重慶人學碩士學位論文中文摘要 摘要 傳統的無線通信系統的設計主要圍繞硬件來展開 其產品的開發和制造也只 是針對專門的標準 這樣的殲發模式已經不能滿足當今通信系統的要求 并嚴重 地阻礙了無線通信技術的發展 新一代無線通信系統 應該具備通用的硬件平臺 能夠兼容多種通信體制 具有軟件可重構的能力 能靈活地根據網絡環境 動態 構建不同的通信系統 以實現不同通信體制之問的無縫切換 為了解決上述問題 軟件通信結構 s c a 應運而生 s c a s o 腳a r e c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e 是美軍為開發未來的戰術無線通信系統而發布的 它 作為軟件無線電 s d r 的一種實現方式 為無線通信系統的設計和開發提供了詳 細的規范 建立了獨立于設備的結構框架 為了保證軟件和硬件的可移植性和可 配置性 s c a 詳細定義了無線電系統的硬件結構 軟件結構 安全結構以及公共 服務和配置 基于s c a 的無線通信技術研究 旨在擺脫傳統的面向用途的設計思 想 通過一種高度模塊化的通用信號處理平臺 把各種通信裝備提供的業務從基 于硬件特性的方式中解放出來 通過裝載不同的軟件來動態配置系統的功能 實 現系統硬件平臺的通用化 模塊化和軟件的可移植性 從而滿足新一代無線通信 統一平臺的需要 本文描述了s c a 的一些基本的核心規則 得出了自己對s c a 的理解 結合 統一平臺 對通信體制識別 核心框架實現 c o r b a c o m m o no b j e c tr e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e 的應用 波形組件的開發以及軟件的構建等關鍵技術進行了較 為詳細的闡述 在研究過程中 嚴格遵循s c a 規范 采用嵌入式處理模塊與通用 p c 相結合的架構 運用面向對象的思想對平臺軟件的重構性進行研究 通過 w i n p c a p 開源庫 實現了p c 與嵌入式處理模塊之間的高速數據通信 在p c 環境 下 通過v i s u a lc 成功實現了新一代無線通信系統的接收端和發射端在g s m w c d m a 和w i m a x 等多種通信體制環境下的軟件重構 最后 給出了研究過程 中所涉及到的部分程序代碼 關鍵宇 新一代無線通信 統一平臺 軟件通信結構 軟件可重構 重慶人學碩士學位論文英文摘要 a b s t r a c t t h ef o c u so fd e s i g n i n gc o n v e n t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st h e h a r d w a r e a n dt h em a n u f a c t u r ea n dd e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t sa r ei na c c o r d a n c e w i t h s p e c i a l i z e ds t a n d a r d t h i sk i n d o fd e v e l o p m e n tm o d ec a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mn o w a d a y s m o r e o v e r i th i n d e r st h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u es e v e r e l y t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fn e x tg e n e r a t i o ni ss u p p o s e dt op o s s e s su n i f i e dh a r d w a r e p l a t f o r m b ec o m p a t i b l e w i t hd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s b es o f t w a r e r e c o n f i g u r a b l e a n db ea d a p t i v et ot h en e t w o r ke n v i r o n m e n tb yc o n s t r u c t i n gd i f f e r e n t s y s t e m sd y n a m i c a l l yt oi m p l e m e n ts e a m l e s sh a n d o v c ra m o n gd i f f e r e n ts t a n d a r d s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e s o f t w