軟件通信結構的目標及其構成

2019-11-03 09:38:26

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網(wǎng)友

海軍無線電技術研究所張祿林郎曉虹　　近三年來，個人移動通信技術發(fā)展異常迅猛。在基礎設施方面，第三代寬帶CDMA通信系統(tǒng)更是各個廠家必爭之地。新技術的不斷出現(xiàn)和新的要求的提出使得通信系統(tǒng)更新?lián)Q代越來越快。如果不能使新舊系統(tǒng)之間具有很好的連續(xù)性和繼承性，對運營商和用戶都是很大的損失和浪費。為了解決這一問題，軟件通信結構（SCA）應運而生。SCA建立了獨立于設備的結構框架，其目標是確保軟件和硬件的可移植性和可配置性，并確保根據(jù)SCA開發(fā)的產(chǎn)品之間的互通。首先提出SCA的是聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)（JTRS）。之后，軟件定義無線電（SDR）論壇也接受SCA規(guī)范，并正在把SCA發(fā)展為商業(yè)應用的標準。現(xiàn)在，SCA 2.0版已經(jīng)頒布。

　　SCA使用的是面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，其開發(fā)過程不僅可以用于框架的定義，還可以用于產(chǎn)品的開發(fā)。SCA使用聯(lián)合建模語言（UML：Unified Modeling Language）對接口進行圖示，使用接口定義語言（IDL：Interface Definition Language）對接口進行定義，這兩種語言都使用標準的軟件開發(fā)工具，使得在結構定義完成后可以直接進行產(chǎn)品開發(fā)。

SCA的目標

SCA要達到的八個目標是：

1) 通用的和開放的結構

　　使用開放的標準化結構有利于提高競爭性、互通性、可擴展性和可升級性，便于新技術的引入、快速升級和軟件的重用

。2) 支持多種環(huán)境

　　根據(jù)SCA生產(chǎn)的通信系統(tǒng)必須支持多種運行環(huán)境（多種使用域），包括空中飛行器、固定平臺、艦船、陸地車輛。既要能堆疊使用，也可以手持使用。

3) 多波段多模式

　　根據(jù)SCA生產(chǎn)的通信系統(tǒng)要能取代目前使用的各種頻帶的無線電，從2MHz到2GHz。在某個具體的頻段要與目前使用的設備兼容。在模式和波形上有交叉的，要確保能互通。

4) 與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容

　　新系統(tǒng)要與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，并要減少與現(xiàn)有系統(tǒng)集成過程中的相互影響。

5) 新技術的引入

　　新技術可以隨時隨地引進到系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)性能，降低費用和縮短部署時間、避免故障、保持與商用技術的同步。

6) 保密性

　　SCA結構必須解決戰(zhàn)術通信系統(tǒng)中長期存在的一系列的安全問題，包括可編程的加密能力、多個獨立的密級、流水線式的安全認證和結構化的部件，即密鑰管理、軟件管理、認證管理、用戶識別和授權。

7) 網(wǎng)絡化

　　除了支持傳統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議，SCA必須支持新出現(xiàn)的寬帶組網(wǎng)能力，包括語音、數(shù)據(jù)和圖像。

8) 軟件重用/通用的波形軟件

　　SCA應該最大限度地實現(xiàn)軟件重用，在各種不同的實現(xiàn)方案中，允許使用通用的波形軟件。

SCA的基本結構

　　SCA由硬件結構、軟件結構和規(guī)則集3個基本的部件組成。

硬件框架

　　SCA硬件框架定義了與硬件設備有關的屬性以及在運行時使用這些屬性為硬件資源分配合適的軟件資源的方法。屬性是一些能反應不同的使用域的硬件對象的參數(shù)。通過屬性的注冊過程實現(xiàn)對重配置的要求，其中，動態(tài)地裝載軟件波形是一個基本的能力。

　　不同使用域的環(huán)境和硬件要求差異非常大，很難用一個統(tǒng)一的硬件實現(xiàn)所有的功能。然而，如果對硬件使用面向?qū)ο蟮拿枋觯从布悾╟lass），那么，所有不同域的硬件都可以包含在一個框架中，該框架可以使用不同的屬性（行為和接口）來表示不同硬件之間的實現(xiàn)差別。劃分類的重點在于把系統(tǒng)分成不同的物理單元以及把這些單元組成一個功能單元。

