一种高实时、低成本、实现波形跨硬件平台共用的新型软件无线电软件体系结构

柏春雷

摘要 本文针对美军软件通信体系结构（ SCA）技术进行了技术剖析，提出了一种高实时、低成本、实现波形跨硬件平台共用的新型软件定义无线电（ SDR）软件体系结构。

【关键词】高实时 低成本 波形跨硬件平台共用 软件定义无线电（SDR）软件体系结构

软件定义无线电从提出到现在已有30多年，随着软件无线电在军事与民用方面的发展应用，逐渐形成了两种典型的现有软件无线电软件体系结构，即民用的GNU Radio+通用软件无线电外设（ HackRF、BladeRF、USRP、RTL-SDR等）的软件无线电体系结构与军用的软件通信体系结构（SCA）。

民用的GNU Radio+通用軟件无线电外设（HackRF、BladeRF、USRP、RTL-SDR等）的软件无线电体系结构技术思路是通过软件无线电外设实现上下变频等射频前端最终输出基带10数据，交由GPP调用GNU RADIO进行后续的数字信号处理，其注重的是GPP数字信号处理这一技术点，是一个朝着终极软件无线电发展的实验室功能验证架构，并未考虑体系结构标准化、实时性、稳定性等工程化实施相关的问题。

美军的软件无线电通信体系结构（SCA）注重的是以Intemet设计思想、计算技术构建开放系统，以波形共用的方式解决士兵或系统之间的互联互通互操作问题，实现波形跨硬件平台的共用、软硬件平台分离。其依赖于中间件、DDS等技术，实现起来成本、效率、开销方面存在着严重问题，美国国防部委托波音公司对市场上主流中间件产品进行了性能测试，测试结果如图1所示。

从测试结果可以看出采用中间件技术带来的成本、效率、开销问题突出，美军SCA的标准在不断探寻一种高效、低成本的解决方案。

本文针对高实时、低成本、波形跨硬件平台共用、软硬件平台分离的实际需求，结合现有软件定义无线电体系结构，提出了一种高实时、低成本、实现波形跨硬件平台共用的新型软件无线电软件体系结构。

1 美军软件无线电体系结构简述

美军在作战与科技发展都是走在世界前沿的，美军SCA架构并不是一个完美的软件无线电工程化解决方案，然而美军SCA是现有唯一己得到实际装备验证的软件无线电体系结构。

1991年2月的海湾战争中，美军由于陆军动中通信能力不足，导致预先决策的军事能力未达到预期。因此，陆军决定启动一个开发项目，目的是在战场上建立一支赛博战部队，每个士兵作为网络的一个信息节点，士兵或系统之间可互联互通互操作。基于以波形共用的方式解决士兵或系统之间的互联互通互操作的军事需求与实现波形的跨硬件平台共用、软硬件平台分离技术需求，美国国防部于1997年9月启动了JTRS项目（最先称为JTR“联合战术电台”，后来加了一个系统的“S”，即JTRS）。

1999-2015年期间，美军先后发布了SCA1.0版、SCA l.1版、SCA 2.0版、SCA 2.1版、SCA 2.2版、SCA 2.2.2版、SCA 4.0版、SCA 4.1版。典型的版本为SCA 2.2.2、SCA 4.0、SCA 4.1三个版本。

1.1 SCA 2.2.2

2006年发布的SCA 2.2.2规范作为第一个稳定版本，开始注重实时性与效率，明确定义MHAL的概念用以提高波形的可移植性、实时性、器件间的通信规范性，目前美军现役装备大都采用该版本进行设计。

1.2 SCA 4.0

2012年2月发布的SCA 4.0规范开始注重小型化电台（电池供电）应用，引入传输机制这一定义泛指以往的CORBA中间件，定义了独立的中间件应用程序接口，提供更多的轻量化、灵活性，该规范适用于从小的单通道无线设备到高功率的多信道设备。通过裁减，更好地适应了每个电台及其任务的具体功能，显著降低了内存和处理功耗，并且使得电台能够更快地启动和重新配置。

1.3 SCA 4.1

2015年8月正式发布的SCA 4.1规范，基于SCA 4.0的基础上，增加对SCA 2.2.2的兼容性，不再强制要求使用CORBA中间件，可以使用其他组件间通信机制，明确了平台API规范。强调了实时性，强制要求使用POSIX实时操作系统。重新定义了可裁剪的管理组件和应用组件，扩展了“推”注册模型，明确了对SCA 2.2.2波形组件的控制能力。

2018年3月1日，美国国防部联合企业标准委员会宣布将SCA4.1列为美国国防部信息技术标准注册处的强制性战术无线电标准，并停用SCA2.2.2

2 一种新J软件无线电软件体系结构

软件无线电软件软件体系结构如图4所示，包括波形应用软件、软件平台、硬件平台三部分组成。软件无线电软件软件体系结构采用商用现货（COTS） POSIX标准的实时操作系统屏蔽操作系统的差异性、降低实施成本、保证系统实时性;采用组件间通信机制屏蔽组件间通信协议的差异性、保证波形应用软件的可移植性;采用平台服务与平台设备屏蔽硬件外设的差异性与波形管理等平台服务接口的差异性;实现波形与硬件平台分离、波形、硬件平台的独立演进，进而实现传统无线电设备由提供单一功能定义的模式向软件定义模式的转变。