a r ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e s c a e m e r g e d s c ai sd e v e l o p e db yt h eu s a r m yi nt h ep u r p o s eo fd e v e l o p i n gf u t u r et a c t i c w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a so n ew a yt or e a l i z es o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s d r i t p r o v i d e sd e t a i l e ds p e c i f i c a t i o n s t ot h e d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n de s t a b l i s h e st h ef r a m e w o r kw h i c hi si n d e p e n d e n to ft h e h a r d w a r e t oe n s u r et h et r a n s p l a n t a b l ea n dr e c o n f i g u r a b l ec a p a b i l i t y s c ad e f i n e st h e f r a m e w o r ko fh a r d w a r e s o f t w a r ea n ds e c u r i t yi nd e t a i l b a s e do nt h er e s e a r c ho fs c a i nt h eb a c k g r o u n do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt og e tr i do ft h ed e s i g ni d e a o r i e n t e df o ra p p l i c a t i o n w ec a nr e a l i z et h eg e n e r a l i z a t i o n m o d u l a r i z a t i o na n ds o f t w a r e t r a n s p l a n t a b l ec a p a b i l i t yo fh a r d w a r ep l a t f o r mb yt h eh i g h l ym o d u l a r i z e dc o m m o n s i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r mt of r e et h es e r v i c e so fc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tf r o mt h e h a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i ca n dl o a d i n gd i f f e r e n ts o f t w a r et oc o n f i g u r et o s y s t e m s d y n a m i c a l l y h e r e b ys a t i s f y i n g t h er e q u i r e m e n t so ft h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sa r t i c l ed e s c r i b e dt h es c as o m eb a s i cc o r er u l e h a so b t a i n e di t s e l ft os c a t h eu n d e r s t a n d i n g t h eu n i o nu n i f i e dt h e p l a t f o r mt ot h ec o r r e s p o n d e n c es y s t e m r e c o g n i t i o n t h er e a l i z a t i o no ft h ec o r ef r a m e w o r k a p p l i c a t i o no fc o r b a c o m m o n o b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e t h ed e v e l o p m e n to fw a v e f o r mc o m p o n e n ta sw e l l a ss o f t w a r e