　　HW Module（s）類從SCA-Compliant Hardware類繼承系統(tǒng)級的屬性，HW Module（s）以下的類從HW Module（s）中繼承類屬性。屬性是表征使用域（Domain）的硬件設施參數(shù)，不同的屬性值滿足不同的要求，可以在實現(xiàn)過程中進行選擇。硬件設備(Device)，即類的物理實現(xiàn)，具有相應的物理平臺環(huán)境和設備性能要求的屬性值。一些屬性由設備描述（Device PRofile）給出，用于產(chǎn)生波形應用，核心框架(CF)可以解讀設備描述文件。插槽類具有獨立的物理結構、接口、供電和擴展環(huán)境屬性，因為這些屬性是最低層的，不同模塊的插槽類屬性不能共享。

軟件結構

　　SCA的軟件結構定義了一個運行環(huán)境（OE：Operating Environment）,還包括一系列CF業(yè)務和結構化的軟件（主板支持軟件包、操作系統(tǒng)和服務、CORBA中間件）。

* 總線層

　　軟件結構可以使用常用的商用總線結構，例如，VME、PCI和以太總線。

* 網(wǎng)絡棧和串行接口業(yè)務

　　軟件結構使用商用的部件支持多個獨立的串行接口和網(wǎng)絡接口。像RS-232、RS-422、RS-485、Ethernet和802.x等。為了支持這些接口，必須使用各種不同的低層的網(wǎng)絡協(xié)議。包括PPP、SLip、LAPx等。為了連網(wǎng)，操作系統(tǒng)還必須包括連網(wǎng)功能單元，像IP協(xié)議棧。

* 操作系統(tǒng)層

　　SCA包括一個實時的嵌入式操作系統(tǒng)，為應用提供多線程支持。便攜式操作系統(tǒng)接口（POSIX）是一個可以接受的和推薦使用的工業(yè)標準。

* 核心框架（CF）

　　為了提高即插即用軟件的互通性，核心框架必須是開放的、非專用的。為了提高分布式應用的可靠性，核心框架必須是可控的和安全的。使用CORBA和POSIX兼容的操作環(huán)境，支持核心框架部件應該比較容易地在不同的處理器、RTOS、總線和ORB之間移植。可移植性是通過在每個系統(tǒng)平臺中實現(xiàn)包含該基本集的應用程序接口（API）。核心框架的業(yè)務包括域管理器、資源管理器和核心業(yè)務。域管理器實現(xiàn)系統(tǒng)控制，資源管理器負責裝載軟件和管理設備，核心業(yè)務包括日志管理、安裝、定時器、文件管理器和文件系統(tǒng)。核心結構是開放的應用層接口和服務的一個基本集，它為軟件應用設計者提供了底層軟件和硬件的抽象，CF包括如下的部分：

1) 基本應用接口，可以被所有的應用軟件使用。

2) 框架控制接口，提供系統(tǒng)的控制。

3) 框架服務接口，支持核心的和非核心的應用。

4) 使用域描述文件，描述了硬件設備和軟件部件的屬性。

* CORBA中間件層

　　分布式處理是JTRS系統(tǒng)結構的一項基本的要求。CORBA中間件用于分布式處理環(huán)境的信息傳遞，它提供交叉平臺中間件服務，簡化分布式環(huán)境中的客戶/服務器操作。CORBA使用的方式是把實際的通信機制隱藏在一個對象請求代理（ORB）軟件之后。對硬件的如此抽象能夠使應用在不同的總線中移植。

* 應用層

　　應用層完成用戶的通信功能，包括modem級的數(shù)字信號處理、鏈路級的協(xié)議處理、網(wǎng)絡級的協(xié)議處理、網(wǎng)絡互連的路由選擇、外部的輸入/輸出訪問、安全性處理和嵌入式應用。應用層要使用CF服務的接口，不能直接訪問操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡功能可以在應用層以下實現(xiàn)，像商用的IP網(wǎng)絡層就可以直接訪問操作系統(tǒng)。

