软件通信结构的目标及其构成

海军无线电技术研究所 张禄林 郎晓虹

　　近三年来，个人移动通信技术发展异常迅猛。在基础设施方面，第三代宽带CDMA通信系统更是各个厂家必争之地。新技术的不断出现和新的要求的提出使得通信系统更新换代越来越快。如果不能使新旧系统之间具有很好的连续性和继承性，对运营商和用户都是很大的损失和浪费。为了解决这一问题，软件通信结构（SCA）应运而生。SCA建立了独立于设备的结构框架，其目标是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。首先提出SCA的是联合战术无线电系统（JTRS）。之后，软件定义无线电（SDR）论坛也接受SCA规范，并正在把SCA发展为商业应用的标准。现在，SCA 2.0版已经颁布。

　　SCA使用的是面向对象的开发方法，其开发过程不仅可以用于框架的定义，还可以用于产品的开发。SCA使用联合建模语言（UML：Unified Modeling Language）对接口进行图示，使用接口定义语言（IDL：Interface Definition Language）对接口进行定义，这两种语言都使用标准的软件开发工具，使得在结构定义完成后可以直接进行产品开发。

SCA的目标

SCA要达到的八个目标是：

1) 通用的和开放的结构

　　使用开放的标准化结构有利于提高竞争性、互通性、可扩展性和可升级性，便于新技术的引入、快速升级和软件的重用

。
2) 支持多种环境

　　根据SCA生产的通信系统必须支持多种运行环境（多种使用域），包括空中飞行器、固定平台、舰船、陆地车辆。既要能堆叠使用，也可以手持使用。

3) 多波段多模式

　　根据SCA生产的通信系统要能取代目前使用的各种频带的无线电，从2MHz到2GHz。在某个具体的频段要与目前使用的设备兼容。在模式和波形上有交叉的，要确保能互通。

4) 与现有系统兼容

　　新系统要与现有系统兼容，并要减少与现有系统集成过程中的相互影响。

5) 新技术的引入

　　新技术可以随时随地引进到系统中，提高系统性能，降低费用和缩短部署时间、避免故障、保持与商用技术的同步。

6) 保密性

　　SCA结构必须解决战术通信系统中长期存在的一系列的安全问题，包括可编程的加密能力、多个独立的密级、流水线式的安全认证和结构化的部件，即密钥管理、软件管理、认证管理、用户识别和授权。

7) 网络化

　　除了支持传统的网络协议，SCA必须支持新出现的宽带组网能力，包括语音、数据和图像。

8) 软件重用/通用的波形软件

　　SCA应该最大限度地实现软件重用，在各种不同的实现方案中，允许使用通用的波形软件。

SCA的基本结构

　　SCA由硬件结构、软件结构和规则集3个基本的部件组成。

硬件框架

　　SCA硬件框架定义了与硬件设备有关的属性以及在运行时使用这些属性为硬件资源分配合适的软件资源的方法。属性是一些能反应不同的使用域的硬件对象的参数。通过属性的注册过程实现对重配置的要求，其中，动态地装载软件波形是一个基本的能力。

　　不同使用域的环境和硬件要求差异非常大，很难用一个统一的硬件实现所有的功能。然而，如果对硬件使用面向对象的描述，即硬件类（class），那么，所有不同域的硬件都可以包含在一个框架中，该框架可以使用不同的属性（行为和接口）来表示不同硬件之间的实现差别。划分类的重点在于把系统分成不同的物理单元以及把这些单元组成一个功能单元。

　　HW Module（s）类从SCA-Compliant Hardware类继承系统级的属性，HW Module（s）以下的类从HW Module（s）中继承类属性。属性是表征使用域（Domain）的硬件设施参数，不同的属性值满足不同的要求，可以在实现过程中进行选择。硬件设备(Device)，即类的物理实现，具有相应的物理平台环境和设备性能要求的属性值。一些属性由设备描述（Device Profile）给出，用于产生波形应用，核心框架(CF)可以解读设备描述文件。
插槽类具有独立的物理结构、接口、供电和扩展环境属性，因为这些属性是最低层的，不同模块的插槽类属性不能共享。

软件结构

　　SCA的软件结构定义了一个运行环境（OE：Operating Environment）,还包括一系列CF业务和结构化的软件（主板支持软件包、操作系统和服务、CORBA中间件）。

* 总线层

　　软件结构可以使用常用的商用总线结构，例如，VME、PCI和以太总线。

* 网络栈和串行接口业务

　　软件结构使用商用的部件支持多个独立的串行接口和网络接口。像RS-232、RS-422、RS-485、Ethernet和802.x等。为了支持这些接口，必须使用各种不同的低层的网络协议。包括PPP、SLIP、LAPx等。为了连网，操作系统还必须包括连网功能单元，像IP协议栈。