sc o n s t r u c t i o na n ds oo n h a v ec a r d e d0 1 1am o r ed e t a i l e de l a b o r a t i o n i n t h er e s e a r c hp r o c e s s f o l l o w st h es c as t a n d a r ds t r i c t l y u s e sc o n s t r u c t i o nw h i c ht h e e m b e d d e dp r o c e s s i n gm o d u l ea n dg e n e r a lp cu n i f y u t i l i z e st h eo b j e c t o r i e n t e d t h o u g h tt oc o n d u c tt h er e s e a r c ht op l a t f o r ms o f t w a r e sr e s t r u c t u r i n g o p e n st h es o u r c e i l 重慶大學碩士學位論文 英文摘要 s t o r e h o u s et h r o u g hw i n p c a p h a sr e a l i z e dp ca n db e t w e e nt h ee m b e d d e dp r o c e s s i n g m o d u l eh i g hs p e e dd a t ac o r r e s p o n d e n c e u n d e rt h ep ce n v i r o n m e n t t h r o u g hv i s u a l c h h a sr e a l i z e dt h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e c e i v i n ge n d a n dt h et r a n s m i t t i n ge n di ng s m w c d m aa n dw i m a xa n ds oo nu n d e rm a n yk i n d s o fc o r r e s p o n d e n c es y s t e me n v i r o n m e n ts o t t w a r er e s t r u c t u r i n a n dg i v e sp a r to ft h e r e l e v a n tc o d e sd u r i n gt h er e s e a r c h k e yw o r d s n e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h eu n i f i e dp l a t f o r m s o f t w a r ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e s o f t w a r er e c o n f i g u r a t i o n i l l 學位論文獨創性聲明 席 人聲明所 呈交 的歪址 士 學位論文 一麴三叢盈掣旺蝎主也鼉咎糾埏牡醒喙我個人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論 學位論文作者簽名 磅吟 導師簽名 簽字日期 簽字日期 洳7 石 4 z 7 6 j 學位論文使用授權書 本人完全了解重慶大學有關保留 使用學位論文的規定 本人完全同意 中 國博士學位論文全文數據庫 中國優秀碩士學位論文全文數據庫出版章程 以 下簡稱 章程 愿意將本人的一士學位論文 翹叢型耋鯔至隨聾幺墮勉避參緲枸芬哥呸 提交中國學術期刊 光盤版 電子雜志社 c n k i 在 中國博士學位論文全文數 據庫 中國優秀碩士學位論文全文數據庫 以及 重慶大學博碩學位論文全文 數據庫 中全文發表 中國博士學位論文全文數據庫 中國優秀碩士學位論 文全文數據庫 可以以電子 網絡及其他數字媒體形式公開出版 并同意編入c n l i 中國知識資源總庫 在 中國博碩士學位論文評價數據庫 中使用和在互聯 網上傳播 同意按 章程 規定享受相關權益和承擔相應義務 本人授權重慶大 學可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論文 可以公開論文的全部或部分內 容 作者簽名 紅 導師簽名 z 陽 7 年 月弓日 備注 審核通過的涉密論文不得簽署 授權書矗 須填寫以下內容 該論文屬于涉密論文 其密級是 涉密期限至 年一月一日 說明 本聲明及授權書蘭吻裝訂在提交的學位論文最后一頁 易 乙 重慶大學碩七學位論文1 緒論 1 緒論 1 1 課題的研究背景 1 1 1 問題的提出 近年來 3 g 技術逐漸步入人們的生活 4 g 的一些標準的制定也正在如火如 荼地進行 當新技術給大家帶來便捷的同時 