新一代卫星通信系统的SDR演进与实现研究

宋腾辉 王利军 张永飞 刘昊 王峰

【摘要】通信技术已进入5G时代，高通量通信网络即将普及，伴随着网络容量的大规模提升，通信设备的种类将急剧增多，网络中通信体制、调制方式、调制带宽等通信技术的组合更加灵活，专一或者专用通信体系即将打破。传统专用通信设备供应商将面临巨大的挑战，逐渐出现设备体制难以兼容、淘汰速度加快、设备硬件架构类型太多、维护成本太高等问题。因此，采用便于维护的通用平台是一种相当经济的解决方案，而软件定义无线电平台，具有良好的通用性、扩展性和灵活性，能够兼容卫星广播、无线通信、电子对抗、微波探测等不同应用类型。本文以卫星通信平台的为典型应用案例，提出一种可直接部署卫星通信的SDR平台的实现方法。

【关键词】软件定义无线电;SDR;架构设计;通用平台

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03..001

在多体制通信时代，专用通信设备面临体制兼容、升级复杂、维护困难等问题，更重要的是成本高、淘汰快。而软件定义无线电（SDR，Software Defined Radio）提供了一种新的设计思路和设计理念，即采用超前定义的一种通用架构的硬件，以软件升级实现功能扩展，这是一种有效而且相当经济的解决方案。SDR技术可以使整个系统（含用户终端及网络）采用动态的软件编程技术对设备特性进行重配置，换句话说，相同的标准硬件可以通过软件重新定义来支持不同的应用功能。本文引出一部分SDR SCA（Software Communication Architecture）规范的设计分析，以通用SDR硬件平台为主要讨论点，基于多种专用卫星通信平台开展论证，旨在设计一种支持多模式、多频段、多功能的通用信息处理平台。本文提及的通用SDR硬件平台特别适用于VPX和LRM机箱架构。

1. 架构对比与演进思路

卫星通信中的信道设备，主要实现空间站或者地面站对无线信道中卫星信号的信息处理，涉及天线、功放、信号采集、信号处理、应用处理和应用管理等硬件设备。卫星通信设备与常见的SDR设备架构存在差异性，本文提出一种三层架构的划分方法，更加简明的给出不同种类卫星通信设备向通用SDR平台的演进思路。

SDR的理念是一款通用平台能够实现各类通信体制的功能。SDR涉及多方面内容：天线、中频、基带的可编程实现;射频直采、数字滤波、数字信道化等;多MODCOD调制编码方式等;颗粒度划分，软件组件封装、硬件颗粒封装;波形管理，波形重构、重构时间等。换一个新视角来看，SDR是在讨论一种三层架构的通用系统设计，如图1-（a）所示，其底层为信道处理单元，负责信号的接入和处理;中间层为控制单元，完成组件的封装、组件控制等;最上层为应用层，即用户接入的应用处理单元，完成整个系统管理和应用波形部署。对应于这三层划分，SDR的异构处理器分为三类：信道层采用专用处理器，例如FPGA、DSP;控制层采用实时处理器，例如PPC（PowerPC）;用户层采用通用处理器GPP（General Purpose Processer），例如x86 CPU。各自功能如图1（a）中所示。

卫星通信的硬件平台架构，如图1-（b）所示，根据通信功能也可以抽象为三层：应用层使用PPC/ARM处理器来实现，运行Linux系统，实现IP加速，;主控层采用PPC和实时操作系统Vxworks来实现，负责多媒体业务的访问控制;信道层，与SDR底层基本一致，完成信号接入和信号处理。

通过三层架构划分，可以看出卫通设备和SDR平台具有架构的相似性，理論上可以将SDR的软件设计直接移植到卫通设备上。但是，多类专用的卫星通信设备所涉及的处理器、软件版本多，直接部署SDR到各类卫星通信设备面临针对不同类型平台的重复性软件架构开发，与SDR的设计理念相去甚远;而且，各类卫通软件都是因型而异，自定义软件架构、接口标准等，将现有的软件程序融入SDR SCA架构是一个繁琐的工作过程。值得关注的是，SCA提供了一种通用封装方法，即使用MHAL（Modem Hardware Abstract Layer）对硬件或总线接口统一封装，实现标准化处理;此时，上层应用开发人员只关心标准接口的调用和处理，不再关心平台硬件的差异性，而且硬件设计、SCA架构设计、应用程序设计可同时开展。针对上述卫星通信设备向SDR卫星通信设备演进的各类问题，下文将讨论卫星SDR通信设备的约束原则和实现方法。

2. 设计原则与实现方法研究

由于存在携行、机载、车载设备等站型，卫星通信设备种类较多，每种型号需要不同的专业维护人员;随着设备种类的增加，出现人员缺、成本高等问题。首先，要解决平台种类多的问题，提出一种共用的三层硬件平台，以适应多数应用场景。

