一種基于軟件無線電的車載電臺系統及實現方法與流程

本發明屬于通信領域，涉及一種車載電臺系統及實現方法，尤其涉及一種基于軟件無線電的車載電臺系統及實現方法。

背景技術：

目前，我軍現役電臺都是基于硬件設計的，沒有適當的機制來屏蔽硬件差異，波形軟件與硬件聯系緊密，電臺存在技術更新慢、兼容性差、品種多、電臺互連互通互操作難以實現等一系列問題，嚴重制約了軍隊諸軍兵種聯合作戰的能力，難以適應未來陸、海、空三軍一體化立體作戰的要求，更無法滿足未來柵格化信息網建設、聯合戰術通信系統建設、新一代裝備體制建設等裝備發展要求。

為解決現役戰術通信電臺存在的型號種類繁多，難以實現互聯互通互操作，無法隨著部隊的移動而動態建立支持多種業務的戰術通信網絡，不能滿足諸軍兵種聯合作戰的需求的問題，軟件無線電技術逐漸被應用到通信電臺中。軟件無線電技術最終目的是使通信系統擺脫硬件結構的束縛，通過軟件來實現各種功能，方便系統的改進與升級，實現系統的互連與兼容。

隨著軟件無線電技術的逐漸成熟和新技術的應用，許多國家開始著手定制基于軟件無線電思想的頂層設計標準，并將其應用到通信裝備中，很大程度上解決了通信電臺存在的問題。目前，我軍緊跟世界軍事無線通信發展大趨勢，從頂層設計出發對軍用無線通信裝備進行一體化設計，想要從根本上打破當前電臺之間互連、互通和互操作困難的局面。經過近十幾年來的不懈努力，我軍在體系結構、關鍵技術等方面的研究取得了重大突破，但將現有的體系結構應用于實際裝備中還存在一些問題。

技術實現要素：

本發明應用軟件無線電的思想，提出了一種基于軟件無線電的車載電臺系統，以解決當前電臺之間互連、互通和互操作困難的問題。具體方案如下：

一種基于軟件無線電的車載電臺系統，包括通用硬件平臺、操作環境、通信波形和系統管理模塊，其特征在于，所述硬件平臺位于最下層，所述操作環境在硬件平臺之上，所述通信波形運行在操作環境上，所述系統管理模塊接收本地或遠程的控制命令和數據，通過使用操作環境、通信波形以及系統應用提供的接口實現對整個設備的管理和控制；

所述通用硬件平臺包括硬件類和規則集，所述硬件類按照面向對象的方法可分解成子類直至最后的硬件對象；

所述操作環境包括操作系統、傳輸機制、核心框架、平臺設備和平臺服務；所述核心框架為通信波形提供底層軟件和硬件的抽象，為通信波形的應用組件的開發提供基本的接口和服務；

所述通信波形參考OSI分層模型劃分波形組件，所述波形組件使用核心框架中的接口和服務，所述接口和服務采用標準化定義。

優選的，所述通用硬件平臺包括底盤超類和模塊超類，所述底盤超類提供了頂層的屬性，包括電源、尺寸大小、平臺和環境接口；所述模塊超類定義了可共享的尺寸、底盤接口類型、底盤環境需求的規則集；所述模塊超類包括射頻類、調制解調器類、處理器類、信息安全類、輸入/輸出類、電源類和互連總線。

優選的，所述波形應用組件使用AEP約束的操作系統接口，所述波形應用組件與核心框架控制的交互由基本應用接口約束，核心框架控制與平臺設備、應用組件、平臺服務組件之間的交互都基于CORBA(Common Object Request Broker Architecture,公共對象請求代理體系結構)的傳輸機制。

優選的，所述核心框架及所述平臺設備、平臺服務、操作系統及傳輸機制、BSP及設備驅動、總線結構和硬件組成了設備的基本平臺；所述操作系統及傳輸機制為系統管理、波形應用、核心框架提供服務；所述系統管理設有與核心框架、波形應用及人機界面交互的接口；所述波形應用可與核心框架交互。