我們也慢慢發現目前的無線通信系 統面臨著諸多困難 系統的設計主要圍繞硬件來展開 產品只是針對特定的標準 來開發和制造 每出臺一種新標準都要重新制造新的專用芯片 多種通信體制不 兼容 網絡覆蓋范圍有限 運營商初期投資過大 擴展升級能力有限等 其結果 不僅限制了新技術和新業務的使用 而且給制造商 運營商帶來更大的投資風險 給用戶帶來諸多不便 同時 由于各國的經濟利益 全球標準的統一又難以實現 標準的種類在不斷增加 造成頻率分配與管理更為困難 需要的頻率資源增加 多頻多模手持機制造困難 成本增加 一般而言 傳統的通信設各僅能滿足單模式和窄頻段的通信需求 不同通信 系統之間很難實現信息交互 通常只能采用組合式無線電的方式來實現 通過激 活硬件的不同狀態來完成不同系統之間的切換 這種組合無線電的體系結構需要 不斷的硬件擴展才能支持更多的系統 結果導致系統尺寸的無限膨脹 另外 隨 著技術的發展 用戶不得不因為設備的 落后 而更換通信設備 這些問題嚴重地 限制了用戶對通信業務的功能性需求 1 0 1 新一代無線通信系統 應該能夠兼容多種通信體制 具有軟硬件可重構的能 力 能靈活地根據網絡環境 通過軟件控制并調動各個模塊組件 動態構建不同 的通信系統 達到無縫切換模式的目的 這種無線通信系統與傳統無線通信系統 的不同之處 在于它以軟件無線電技術為支撐 采用軟件定義系統功能的方式 勿須引入新的硬件 即可改變運行特性或參數 如工作頻率范圍 調制類型 信 道編碼方式 帶寬 最大發射或輸出功率和體制協議等 1 1 2 國內外研究現狀 2 0 0 3 年7 月 i e e ec o m m u n i c a t i o nm a g a z i n e 集中報導了歐洲走向4 g 的研發 情況 1 1 發現隨著社會的進步和通信技術的發展 要求骨干網提供多種不同的接 入技術 使其能連接大量各種類型的終端 以滿足人們的需求 在各種網絡環境 中 從微微網到蜂窩網 以及衛星網等 每一種無線接入技術都能在基于公共的 i p 平臺上獨立地演進 以支持端到端的口連接 面臨的挑戰是核心網如何根據 用戶的需求和市場的演進方向提供各種無縫的無線接入技術 以及無線通信系統 如何靈活配置自己 達到對網絡環境的適應要求 重慶大學碩士學位論文1 緒論 為此 人們提出無線通信系統應該具有可重構性 使得它成為一種靈活實現 各種無線接入方式的手段 能在各種不同的環境中達到持久最佳的連接 并可優 化使用稀有的頻譜資源以及最有效的動態頻譜分配 例如 研究認為典型的b 3 g b e y o n d3g e n e r a t i o n 無線通信系統可同時采用一些不同的接入技術 蜂窩系 統技術 無線局域網技術以及廣播接入技術 對于跨越這些異種接入網絡的全m 的應用 應具有統一的網絡連接層提供i p 連網技術 通常 這種無線通信系統與 傳統無線通信系統的不同之處 在于它采用軟件定義系統功能 提供易于應用開 發的環境 勿須引入新的硬件 即可改變運行特性或參數 如工作頻率范圍 調 制類型 帶寬 最大發射或輸出功率和體制協議 這使得一個無線通信系統就能 通過可重構 實現多種調制 編碼和接入協議下的業務功能 目前 國內外電子信息領域對可重構技術在電子器件和芯片的研究和應用方 面已經比較普遍 例如獲得較為廣泛研究的有 可重構r f 2 1 可重構f p g a 3 1 可重構d s p 4 和 可重構企業信息系統 6 等 這些研究主要針對的是進行數字信 號處理的基本單元 通過設計實現其內部電路 達到賦予這些器件可重構能力的 目的 如何采用這些具有可重構能力的器件 構作可重構的電子信息系統 尤其 是針對無線通信網絡和無線通信系統可重構的研究還不充分 文獻 6 提出了一種適于有線通信分布式系統的系統重構算法 它根據出發 條件分別通過重新分配進程來消除節點失效 或通過轉移進程來均衡系統負載 每 隔一段較長的時間給出統計總表 對系統硬件的更新換代給出建議 保證了當分布 式系統的某些部分失效時 整個系統能夠繼續正常運行 同時還保證調整系統負載 使c p u 負載和網絡通信量相對平衡 該文獻針對的是一個假定的有線通信的分布 式系統 討論在其上實現可重構性的算法 對無線通信系統具有一定的借鑒意義 文獻 7 針對寬帶無線接入和第三代無線通信系統的需求 提出了一種兼容 w l a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 和w c d m a w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s 兩種無線通信系統的可重構軟件無線電結構 分析了混合系統中 可以重用的功能模塊 如f f t 模塊 提出了一些解決混合系統的頻率偏移 相位 噪聲 直流偏移 v q 失衡和非線性等失配問題的方法 并給出了這些方法的計 算機仿真驗證結果 文獻 8 采用混合可編程框架結構 提出并建立了一個承載i e e e8 0 2 1 l w l a n 和p h s p e r s o n a lh a n d yp h o n es y s t e m 