究进展[J].软件学报,2015,26(1):62-81.

[4]胡圣波,吴永祥.一种异构可重构的认知无线电平台及设计方法[J].贵州师范大学学报：自然科学版,2008(1):73-76.

[5]王俊,陈志辉,田永春,等.软件定义网络技术在战术通信网中的应用研究[J].通信技术,2014,40(12):1392-1399.

[6]张剑锋.基于认知无线电的电台架构研究[J].软件,2011(5):56-58,64.

[7]刘海英，贾媚.移动目标防御技术研究[J].无线电通信技术，2015，41(3):24-27，96.

[8]徐宏飞,杨健.IEEE 802.22——第一个基于认知无线电的国际标准[J].中国无线电,2015,(1):45-48.

Design of Tactical Software-defined Radio

GAO Xin-hua

( The 54 Research Institute of CETC， Shijiazhuang Hebei 050081， China)

Abstract：Cognitive Radio (CR) and Cognitive Network (CN) technology can be used to in tactical radio against interference,jamming andmalicious attacks.Firstly,the theoretical requirements for tactical radio function reconfiguration are analyzed based on design requirements and technical theory,then implementation framework,platform structure,and implementationmethods of software modules and software-defined node function are designed.Finally，themodules can be deployed dynamically in the SDR platform by module mapping to software to realize the function binding.The SDR communication station can be adaptive to the contested battlefield and obtain the improved anti-jamming and anti-attack capabilities.

Key words：Cognitive Radio;Cognitive Network;Communication Station;Anti-attack

中图分类号：TN924

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-85-4

作者简介：高新华(1971—)，男，高级工程师，主要研究方向：通信网络、网络安全。

收稿日期：2016-01-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.23

引用格式：高新华.软件定义战术电台的设计技术研究[J].无线电通信技术,2016,42(3):85-88,93.