SDR的设计原则是多层架构涉及的异构处理器（GPP/PPC/ARM/FPGA）款型尽可能保持固定和统一规划，统一操作系统版本、总线/接口类型，必要情况下统一接插件选型。由于处理器、操作系统和应用程序之间的耦合性较高，操作系统小版本号变更也可能会引入应用移植的兼容性问题，而且实时操作系统版本证书价格昂贵、每个版本需要单独购买，所以，根据上述设计原则，提出一种通用SDR平台，以部署卫通波形为案例，进行系统设计分析。图2给出了卫星通信的通用SDR体系架构实现方案图。

根据图2总结的现有卫星通信架构向SDR架构演进所面临的技术路线，给出了一种卫通SDR平台的实现方法，如图3，给出了核心器件种类、OS版本及各类必须的总线接口。

卫通SDR平台的可编程性、功耗、性价比等优点突出。该平台的核心处理器选型，以高性能和自主可控为首要依据，支持多波形重构、可编程能力;三层架构每一层都具有CPU，使得该平台可以灵活支持SCA框架中的组件管理。平台支持高性能的总线拓扑实现，以太网、高速SRIO可以支持交换架构，可以实现三层架构间的高速数据交换。

卫通SDR平台内外的互联总线选型比较考究，应尽量减少总线类型，还要兼顾传统设备的兼容性。提炼多类型设备的共性接口类型后，通用平台选择了RS232、RS485、工业以太网、SRIO总线为主要接口总线。虽然，现阶段SRIO链路标准协议不足够完善，不具备以太网自动协商和热插拔技术，但其通过合理的应用层设计后可以完善自动互联功能，是继以太网之后最具竞争力的高速总线接口;通过选择SRIO接口作为高速互联接口，使得SDR通用平台支持高速交换架构和具备下一代产品的接入能力，拓展了其通用性。

根据传输总线类型，本文研究了SDR平台的功能布局和颗粒度划分的实现方法——三层分割。卫通平台总体趋势向小型化和通用化演进（LRM/VPX 3U标准、6U标准板卡等）;硬件颗粒度划分，直接决定平台模块的继承性和互联性;通用总线的引入，可以使得各层模块的升级具备独立的更换性。如图3，新型设备的内部模块设计应尽可能按照本文提出的三层架构进行软件-硬件功能颗粒度设计，以具备通用性、扩展性。

SCA软件架构设计和处理能力优化。SCA2.2.2规范架构自提出以来，并未提供公开的性能指标，很显然其实时性较差;本文从三层架构的颗粒度划分上规避了高速采样数据（举例，48MSPS采样信号的IQ数据吞吐量高达4.608Gbps）直接进入处理器或者中间层数据交换的情况，采样数据被约束在信道层，采用FPGA将实时信号处理能力提升到极致。以高速时分多址卫通应用为例，其对实时性能和吞吐带宽要求较高;而SCA MHAL交换速率很难超过3Gbps的業务能力，不支持高达48MSPS/4.608Gbps数据流交换，且不适合实时时分数据处理。为解决该问题，采用信道层设计解决了48MSPS采样数据到基带数据转换处理，使用信道层完成基带帧到实时时分包收/发处理方法，将对实时性要求不高的低速率基带帧设计为MHAL层传输的数据内容，规避了MHAL无法实时处理高速数据的问题;三层架构中的主控层和应用层仅处理应用接口、基带业务，规避了采样处理和参数计算等高处理器资源占用处理情况;综上，该卫通SDR平台的业务处理能力可以高达150Mbps。另外，SCA4.4版本的带宽和实时性得到了较大提高，在正式版应用后，以期进一步优化三层处理架构，向更高速采样处理和更强的基带处理能力进行扩展设计。

综上所述，这种三层SDR平台演进过程较为平滑、技术可实现性高，而且这种三层架构的平台具备较高性能和通用性，可以直接部署现有的卫星通信软件或者其他应用波形，能够作为一款通用的SDR平台来长期使用。

3. 结束语

经过上述专用设备现状分析、架构对比、演进思路分析和实现方法讨论可以发现，卫星通信SDR平台的演进技术研究是必要的且必须进行的。本人从多类专用的卫星通信设备设计和使用中遇到的问题出发，研究了各类平台的硬件架构，提出一种便于维护的通用SDR平台，已经在SDR 4U、8U VPX/LRM终端设计和新型板卡设计中进行实现和推广，以期形成货架产品、迭代出高可靠性产品并降低生产成本。高通量时代来临，小型化的各型设备复杂度成指数上升，衷心希望本文能为相关工程人员的SDR系统设计提供指导并解决实际应用中所遇到的部分困惑。

参考文献：

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