兩種體制 支持體制間切換和空 中下載的實驗系統 該系統由c p u d s p f p g a 和輔助設備搭建而成 其m a c 層功能在c p u 上完成 p h y 層功能在d s p 上完成 高速數字信號處理在f p g a 上完成 采用了v x w o r k s 操作系統 通過對系統進行發射機頻譜分析 相關檢測 分析和誤幀率分析 評估了其p h y 層性能 通過對系統進行吞吐量和d s p 負載 2 重慶大學碩士學位論文1 緒論 分析 評估了其m a c 層性能 驗證了i e e e8 0 2 1 lw l a n 和p h s 在該系統上實 現的可行性 并發現專用可編程硬件芯片對于i e e e8 0 2 1 1w l a n 嚴格的實時性 要求是必須的 文獻 9 采用一種新的六端口結構的波導設備構作了軟件定義無線電試驗接 收機平臺 該平臺可運行在2 2 g h z 一 2 6 g h z 頻段 支持q p s k 和1 6 q a m 調制方 式 其射頻前端由低噪聲放大器 l n a 帶通濾波器 b p f 六端口連接器和 4 個功率檢測器構成 從功率檢測器出來的信號通過一組帶通濾波器和基帶放大 器后 進入d s p 部分完成基帶信號處理 如解調和解碼 基于六端口技術或多端 口解調器 完成了新的軟件定義無線電設計 直接解調架構 可以將信號直接從 射頻下變頻到基帶進行處理 使得接收機平臺可運行在毫米波頻段和寬帶多模框 架內 通過系統級的仿真和原型電路的搭建 驗證了將軟件定義無線電和六端口 設備結合起來 可以獲得靈活的系統配置 較少的系統開發工作量 潛在的系統 可重用性 從上述文獻所反映出的研究情況來看 將軟件無線電技術引入軟硬件可重構 無線通信系統的實現研究已經逐步興起 其表現如下 多模無線通信系統逐步受到關注 移動通信體制和無線接入體制的融合需 要軟件無線電技術的介入 采用現有商用可編程器件和設備搭建起來的多模無線通信試驗系統集中 反映了2 g 3 g 系統的需求 可重構方法研究開始從可編程器件本身 走向由可編程器件構建的平臺系 統 采用f p g a 和d s p 組合 快速總線配合c p u 的結構 是建立多模無線通 信平臺的重要而有效的手段 一些實驗系統開始采用材料工業所研究產生的新成果 新產品 如六端口 連接器 使得傳統軟件無線電面臨的難題 如直接射頻變換 開始得到解決 1 1 3 軟件無線電 面對無線通信系統軟件可重構的發展趨勢 各個國家對其進行了大量的研究 大部分專家認為 軟件無線電 s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o 簡稱s d r 將是一個解 決全球無線通信需求的方案 它將成為未來無線通信設備設計的核心所在 s d r 的基本宗旨是 利用數字信號處理技術代替現在主要的模擬信號處理 利 用智能天線 寬帶l 心器件 寬帶模數轉換器 a d c 及數模轉換器 d a c 通過通用 可編程處理器實現i f 基帶及比特流處理 因為用可重新編程的軟件代替了硬件模 擬電路 通過動態配置射頻 中頻 a d d a f p g a d s p 硬件和算法 并將軟件 對象分配到硬件組件中 使得軟件無線電可以在線改變自己的特性 重慶大學碩十學位論文1 緒論 s d r 以軟件方式實現各種空中接口 提供靈活的無線通信方式以便于實現靈活 的傳輸機制 協議和應用 它將模塊化 標準化的硬件功能單元通過 個通用的 硬件平臺連接起來 并且能夠通過軟件加載 動態組建各種不同的無線通信系統 這樣 無線通信新系統 新產品的開發將逐步轉到軟件上來 而無線通信產業的產 值將越來越多地體現在軟件上 由此可見 s d r 為我們新一代的無線通信技術的 發展指明了方向 并提供了強有力的技術支持 隨著近年s d r 的迅猛發展 人們 對使用s d r 的無線通信系統提出了如下的要求 s d r 設備可簡便快速的重新編程和重新設定 以支持任意傳輸形式的應用 和在任何頻率上的傳輸和或者接收 提高兼容業務的能力 不僅支持傳統的業務而且支持新業務 可以空中下 載新軟件 保證獲得新業務的服務 支持多標準的能力 支持多頻段多標準的無線通信系統 s d r 運營商能 在基本不更換基站硬件的條件下 實現系統的版本更新 標準更新及升級換代 通過軟件重構來定義出一個新的無線通信系統 在計算機互聯網時代 t c p i p 的出現屏蔽了異構網絡 上百種不同物理層結 構的網絡 的差異 而向上層提供統一的服務 真正的實現了網絡的互聯 從 而使i n t e m e t 的發展有了質的飛躍 同樣在無線通信領域 需要軟件無線電的軟 件部分 屏蔽 無線信號的差異 不同的硬件平臺結構 不同的信號特征 而向上 層提供統一的服務 數據 語音 圖像等 在軟件開發的過程中 要求軟件無線 電的軟件部分具有以下一些特點 采用模塊化結構 這樣一來高級的通信應用可以利用已有的低層的程序模 塊 軟件工程師不必將大量工作集中在系統設計的底層環節上 一些常用的程序 模塊都是現成的 避免了低水平的技術重復 降低了開發中無謂的浪費 軟件可重構 