優選的，所述通信波形可劃分為物理層、MAC層、鏈路層、網絡層、IO層。

優選的，所述系統可由迭代或并行兩者方式實施。

本發明還提供了一種基于軟件無線電的車載電臺系統的實現方法，依次包括如下步驟：

S101:在通用的硬件對象上疊加初始應用軟件；

S102:對整個硬件資源需求進行量化，包括所有波形、網絡、操作環境開銷以及預留余量；

S103：根據應用體系的規則集來為硬件對象的屬性指定取值；

S104：通過性能分析來確定步驟S103中的硬件對象是否滿足系統所需的性能；若未能達到一個可實現的、有效的方案，對硬件對象屬性的分割和選取做出修改，重復執行步驟S101；

S105:當各硬件對象滿足性能指標，則完成了車載電臺的定義。

本發明還提供了另一種基于軟件無線電的車載電臺系統的實現方法，包括波形設計、電臺平臺設計，其特征在于，所述波形設計、所述電臺平臺設計各自經過獨立的測試驗證之后，再進行系統集成驗證，最后形成設備；

所述波形設計的步驟依次為算法開發、建立功能模塊結構、開發波形原型、組件部署分配、詳細設計與代碼實現；

所述電臺平臺設計的步驟依次為確定硬件體系結構及性能約束、硬件選型、開發工程原型、最終實現。

優選的，所述波形設計的步驟依次為：

S201：使用波形仿真工具進行核心波形算法的建模和仿真；

S202：使用UML組件化建模技術及工具，將算法分配到各個波形邏輯組件；

S203：使用C++、MATLAB等開發工具開發波形原型，可暫不考慮實時性；

S204：根據步驟S203中確定的波形，分配所有組件在GPP、DSP、FPGA等處理器上的部署，接著根據組件的匹配的目標平臺、實時性原型的選擇進行詳細設計，實現SCA波形組件框架。

優選的，所述電臺平臺設計的步驟依次為：

S211：根據需求，確定硬件體系結構、處理器類型、性能以及尺寸等約束條件；

S212：進行硬件平臺的初步原型設計，基礎電路設計以及功率的預算，確定最終的物料清單；

S213：基于最終的物料清單，在不考慮形狀因子的約束，進行功能等價的工程原型開發，包括平臺基礎原件實現，如BSP、驅動、邏輯設備組件與服務組件；

S214:根據實際需要的尺寸進行開發，并針對空中接口的兼容性、射頻性能、誤碼率、吞吐量等方面進行設計。

本發明的有益效果是：

1、采用面向對象的系統設計和分析方法，能夠確保軟件和硬件的可移植性和可配置性，使新舊系統之間具有很好的連續性和繼承性，產品之間能夠互連互通互操作。

2、將硬件平臺劃分為通用模塊，可以被繼承到多種平臺中，以滿足變化多樣的任務需求，靈活性好，通用性強，。

3、通用軟件平臺體系實現了硬件和波形之間的分離，使得波形軟件的開發獨立于底層硬件，保證了軟件的可移植性和可復用性，提高了軟件模塊化水平，極大地增強了通信設備的靈活性。

4、通過提供一些標準化的組件框架，有效地降低波形應用開發者以及波形平臺開發者的技術門檻，使其專注于波形業務、波形平臺本身的需求。

附圖說明

圖1是本發明的基本組成框圖；

圖2是本發明的車載電臺硬件平臺框架圖；

圖3是本發明的通信波形應用組件劃分圖；

圖4是本發明的波形應用與操作環境間的接口關系圖；

圖5是本發明的軟件無線電設備系統軟件邏輯關系圖；

圖6是本發明采用迭代方法的車載電臺設計流程圖；

圖7是本發明采用并行方法的車載電臺設計流程圖。

具體實施方式

為了更好的理解本發明所提出的技術方案，下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步闡述。

該體系結構包括通用硬件平臺、操作環境、戰術通信波形和系統管理。

1、通用硬件平臺

本發明對硬件體系的定義采用面向對象的方法，與面向功能的定義方法相比，本方法強調對屬性和物理實現的繼承。圖2為基于軟件無線電的車載電臺硬件框架圖。硬件類由底盤超類和模塊超類組成，底盤超類提供了頂層的一些屬性，例如電源、尺寸大小、平臺和環境接口。模塊超類提供了各個具體模塊可共享的尺寸因子、關鍵系統內部連接、底盤接口類型以及環境需求等。模塊超類可以進一步分解成子類，圖中由模塊超類分解出的每個子類都代表了有著通用屬性的抽象實體(即硬件對象)，因此該框架適用于所有域，其硬件模塊能夠適應不同的平臺，具有高度的復用性、可擴展性。在具體電臺設計過程中，可參照硬件框架圖，根據具體平臺上的物理要求和特定規則來設置硬件對象的屬性。