應用由一個或多個資源（Resources）組成。資源接口向軟件部件的控制和配置提供公共的API。應用的開發(fā)者可以通過生成特定的資源接口擴展這些定義，資源接口擴展時至少必須繼承基本的資源接口。像Link Resource、Network Resource、 Utility Resource就是一些應用擴展。

　　設備(Device)與資源是一個類型，它把實際的硬件影射為軟件，便于在應用中使用。Modem Device, I/O device, Security Device是一些設備。

　　軟件結構并不指定資源的內(nèi)部功能的設計，這些留給應用開發(fā)商完成。對于非CORBA類型的應用必須使用適配器（adapter）進行轉換，適配器也是一種資源和設備。

* 網(wǎng)絡互連

　　SCA兼容的通信系統(tǒng)之間可以通信。外部的網(wǎng)絡協(xié)議是波形應用的一個部分，SCA結構規(guī)范不進行定義，但是，實現(xiàn)協(xié)議的業(yè)務需求接口必須定義。外部網(wǎng)絡協(xié)議可以通過有線的或無線的媒體進行通信，這些協(xié)議包括：Ethernet、IEEE 802.11、IS-95A、IP、單信道地波/天波無線系統(tǒng)（SINCGARS）、高頻自動鏈路建立（ALE）等。外部網(wǎng)絡協(xié)議在不同的層次完成不同的功能：

1)物理層互連時使用中繼器功能，這時協(xié)議提供兼容的物理接口，包括信令接口，但沒有高層的處理；

2)鏈路層互連時使用網(wǎng)橋功能，協(xié)議提供鏈路層的處理；

3)網(wǎng)絡層互連時使用路由器功能，協(xié)議提供網(wǎng)絡層的地址解析和路由選擇功能；

4)高層的互連使用應用層網(wǎng)關，協(xié)議提供應用層的信息交互處理能力。

SCA規(guī)則集

　　JTRS 規(guī)則集為設計和實現(xiàn)硬件和軟件框架提供了一般性指導。初始集定義了與形式參數(shù)、接口、環(huán)境要求和軟件操作環(huán)境有關的規(guī)則。規(guī)則對實現(xiàn)開放的標準和商用單元提出了約束。規(guī)則集為項目管理者選擇特殊的應用提出了嚴格的指導。初始集的一些規(guī)則為：

軟件規(guī)則：

* 形式參數(shù)將從開放的商用的標準中進行選擇（普遍使用的、從多個供應商可以獲取的并認為是長期支持的）。

* JTRS例程中的模塊接口應該支持UNIX的便攜操作系統(tǒng)接口（POSIX）。

* 軟件應該用高級語言開發(fā)，以便于處理器的移植。

* 新軟件應該使用標準的高級語言編寫，并且最大限度地獨立于硬件平臺和環(huán)境，便于移植和重用。* 使用現(xiàn)有的軟件時要通過適配器進行轉換或封裝，使之提供標準的接口。硬件規(guī)則：

* 在硬件方面必須實現(xiàn)技術的特殊性和使用域特殊性與擴展性和互換性之間的平衡，硬件規(guī)則規(guī)定了SCA對硬件對象的需求，使硬件對象盡量實現(xiàn)上述平衡。

* 每個支持的硬件設備必須有一個使用域描述文件（Domain Profile），用xml語言編寫。

* 在接口控制文檔中應該定義硬件臨界接口，該文檔應無限制地提供給其它部門。

* 臨界接口應該根據(jù)商用或政府標準制定。

* 硬件對象應該使用根據(jù)商用標準制定的格式化參數(shù)。

* 根據(jù)便于技術引入和模塊替換的原則分割模塊。

　　軟件無線電或軟件定義無線電是未來無線通信產(chǎn)品的重要標志，而軟件通信結構是保證把軟件無線電成功地應用于新系統(tǒng)的一個重要的規(guī)范。在開發(fā)第三代個人通信系統(tǒng)時，應該引起我們足夠的重視。

摘自《通訊世界》

上一篇：直放站漫談

下一篇：1G/2G的抉擇