即在不同開發環境下開發的軟件程序可以應用于不同的硬件 平臺上 對硬件平臺要屏蔽軟件程序的開發環境 所有的軟件程序有統一的源代 碼 對加載軟件也要屏蔽由不同廠商開發硬件平臺所帶來的差異 具有多模式切換 互操作性 面向未來的移動通信終端 兼容多種通信體 制的功能必不可少 從而 要求我們的軟件可以靈活的檢測無線網絡環境 通過 軟件控制并調動各個模塊組件 重新組建一個新型的通信系統 達到無縫的模式 切換目的 而且要求軟件是可以互操作的 從而有利于模式切換的智能化發展 為了達到上述目的 軟件通信結構 s c a 應運而生 s c a 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 s c a 開發的產品之間的互通 首先提出s c a 的是聯合戰術無線電系統 j t r s 之后 s d r 論壇也開始接受s c a 規范 并正在把s c a 發展為商業應用的標準 4 重慶人學碩士學位論文l 緒論 1 2 研究的思路與方法 本文主要應用軟件無線電的研究方法 以s d r 為理論基礎 遵循s c a 規范 為了有效地實現軟件無線電的可重構性 可擴展性以及可互操作性 要求建立在 軟件無線電系統平臺上的體系結構必須順應其系統的內在特征 通過標準化 模 塊化和系列化的思路來構建整個系統 軟硬件可重構的新一代無線通信統一平臺 是由清華大學在國家 8 6 3 研究 項目中提出 其整體可分為硬件平臺和軟件平臺兩部分 硬件平臺采用嵌入式處 理模塊與通用p c 相結合的方式搭建 把多種無線通信體制集成到一個通用系統 結構中 由一個統一的硬件平臺來實現 通過軟件控制可編程邏輯器件和各個軟 件模塊 并根據需要實時動態構建不同的通信體制 從而達到在不同的網絡環境 下 多種通信體制來回切換的目的 統一平臺 采用開放式體系結構的設計理念 對整個無線電系統進行了層次 化分析 把整個系統按照不同的類屬性劃分為應用層 無線電基礎設施層和硬件 平臺層 每個層為系統提供一系列可以實現的功能 不同層次之間和同一層次之 內可通過相應的接口實現連接和交互功能 系統的開發者和用戶可根據規定的 公開維護的且易于使用的標準來構建這些各個層次的接口 無論是硬件還是軟件 與系統對應的相應層面都是相互獨立的 而且各層及其各個模塊要素保持了較好 的獨立性 能夠在不影響其他層的條件下進行改變 這樣的設計理念對于系統的 升級 對于提高同一系統在不同環境中的互操作性都是很有用的 為了提高軟件模塊的重用性 在設計中采用了大量面向對象的方法 將具有 相同功能屬性的一系列現實對象從客觀世界中抽象出來 并用這些抽象出來的類 去定義對象 運用對象層次結構的特征和諸如類的繼承 類的重載等方法提高軟 件組件的重用性 如把波形應用程序描述為對象 并且典型地將其分解成更小的 功能對象 這樣就提高了代碼的可重用性 1 3 本文的研究內容與目標 1 3 1 課題的內容 隨著3 g 系統的逐步商用 移動通信領域面臨著的多種通信體制不兼容 系 統靈活性不足和擴展升級能力有限等問題越發突出 為了實現無所不在的 高質 量的 高速率的 多媒體的信息傳輸目標 利用軟件無線電技術 通過系統的可 重構來適應不同的通信體制是有效途徑之一 統一平臺體系結構包括 硬件結構 軟件結構和規則集等基本的部件 通過 它們將把各種無線通信體制集成到一個通用系統結構中 由一個統一的平臺系統 實現多種體制的功能和業務 5 重慶人學碩七學位論文1 緒論 本文討論的主要內容有 本課題研究的背景 課題研究的思路與方法 以及通過研究希望達到的具 體目標 軟件通信體系結構 s c a 的概念 發展情況 實現目標 結構特征以及 基本構成 對 新一代無線通信統一平臺 進行軟硬件結構全面的分析 重點介紹了平 臺的軟件體系結構 詳細介紹了平臺軟件重構所涉及的各個關鍵技術 具體描述了軟件重構的 過程 最后 根據對新一代無線通信系統的軟件重構的理解 進行實際編程驗證 得出了相關結論 并對全文進行了總結 1 3 2 研究目標 本文旨在通過理論研究和實驗驗證結合的方式 得出適合新一代無線通信的 軟件可重構的統一平臺結構 重構機理 軟件配置 軟件加載和工作模式切換方 法 驗證所提出的軟件可重構的新一代無線通信統一平臺的可實現性 同時 通 過搭建的實驗驗證系統 結合所提出的理論方法和現有軟硬件設備 完成與實現 軟硬件可重構的新一代無線通信統一平臺相關的研究 6 重慶大學碩士學位論文2 軟件通信體系結構 2 軟件通信體系結構 2 1s c a 概述 軟件通信體系結構s c a s o t t w a r ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e 是在美軍 j t r s 美軍聯合戰術無線電系統 計劃中提出 為開發未來的戰術無線通信系統 而發布的 s c a 為無線通信系統的設計和開發提供了詳細的規范 建立了獨立于 設備的結構框架l l5 在s c a 規范中定義了無線電系統的硬件結構 軟件結構 安全結構以及公共服務和配置 其目的是要保證軟件和硬件的可移植性和可配置 性 并確保根據s c a 開發的產品之間的互通 s c