基于通用处理器的软件无线电平台在NAVTEX系统中的应用研究

张达科 刘锋 龙文 安琳



基于通用处理器的软件无线电平台在NAVTEX系统中的应用研究

张达科1刘锋1龙文2安琳1

（1.南海航海保障中心 2.广州海格通信集团股份有限公司）

针对我国海岸电台现有NAVTEX系统存在的问题，研究了基于通用处理器的NAVTEX体系架构、软件调制关键技术和系统业务流程，并在此基础上完成典型系统开发和测试。测试结果表明：该系统满足NAVTEX业务的要求，为今后进一步实现海岸电台业务整合以及联网打下基础。

奈伏泰斯；通用处理器；软件无线电；全球海上遇险与安全系统；海岸电台

0　引言

奈伏泰斯（Navigational Telex，NAVTEX）是以窄带直接印字电报发送和自动接收海上安全信息的系统，是全球海上遇险与安全系统（global maritime distress and safety system，GMDSS）的重要组成部分，是海岸电台的主要业务之一[1]。目前，我国大连、天津、上海、广州和三亚等海岸电台已开通该业务。海上安全信息是船舶安全航行必不可少的重要航行资料，包括航行警告、气象报告、气象预报和有关航行安全的其他紧急安全信息，覆盖范围包括我国沿海的海上气象、大势（气压分布）、风暴警告、台风警告等海上气象信息及航行通告、警告及其他水上行动等安全信息等，多年来为覆盖区内海上船舶预防海难事故的发生和引导船舶的安全航行起到了极为重要的作用[2]。

1　NAVTEX系统现状

由于GMDSS相关标准提出的时间较早，现有NAVTEX系统的设计与建设普遍采用模拟无线电通信体制[3]，其典型系统架构如图1所示。在交换方式上，系统采用以独占物理信道为特征的电路交换方式，设备间通过二线/四线音频方式连接，不同站点间通过E1专线方式实现音频信号的远传。在设备形态上，射频前端、交换设备、基带处理和远程控制等设备主要靠硬件方式实现，各项功能固化于硬件平台中，难以通过简单的升级实现设备功能的更新。

图1　现有NAVTEX系统架构

由于电路交换在链路共享、数据传输和多功能通信等方面的先天缺陷，使得现有系统结构相对封闭，无法实现异构网络之间的互联互通。同时，固化的硬件平台无法满足在同一平台上实现不同无线电系统要求的不同的调制、编码、纠错方式和通信协议等需求。因此，现有系统结构无法灵活调整和扩展业务，无法做到设备和网络资源共用，更无法满足GMDSS现代化的发展要求。

2　基于软件无线电平台的体系架构

2.1　软件无线电

软件无线电是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件实现无线电台的各部分功能；各部分功能都可通过软件下载和更新来升级，无需完全更换硬件。受限于现有元器件水平，目前软件无线电通常是指软件定义无线电（software defined radio，SDR），即系统中大部分功能由软件实现，如调制解调、编解码和通信安全功能等。

目前业界主流的SDR有基于可编程硬件和基于通用处理器2种实现方式[4-5]。其中，基于可编程硬件的软件无线电平台采用FPGA+DSP方式[6]，优点是可重配置、实时运行速度高、数据处理能力强；但依赖于具体厂商硬件，可移植性较差；需在特定硬件架构上编程，开发门槛较高，调试开发难度较大；硬件平台价格昂贵，难以批量部署；通常应用于传输速率高、数据流量大、运算量较大的场合。基于通用处理器的软件无线电平台采用商用服务器或普通PC[7]，可采用通用高级语言（如C/C++）进行软件开发，扩展性和可移植性强、开发周期短、成本较低；缺点是软硬件都不是专门为信号处理而设计的，现有平台只能实现有限的性能；通常应用于速率较低、运算量不大、实时性要求不高的场合。从NAVTEX业务计算量、接口速率、实时性和未来兼容其他海岸电台业务等方面考虑，采用基于通用处理器的软件无线电平台是合理、高效的选择。

2.2　系统架构

基于通用处理器的NAVTEX系统由网络化发信机、信息播发软件、信息处理软件、控制管理软件和数据存储软件组成。网络化发信机通过IP网口对外提供业务和管理接口，中控台所有软件和数据库均部署于基于x86平台的通用服务器上，整体系统架构如图2所示。

图2　基于通用处理器平台的NAVTEX播发系统架构

1）信息播发软件提供各业务功能的操作界面，是中控系统的核心业务操作平台。主要实现 NAVTEX 广播业务，包括报文编辑、报文编码、报文播发、数据管理、报文统计和报文打印等。

2）信息处理软件对从信息播发软件收到的数据按照NAVTEX标准定义进行编码调制，将其调制为短波基带信号，发送至发信机；为兼容其他海岸电台业务，信息处理软件可将上层其他业务软件提供的控制指令与业务数据进一步封装，将其适配为实时SSB话音、DSC报文、NBDP报文等标准数据承载类型的传输服务，并向应用层提供调用接口。

3）控制管理软件提供收发射机设备控制、系统状态监控和系统自检等功能。实现收发信设备的远程控制、发射机的选择、接收机的控制等；可查看设备当前的工作状态，并根据实际需求对设备资源进行灵活合理地调配；实现对系统设备的参数查询、配置、故障检测与报警的管理等。