2.1 波形应用软件

波形应用软件是波形具体功能的软件实现，可部署于FPGA、DSP、GPP等器件。波形应用软件参照IEEE 802、OSI、TCP/IP参考模型进行波形组件划分，将波形组件划分为六层，包括物理层组件、介质访问控制层组件、逻辑链路控制子层组件、数据链路层组件、网络层组件、应用层组件。

2.2 软件平台

软件平台包括POSIX实时操作系统、平台服务、平台设备、组件间通信机制四部分组成;其中POSIX实时操作系统、平台服务、平台设备部署于GPP、DSP，组件间通信机制部署于GPP、DSP、FPGA，本架构规定了软件平台接口及部分功能实现。

2.2.1 POSIX实时操作系统

POSIX实时操作系统部署于GPP、DSP处理器上，依据不同应用场景及处理资源划分了标准级、轻量级、超轻量级三个PO SIX.1子集的接口要求，详细内容如表2所示。

2.2.2 组件间通信机制

组件间通信机制包括同节点内的组件间通信机制与不同节点间的组件间通信机制，其中同节点内的组件间通信机制采用POSIX实时操作系统所提供的进程间通信接口（如共享内存、消息队列、管道、信号量、Socket等），不同节点间间的组件间通信采用MHAL模型。如图7所示。

2.2.3 平台服务

平台服务部署于GPP、DSP处理器上，是指执行指定系统功能的进程，以便支持其他程序，尤其是底层（接近硬件）程序。

2.2.4 平台设备

平台设备部署于GPP、DSP处理器上，是硬件资源的逻辑抽像与封装，平台设备以操作系统驱动形式存在。平台设备划分为块设备、字符设备和网络设备;并提供POSIX实时操作系统中所规定的设备驱动程序接口。

2.3 硬件平台

硬件平台是软件平台与波形应用软件的硬件承载，由GPP、FPGA、DSP、IO外设等组成。

3 架构实现

本架构验证环境基于Xilinx Zynq 7020SoC与AD9361组成的USRP E310硬件平台、基于VxWorks 6.9的软件平台，验证环境框图如图8所示，主要指标如下：

3.1 射频

（1）2 RX，2 TX;

（2） 70 MHz到6GHz频率范围;

（3）带宽连续到56 MHZ。

3.2 基带处理

（1）双核ARM Cortex A9 866 MHz;

（2）集成A7系列FPGA;

（3）1 GB DDR3 RAM forARM;

（4） 512 MB DDR3 RAM for FPGA;

（5）運行VxWorks 6.9操作系统。

基于本验证平台进行了系统静态资源、系统动态资源、进程间通信传输性能、异构节点间通信性能的测试，试验方法与实验结果如下：

（1）系统动态、静态资源占用。

实验方法：查看GPP编译后的目标文件及在VxWorks控制台输入memShow命令查看运行后系统内存占用情况，FPGA查看系统编译后的目标文件与综合报告。

实验结果：如表3所示。

（2）同节点内的组件间传输性能。

实验方法：在VxWorks 6.9系统中启动2个优先级为101的task，2个task分别采用共享内存（采用二值信号量进行同步）、Socket进行通信，利用系统时间戳进行计时，测量1000次得到最短传输时间与最长传输时间;

若系统时间戳每秒计数值为Ns，taskl的开始计数值为Nl，task2的开始计数值为N2，则同节点内的一次传输时间Tl为：

T1=（N2-Nl）/Ns

实验结果：如图9。

4 结束语

本文针对美军软件通信体系结构（SCA）、民用软件定义无线电体系结构技术进行了客观的剖析，提出了一种高实时、低成本、实现波形跨硬件平台共用的新型软件定义无线电（SDR）软件体系结构，并搭建了验证环境进行了相关测试;通过实验数据验证了架构的可行性;软件定义无线电是通信史上的一个革命性技术，相信随着硬件摩尔定律的不断发展软件定义无线电技术定将蓬勃发展。

参考文献

[1]于全，战术通信理论与技术，第1版，电子工业出版社，2009， 03.ISBN9787121083020.

[2] IEEE Standard for InformationTechnology-Portable OperatingSys tem Interface （POSIX～）BaseSpecifications，

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[3] IEEE Standard for InformationTechnology-S tandardized

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[4] IEEE Standard for InformationTechnology， IEEE 802. 11 WORKINGGROUP （2003） Draft Supplement toSTANDARD FOR Telecommunications andInformation Exchange Between Systems-LAN/MAN Specific Requirements-Part 11： Wireless Medium AccessControl（MAC）and Physical Layer （PHY）specifications： Specification forRadio Resource Measurement， IEEE802. llk/DO. 7. New York USA.

[5]Joint Program Executive Office （JPEO）Joint Tactical Radio System （JTRS），SOFTWARE COMMUNICATIONS ARCHITECTURESPECIFICATIONVersion 2. 2. 2; 15 May2006.

[6]Joint Tactical Networking Center （JTNC）， SOFTWARE COMMUNICATIONS ARCHITECTURESPECIFICATIONVersion： 4. 1; 20August 2015.

[7] Joint Tactical NetworkingCenter （JTNC） Standard， Modem HardwareAbstraction LayerApplication ProgramInterfaceVersion： 3. 0： 02 0ct 2013.