a 是s d r s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o 的一種實現方式 它在不同的層面對 硬件和軟件進行詳細地定義 使系統具有組件的可移植性和廣泛的復用性 因而 非常有利于無線通信系統的快速開發 目前 s d r 論壇已經把s c a 作為開發商 用s d r 產品的標準 截止到2 0 0 4 年 s c a 已經推出了3 0 版本 從內容上劃分 s c a 規范包括闡述軟件通信體系結構的主要文檔和相關附錄 文檔 附錄文檔有j t r s 定義的應用環境描述體 a e p 以及域描述體 d p d o m a i n p r o f i l e 描述體包含協議信息 s c a 規范的附錄文檔還包括波形配置的應用程序 接口 服務定義a p i 安全性說明 r a t i o n a lu m l u m l u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e 文檔 以及配置管理文檔 從邏輯上劃分 s c a 由硬件結構 軟件結構和規則集三個基本部件組成 s c a 使用面向對象的開發方法 定義了一個標準的 開放的 可互操作的軟件平臺 實現了底層硬件與上層應用軟件的相互隔離 s c a 使用聯合建模語言u m l 對接 口進行描述 使用接口定義語言 i d l i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e 對接口進 行定義 這兩種語言都使用標準的軟件開發工具 使得在結構定義完成后可以直 接進行產品開發 從層次上劃分 s c a 體系結構包含 系統硬件平臺 資源管理層 操作系統 核心框架 c o r b a c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e 中間件以及應 用層波形組件 基于s c a 的軟件開發 要受到c o r b a 的接口標準和軟件框架結 構的限制 采用該軟件體系結構主要有三個優點 1 開放式的體系結構 可以最 大化利用現成的商業產品并易于新技術的注入 極大地提高了系統的擴展性能 2 通過開放式的分層結構將上層應用與底層硬件分開 保證了應用軟件與設備無 關性 3 通過中間件技術提供分布式的處理環境 增強了軟件的可移植性 重用 性和擴展性 l 4 1 需要注意的是s c a 并不是 個 完整 的系統設計規范 它只是為實現軟件通 7 重慶人學碩七學位論文2 軟件通信體系結構 信結構的總體目標而制定的一系列約束系統設計的規則 因此也可以說s c a 不是 一個關于實現的設計規范 它并沒有告訴軟硬件設計者如何去設計硬件設備和軟 件程序 它僅僅是通過標準化的定義來確保總體目標的實現 系統設計者們必須 按照s c a 中的定義來研發系統 以確保與基類共用結構的統一 滿足各領域系統 標準化要求 s c a 規定了必要的約束條件 但是并沒有限制結構的創新或在專用 領域的要求 專用軟件通信結構的實現框架是由專用域的技術規范方案以及其他 相關的技術組合而成的 l0 1 基于s c a 的無線通信系統的軟硬件體系結構設計是以s c a 規范為基礎 采 用面向對象的設計思想 按照具有統一接口的 類 的模式來組織 整個系統的邏 輯結構如圖2 1 所示 4 2 1 一一 一 信源編碼卜 一 龜 鬣 模式識別一0 u 帳 尹囝 網口數據 一 通信 核心框架c f g 擴 一 7 7 7 綴 操作系統 l 圖2 1s c a 邏輯結構簡圖 f i g 2 1l o g i c a lo r g a n i z a t i o nd i a g r a mo fs c a 在該體系結構中 系統的配置與管理以及各功能組件間的交互是通過已定義 的標準a p i 接口實現的 其通信的軟總線為c o r b a 從而使得 類 的內部實現 方式變化 即硬件或軟件的升級換代 不會影響系統的總體結構及其它模塊的設 計 在具體實現時 該體系結構允許通過加載不同的編碼對象 交織對象 調制 對象 上下變頻對象來實現在不同通信模式 不同通信頻段問的靈活切換 支持 軟件的下載和安裝 以及各種設備或組件的動態配置 并通過基于c p c i 的總線 控制技術實現信道處理模塊 基帶處理模塊 中頻處理模塊的互連 使得系統硬 件平臺具有開放性和易伸縮性 為硬件模塊數目的擴展和新的通信模塊的研制提 供支持 可見 該體系結構是一種基于計算機技術 總線控制技術 高速 c p u d s p f p g a 等可編程芯片技術 以軟件為核心的嶄新的無線通信系統體系結 8 重慶人學碩七學位論文2 軟件通信體系結構 構 軟件通信體系結構需要實現八個目標 4 i 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 支持多種環境 根據s c a 生產的通信系統必須支持多種運行環境 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 多波段多模式 根據s c