* 操作系统层

　　SCA包括一个实时的嵌入式操作系统，为应用提供多线程支持。便携式操作系统接口（POSIX）是一个可以接受的和推荐使用的工业标准。

* 核心框架（CF）

　　为了提高即插即用软件的互通性，核心框架必须是开放的、非专用的。为了提高分布式应用的可靠性，核心框架必须是可控的和安全的。使用CORBA和POSIX兼容的操作环境，支持核心框架部件应该比较容易地在不同的处理器、RTOS、总线和ORB之间移植。可移植性是通过在每个系统平台中实现包含该基本集的应用程序接口（API）。核心框架的业务包括域管理器、资源管理器和核心业务。域管理器实现系统控制，资源管理器负责装载软件和管理设备，核心业务包括日志管理、安装、定时器、文件管理器和文件系统。 核心结构是开放的应用层接口和服务的一个基本集，它为软件应用设计者提供了底层软件和硬件的抽象，CF包括如下的部分：

1) 基本应用接口，可以被所有的应用软件使用。

2) 框架控制接口，提供系统的控制。

3) 框架服务接口，支持核心的和非核心的应用。

4) 使用域描述文件，描述了硬件设备和软件部件的属性。

* CORBA中间件层

　　分布式处理是JTRS系统结构的一项基本的要求。CORBA中间件用于分布式处理环境的信息传递，它提供交叉平台中间件服务，简化分布式环境中的客户/服务器操作。CORBA使用的方式是把实际的通信机制隐藏在一个对象请求代理（ORB）软件之后。对硬件的如此抽象能够使应用在不同的总线中移植。

* 应用层

　　应用层完成用户的通信功能，包括modem级的数字信号处理、链路级的协议处理、网络级的协议处理、网络互连的路由选择、外部的输入/输出访问、安全性处理和嵌入式应用。应用层要使用CF服务的接口，不能直接访问操作系统。网络功能可以在应用层以下实现，像商用的IP网络层就可以直接访问操作系统。

应用由一个或多个资源（Resources）组成。资源接口向软件部件的控制和配置提供公共的API。应用的开发者可以通过生成特定的资源接口扩展这些定义，资源接口扩展时至少必须继承基本的资源接口。像Link Resource、Network Resource、 Utility Resource就是一些应用扩展。

　　设备(Device)与资源是一个类型，它把实际的硬件影射为软件，便于在应用中使用。Modem Device, I/O device, Security Device是一些设备。

　　软件结构并不指定资源的内部功能的设计，这些留给应用开发商完成。对于非CORBA类型的应用必须使用适配器（adapter）进行转换，适配器也是一种资源和设备。

* 网络互连

　　SCA兼容的通信系统之间可以通信。外部的网络协议是波形应用的一个部分，SCA结构规范不进行定义，但是，实现协议的业务需求接口必须定义。外部网络协议可以通过有线的或无线的媒体进行通信，这些协议包括：Ethernet、IEEE 802.11、IS-95A、IP、单信道地波/天波无线系统（SINCGARS）、高频自动链路建立（ALE）等。外部网络协议在不同的层次完成不同的功能：

1)物理层互连时使用中继器功能，这时协议提供兼容的物理接口，包括信令接口，但没有高层的处理；

2)链路层互连时使用网桥功能，协议提供链路层的处理；

3)网络层互连时使用路由器功能，协议提供网络层的地址解析和路由选择功能；

4)高层的互连使用应用层网关，协议提供应用层的信息交互处理能力。

SCA规则集

　　JTRS 规则集为设计和实现硬件和软件框架提供了一般性指导。初始集定义了与形式参数、接口、环境要求和软件操作环境有关的规则。规则对实现开放的标准和商用单元提出了约束。规则集为项目管理者选择特殊的应用提出了严格的指导。初始集的一些规则为：

软件规则：

* 形式参数将从开放的商用的标准中进行选择（普遍使用的、从多个供应商可以获取的并认为是长期支持的）。

* JTRS例程中的模块接口应该支持UNIX的便携操作系统接口（POSIX）。

* 软件应该用高级语言开发，以便于处理器的移植。

* 新软件应该使用标准的高级语言编写，并且最大限度地独立于硬件平台和环境，便于移植和重用。
* 使用现有的软件时要通过适配器进行转换或封装，使之提供标准的接口。
硬件规则：

* 在硬件方面必须实现技术的特殊性和使用域特殊性与扩展性和互换性之间的平衡，硬件规则规定了SCA对硬件对象的需求，使硬件对象尽量实现上述平衡。

* 每个支持的硬件设备必须有一个使用域描述文件（Domain Profile），用XML语言编写。

* 在接口控制文档中应该定义硬件临界接口，该文档应无限制地提供给其它部门。

* 临界接口应该根据商用或政府标准制定。

* 硬件对象应该使用根据商用标准制定的格式化参数。

* 根据便于技术引入和模块替换的原则分割模块。

　　软件无线电或软件定义无线电是未来无线通信产品的重要标志，而软件通信结构是保证把软件无线电成功地应用于新系统的一个重要的规范。在开发第三代个人通信系统时，应该引起我们足够的重视。

摘自《通讯世界》