2、操作環境

本發明將操作環境設計成一個面向對象的分布式軟件體系，由圖1可看出操作環境至下而上主要包括操作系統、傳輸機制、核心框架和平臺設備與服務。在本發明的一個實施例中操作系統為嵌入式實時操作系統。操作系統為核心框架、波形應用等上層軟件提供多進程、多線程的支持；傳輸機制為軟件提供標準化的客戶/服務端操作，軟件組件使用傳輸機制提供的接口和服務進行連接和數據交換；核心框架是應用層接口和服務的基本“核心”集，為波形應用軟件設計者提供底層軟件和硬件的抽象，為波形應用組件的開發提供基本的接口和服務；平臺設備和服務為應用組件所公用，平臺設備實現了基本設備接口，用于訪問系統硬件資源，除平臺設備以外的非硬件公用部分就是平臺服務。本發明的軟件體系結構主要規定了操作系統的API、傳輸機制要求以及核心框架軟件的接口以及功能要求，為軟件無線電設備提供了節點、波形應用管理、配置以及組件間接口互連的通用結構。

該軟件體系實現了硬件和波形之間的分離，使得波形軟件的開發獨立于底層硬件，保證了軟件的可移植性和可復用性，提高了軟件模塊化水平，極大地增強了通信設備的靈活性。

3、通信波形

針對目前存在的波形復用性和可移植性差的問題，本發明參考ISO分層模型來進行波形的組件劃分，將波形組件分為物理層組件、鏈路組件、網絡組件、IO組件和公共組件，組件使用核心框架的接口和服務，組件接口采用標準化定義。這種劃分方式體現了波形應用組件化設計的思想，但是對于大多數波形，這種組件劃分顆粒度較粗，難以達到組件移植復用的要求。本發明的車載電臺組件在ISO分層模型基礎上，根據系統的實際能力，按功能作了進一步細分和擴展，圖3為車載電臺波形應用的組件結構。具體的結構如下：

物理層：包括射頻組件、調制解調組件、中繼組件。所述射頻組件包括上下變頻、增益控制、頻率控制、均衡等。所述調制解調組件包括調制解調、交織/解交織、AD/DA轉換等。

鏈路層：包括鏈路控制組件、橋組件。所述鏈路控制組件包括打包、包調度、包路由、鏈路質量測量等。

網絡層：包括路由組件、網絡組件。路由組件包括地址翻譯、路由、消息傳輸、多播、廣播等。網絡組件包括消息路由、消息多播、消息廣播、網絡鄰居發現、路由表維護等。

IO層：包括串口組件、以太網組件、音頻口組件。串口組件包括端口配置、消息收發等；以太網組件包括端口配置、消息收發等；音頻口包括端口配置、PTT、語音編譯碼、消息收發等。

公共層：包括網關組件、消息過濾器組件、位置感知組件。網關組件包括消息翻譯、語音翻譯、視頻翻譯；消息過濾組件包括過濾類型、過濾算法、過濾優先級等；位置感知組件包括位置報告、位置合并報告、分散位置報告。

組件的總體可被看成一個組件庫，當開發新的波形時，可從組件庫中查找可重用的組件，如果組件庫不包含可重用的組件，可通過擴展組件以添加新的功能。

波形使用操作環境提供的接口，圖4為波形應用與操作環境之間的接口關系圖。應用組件與平臺設備及服務之間基于API接口交互，應用組件只能使用AEP(Application Environment Profile)約束的操作系統的接口，應用組件與核心框架控制的交互由基本應用接口約束，核心框架控制與平臺設備、應用組件、平臺服務組件之間的交互都基于特定傳輸機制。

4、系統管理

通用硬件平臺和操作環境構成了基礎平臺，在此基礎平臺上可加載不同的波形應用。但是對于具體無線電設備而言，僅僅由通用硬件平臺、操作環境和波形是不夠的，無線電設備要接受來自本地的或遠程的控制命令和數據，因此系統管理也是體系結構必需的組成部分。本發明的系統管理分為數據分發處理模塊、配置管理模塊、故障管理模塊、性能管理模塊、安全管理模塊等，系統管理可以根據實際設備需要具體定義。

