基于SCA的软件无线电系统的概念与架构

1 软件通信体系架构SCA的基本概念
SCA：Software Communication Architecture，软件通信架构；继承了软件定义无线电SDR的核心设计思想，构造了一个具有开放性、标准化、模块化的通用软硬件平台，将各种功能，例如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来实现，通过在设备上面集成不同的通信软件可以实现不同的通信模式和功能。SCA的源头来自美国对于软件定义无线电SDR的探索和发展，是SDR在通信架构上重大突破，是目前实现高效通信、提升多军种联合作战通信的最佳方案，是未来军事通信的重要发展方向。

海湾战争后，美军发现自身无线电装备灵活性极低，导致战场上出现大量的“信息烟囱”和“信息孤岛”，为打破军用无线电装备的信息壁垒，指导未来军用通信体系建设，解决军事电子信息系统的互联互通和一体化问题，美国国防部倡议的联合战术无线电系统（JTRS）计划将开发一种适用于所有军种要求的电台系统。为此，制定了SCA标准规范，其目的是建立独立于设备的软件框架，确保软件和硬件的可移植性和可配置性，并确保根据SCA开发的产品之间的互通，是一种开放式和模块化的顶层设计体系结构标准。SCA的最终愿景是将复杂多样的功能化军用单体装备过渡到高度综合化的智能装备，如图所示

图1-1无线电装备的高度综合化
将传统的功能定义装备逐步过渡替换成为软件定义的智能装备，实现装备的简易化，通过软件加载的方式实现多个独立功能电台的综合化使用。
2 软件无线电系统架构
OpenSCA操作环境是上海介方信息公司严格依据SCA4.1/SRTF标准规范构建，实现了SCA4.1/SRTF标准规范规定的标准接口，利用底层框架将复杂的硬件环境进行封装抽象，并对其可靠性、安全性和运行效率加以管理，为运行于其上的波形等上层应用提供标准化接口和运行服务；支持高集成、一体式、嵌入式、分体式等软件无线电系统中虚拟化资源池的构建，以及软件组件的调度管理、异构通信；面向军用通信、雷达、电子战等多个领域，适用于手持、背负、车载、机载、舰载、星载等多种应用场景，并正在向认知无线电、边缘计算、云边混合等前沿技术方向拓展。基于SCA的软件无线电系统架构如图所示。

图2-1 软件无线电系统架构
2.1目标平台资源层
目标平台资源层（TRL，Target Resource Layer）是软件无线电系统运行的硬件平台设备，SCA技术将支撑软件无线电运行的GPP、DSP、FPGA、射频等硬件平台设备虚拟化为可控制、可复用的平台资源，根据应用场景的不同调度不同的硬件资源、加载相应的波形，实现软件无线电系统的功能可重构、软件可重配、硬件可重组。

2.2环境抽象层
环境抽象层（EAL，Environment Abstraction Layer）是位于硬件驱动之上的软件层，支持对GPP、DSP、FPGA及射频等资源驱动接口的抽象，根据抽象对象颗粒度不同，分为系统级抽象接口、模块级抽象接口、器件级抽象接口等。
通过向不同硬件厂商提供一致的硬件接口标准，环境抽象层为上层软件屏蔽底层硬件驱动接口的差异，实现上层软件与底层硬件的解耦，提高上层软件的可移植性。

2.3 SRTF操作环境
SRTF操作环境（OE，Operating Environment）界于目标平台资源和上层应用之间，利用底层框架将复杂的硬件环境进行封装抽象，并对其可靠性、安全性和运行效率加以管理，实现硬件平台和上层应用之间的解耦，为运行于其上的波形等上层应用提供标准化接口和运行服务；主要由操作系统、运行时环境、SRTF核心框架组成。

2.3.1  操作系统
操作系统通常采用嵌入式实时操作系统，主要提供本地系统引导、硬件设备驱动、内存管理、进程管理、任务实时调度等功能，为上层软件提供满足标准规范要求的运行支撑。
OpenSCA SRTF操作环境支持Linux、VxWorks、银河麒麟、道系统、SylixOS（官方版及各类扩展的翼辉系统）、天脉等操作系统，可扩展支持ReWorks、SightOS、元心等操作系统。

2.3.2  运行时环境
运行时环境（RTE，Runtime Environment）为核心框架及上层应用提供运行支撑，适用于分布式异构平台，包括操作系统抽象接口、混合传输机制、传输机制抽象接口、平台支持库等。主要功能如下：
支持jORB、jDDS、MHAL等多种中间件，为上层软件提供基础通信服务。
为上层软件屏蔽不同操作系统、传输机制的差异，可降低上层软件与底层软件平台之间的耦合，提高上层软件的可移植性。
提供公共的平台支持库，简化上层软件开发。
内置丰富的标准化健康状态采集与控制接口，采集平台软硬件的健康状态，为上层健康管理应用提供支撑。

2.3.3  SRTF核心框架
SRTF核心框架(CF，Core Framework)是SRTF操作环境的核心软件，运行于软件无线电终端，为终端设备提供资源调度与波形管理能力，包括启动组件、框架控制组件、框架服务组件、xml文件解析组件等。
设计原则：
符合SCA4.1及SRTF标准。
采用模块化设计，具有极强的伸缩性，可针对不同的应用场景及不同的软无系统架构，配置不同的核心库。
主要功能如下：
提供波形加卸载、启停、属性配置与查询等控制功能。
提供逻辑设备、服务组件的启停、属性配置与查询等控制功能。
提供波形查询、逻辑设备查询、服务组件查询等功能。
提供动态部署、亲和部署、通道部署等多种波形部署策略。
提供分布式文件系统管理功能。
提供组件之间的连接管理功能。

2.4 应用层
应用层（AL，Application Layer）是开发者基于SRTF操作环境开发的业务类服务，包括波形、逻辑设备、服务、健康管理以及自定义其他应用。
波形是开发者根据软无系统功能需求开发的一系列功能组件的组合，主要包括GPP波形组件、FPGA波形组件、DSP波形组件等。
逻辑设备是物理设备的代理，实现对物理设备的操作控制；为波形等应用与物理设备的交互提供标准规范接口，屏蔽底层设备驱动实现。
服务组件是为各类上层应用提供公共服务的基础设施，为上层应用提供访问平台软件资源的标准接口。

2.5 sdrIDE集成开发环境
sdrIDE集成开发环境是面向软件无线电系统，集波形建模、部署、监控、调试等功能为一体的集成开发环境工具链，主要包括建模工具、部署工具、监控工具、镜像构建器、系统调试器等；采用全流程模型驱动的方式支撑用户进行波形开发，使过程资产复用达到最大化。
sdrIDE集成开发环境各工具之间的工作流程关系如下图所示，镜像构建器可提供SRTF操作环境源码开放，帮助用户根据自身业务需求对SRTF操作环境镜像进行定制化开发；建模工具用于帮助开发者快速完成平台、波形等模型的构建；部署工具将开发平台下完成建模的组件、平台包等模型快速部署到运行平台；系统调试器提供精细化的状态监测与管理控制，实现对波形、平台资源的深度调试；监控工具帮助用户对目标系统进行状态监测和管理控制。

图2-2 sdrIDE工具链工作流程

审核编辑 黄宇