4）数据存储软件存储全网的业务数据和管理数据。采用对称双活机制，一旦存储设备出现故障，无需人工干预，另一台存储设备自动接管，为海岸电台业务数据管理提供可靠的数据存储平台。

2.3　软件调制技术

软件调制技术通过软件方式生成指定调制方式的波形样值，实现数字序列和模拟信号之间的映射，将传统复杂的模拟信号处理转换为单一的“比特流”序列处理。以NAVTEX业务为例，业务员在值班席位输入广播报文后，信息播发软件区分中文、字母和数字分别进行编码输出，然后按照通信协议分别加入报头和报尾信息发送给信息处理软件；信息处理软件按照NAVTEX标准规范进行4B/3Y报文编码，生成指定的格式序列进行FSK调制，并计算生成FSK波形样值数据；FSK波形样值数据以IP方式传送至网络化发信机，经D/A转化后，上变频至指定频率发送，原理流程如图3所示。

图3　软件调制技术原理流程

3　测试结果

3.1　指标比对

基于前述研究，为评估系统的主要性能指标，搭建基于通用处理器的NAVTEX播发原型系统。其中，网络化发信机采用海格通信5 kW发信机，NAVTEX接收机采用海华电子三频NAVTEX接收机，收发信机均符合国际和国家相关标准。网络化发信机在通用处理器平台控制下，按照指定格式发送报文，由NAVTEX接收机进行接收比对。系统技术指标比对如表1所示。通用处理器选型及参数如表2所示。

表1　系统技术指标比对

续表

表2　通用处理器选型及参数

3.2　性能评估

为评估通用处理器平台的工作性能，重点对吞吐率、资源使用率、报文发送时延和接收误码率等指标进行测试，实验结果如表3所示。其中：从吞吐率对发送端信息处理软件的编码调制性能进行评估，并行建立多个连接发送经文本编码后的数据，并统计出该模块的执行时间，以计算其编码吞吐率；在资源使用率方面，统计了单路/双路/多路NAVTEX业务的通用处理器占用率；时延为信息播发软件完成任务下发至NAVTEX接收机开始接收报文的平均延时；报文误码率为NAVTEX接收机接收报文的平均误码率。

表3　系统测试指标及结果

4　结语

随着GMDSS现代化和海事综合航海保障的发展，目前海事航海各种网络呈现出多制式兼容并存的趋势，未来海岸电台业务也将会朝多网、多制式的异构网络融合方向发展。因此，基于高性能通用处理器的软件无线电平台为海岸电台业务平台和网络的搭建提供了切实可行、灵活的解决方案，能够有效发挥通用平台的高灵活性特点，其快速的开发模式、较低的购置成本和灵活方便的重配置模式，使其在GMDSS新技术的研发和应用上具有较大的用武之地。下一步工作将在兼容海岸电台现有DSC、NBDP、气象传真和话音业务的基础上，适应未来技术发展趋势，进一步研究通用处理器架构的基带算法优化方法、基于通用处理器的计算资源自适应调度，不断提高平台的实时性、稳定性和有效性，持续满足海岸电台业务发展的需要。

[1] ITU-Radio communications sector. ITU-R M.540.2 1990. Operational and technical characteristics for an automated direct-printing telegraph system for promulgation of navigational and meteorological warnings and urgent information to ships[S]. Geneva：ITU,1990.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 18766-2009奈伏泰斯系统技术要求[S].北京:中国标准出版社,2009.

[3] 高旭.水上通信业务中软件调制解调技术的研究[D].大连:大连海事大学,2014.

[4] Tan Kun, Liu He, Zhang Jiansong, et al. SORA: high-performance software radio using general-purpose multi-core processors[J]. Communications of the ACM, 2011,54(1): 99-107.

[5] Lin Yuan, Lee Hyunseok, Woh Mark, et al. SODA: a high-performance DSP architecture for software-defined radio[J]. IEEE Micro, 2007,27(1): 114-123.

[6] Hwang Seon-Hwan, Liu Xiaohu, Kim Jang-Mok, et al. Distributed digital control of modular-based solid-state transformer using DSP+ FPGA[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013,60(2): 670-680.

[7] 侯延昭.基于高性能通用处理器的软基站及其资源调度研究[D].北京:北京邮电大学,2014.

Application Research of Software Radio Platform Based on General Purpose Processor in NAVTEX System

Zhang Dake1Liu Feng1Long Wen2An Lin1

(1.The Navigation Guarantee Center of South China Sea(NGCS) MOT 2.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company)

This paper mainly studies the NAVTEX architecture, software modulation key technology and system business process based on general purpose processor，aimed at the existing problem of coast radio station NAVTEX service. On this basis, the typical system development and testing are completed. The test results show that the system meets the requirements of the existing NAVTEX business system. It will lay the foundation for further integration and interconnection between coastal radio stations.

NAVTEX; General Purpose Processor; Software Radio; GMDSS; Coast Radio Station

张达科，男，1973年生，博士，副研究员，主要研究方向：信息化和水上安全通信等。E-mail: 10317512@qq.com