對于具體的無線電設備，圖1所示的體系結構組成，還無法充分地體現具體設備所需要的軟件。作為進一步的說明，圖5為設備系統軟件功能層次圖，該圖更完整地描述了設備的軟件組成，其中核心框架及平臺設備與服務、實時操作系統及傳輸機制、BSP及設備驅動、總線結構和硬件組成了設備的基本平臺；操作系統及傳輸機制為系統管理、波形應用、及核心框架提供服務；系統管理分別設有與核心框架、波形應用及人機界面交互的接口；波形應用還可以與核心框架交互。

綜上，本發明設計的體系結構為波形和網絡應用提供了一個定義完整的硬件和軟件框架，該框架靈活、通用、開放，能方便地適應傳統的和新的波形，并且還可以接受新的擴展和技術插入。

本發明還提供了的基于軟件無線電的車載電臺實施方法包括迭代和并行兩種方式。

方式一：以迭代方式實現車載電臺

本實施方式將以迭代的方式來說明硬件類和軟件類是如何與規則集一起被用于電臺設計的。以迭代方式實現的車載電臺的軟件對象是從體系結構定義的軟件類派生的，硬件對象是通過迭代分析從體系結構定義的通用硬件類派生的。

如圖6所示的車載電臺以迭代方式設計的流程圖：第一步是在一組通用的硬件對象上疊加初始應用軟件。接下來對整個硬件資源需求進行量化，包括所有波形、網絡、操作環境開銷以及預留余量，至此所有硬件資源的需求都已清晰。然后根據應用體系的規則集來為硬件對象的屬性指定取值。接著通過性能分析來確定(硬件對象)是否滿足系統所需的性能。若未能達到一個可實現的、有效的方案，則返回第一步，并重復進行以上步驟，對硬件對象屬性的分割和選取做出修改。一旦獲得了一個可實現的、有效的方案，則完成了定義車載電臺的定義。

以迭代方式設計車載電臺的過程就是通過應用體系的規則集來選擇硬件和軟件對象的過程，包括在硬件對象上疊加應用軟件，系統性能分析以及指定硬件對象的屬性。規則集的應用使設計出的系統更利于硬件的包容性和復用性。

方式二：以并行方式實現車載電臺

由于波形與電臺平臺是可以并行設計的，因此車載電臺除了使用迭代方式實現外還可以采用并行方式實現。以并行方式實現車載電臺的過程可以描述為：波形應用、設備平臺各自經過獨立的測試驗證之后，再進行系統集成驗證，最后形成設備。

如圖7所示，波形應用的具體步驟依次為算法開發、建立功能模塊結構、開發波形原型、組件部署分配、詳細設計與代碼實現。

算法開發的具體步驟為使用MATLAB等工具進行核心波形算法的建模和仿真，使用UML組件化建模技術及工具，將算法分配到各個波形邏輯組件。接著開發使用C++、MATLAB等開發工具開發波形原型，可暫不考慮實時性。然后根據需要確定波形所有組件在GPP(General Purpose Processor通用處理器)、DSP(Digital Signal Processing數字信號處理器)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)等處理器上的部署分配，接著根據上述組件的目標平臺、實時性原型的選擇進行詳細設計，并且實現SCA(Software Communication Architecture軟件通信體系結構)波形組件框架，然后進行系統級的驗證、測試與集成；

電臺平臺設計依次經過確定硬件體系結構及性能約束、硬件選型、開發工程原型、最終實現：根據需求，進行硬件平臺的初步原型設計，基礎電路設計以及功率的預算等，然后確定最終物料清單；基于最終的物料清單，在不考慮形狀因子的約束，進行功能等價的工程原型開發，包括平臺基礎原件實現，如BSP、驅動、邏輯設備組件與服務組件等；接著根據實際需要的尺寸進行開發，并針對空中接口的兼容性、射頻性能、誤碼率、吞吐量等方面進行設計。

由于操作環境僅僅影響了波形應用組件、平臺組件的框架，而對波形核心的算法的設計、硬件平臺的設計并沒有影響，因此，通過提供一些標準的組件框架，就可以有效地降低波形應用開發者以及平臺開發者的技術門檻，使其專注于波形業務、設備平臺本身的需求。

根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式的相關模塊和軟件架構做適應性變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。