a 生產的通信系統要能取代目前使用的各種頻帶 的無線電 從2 m h z 到2 g h z 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 與現有系統兼容 新系統要與現有系統兼容 并要減少與現有系統集成過 程中的相互影響 新技術的引入 新技術可以隨時隨地引進到系統中 提高系統性能 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 保密性 s c a 結構必須解決戰術通信系統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 網絡化 除了支持傳統的網絡協議 s c a 必須支持新出現的寬帶組網能 力 包括語音 數據和圖像 軟件重用 通用的波形軟件 s c a 應該最大限度地實現軟件重用 在各種 不同的實現方案中 允許使用通用的波形軟件 2 2s c a 硬件體系結構 由于按照軟件通信結構設計的無線電系統是一個以軟件為核心的無線電處理 平臺 這就意味著該平臺必須反映出軟件無線電可重構和一可擴展等一系列重要 的特征 這就使得采用的系統硬件必須具備通用性以滿足新技術及其軟組件的加 載 更新或整體結構的擴展 而不能只是針對某種特定功能來設計 因此 軟件 通信結構的硬件構架并沒有規定專門的硬件結構 而是采用了面向對象的方法劃 分各個功能組件的類模塊 并規定與硬件設備相關聯的各種屬性 這些應用功能 可以由硬件也可以軟件來實現 在運行時 依據這些屬性把軟件資源分配給相應 的硬件設備 從而使軟件通信結構能支持軟件通信結構兼容系統的重構要求 能 進行動態的軟件波形加載或者空中加載 軟件通信結構的硬件分成機箱和模塊兩大類 機箱類包含的屬性都是關于與 軟件通信結構相兼容的硬件所具有的物理硬件屬性 例如設備名稱和序列號等硬 9 重慶人學碩士學位論文 2 軟件通信體系結構 件模塊類的子類包含更多特定的功能屬性 而每 個子類都有特定的類型對象 其中包括射頻類 調制解調類 處理器類 信息保密類 輸入輸出類 電源類 類 頻率標準類 公共系統連接類以及天線類和同機部件類等子類 1 0 l 圖2 2 硬件模塊類結構圖 f i g 2 2s t r u c t u r ed i a g r a mo f h a r d w a r em o d u l ec l a s s 父類 硬件模塊 類的子類 射頻類 的子類 軟件通信結構硬件框架定義了與硬件設備有關的屬性以及在為硬件資源分配 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 通 過屬性的注冊實現對系統的重載 之所以采用這種方式來定義硬件是由于不同的 場合對硬件的要求差異非常大 因此很難用一個統一的硬件來實現所有的功能 如果采用面向對象的方法對硬件進行描述 即硬件類 c l a s s 那么所有不同域 的硬件就可以比較容易地包含在一個框架中 該框架也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差別 劃分類的重點在于把系統分成不同的物 理單元以及把這些單元組成一個功能單元 硬件模型類從與以相兼容的硬件那里繼承系統級屬性 硬件模型以下的類從 硬件模型中繼承類屬性 不同的屬性值滿足不同的要求 可以在實現過程中進行 選擇 硬件設備 即類的物理實現 具有相應的一物理平臺環境和設備性能要求 的屬性值 一些屬性由設備配置文件給出 用于產生波形應用程序 核心框架 c f 可以解讀設備的配置文件 插槽類具有獨立的物理結構 接口 供電和擴展環境 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 硬件模塊類 的繼承關系如圖2 2 所示 基于s c a 的無線通信系統是一個以軟件為核心的無線信號處理平臺 硬件結 構必須通用化 即硬件設備不能針對某個特定的功能而設計 而是設計成可擴展 的通用平臺 通過加載不同的功能軟件實現特定的功能 基于s c a 的無線通信系 統的硬件體系結構如圖2 3 所示 l o 重慶人學碩士學位論文2 軟件通信體系結構 硬件模塊主要包括 天線 射頻前端 中頻處理 基帶處理 信道處理 信 息安全 數據處理 輸入輸出 紅邊電源和黑邊電源 出于電磁泄漏和信息安全 的考慮 這些模塊被分布在紅邊和黑邊兩個區域 并通過對不同設備采取不一樣 的處理措施 以有效地抑制設備的信息泄漏 紅邊和黑邊內部模塊間可以通過標 準總線 c p c i 等 進行連接 構成類似于計算機的通用硬件體系結構 1 4 1 圖2 3s c a 硬件體系結構圖 f i g 2 3s c a h a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r ed r a w i n g 2 3s c a 軟件體系結構 2 3 1 軟件體系結構簡介 為了保證硬件的通用性和整個系統的開放性及可擴充性 軟件體系結構非常 重要 在i s o o s i 七層模型的基礎上 參照s c a 規范 建立了無線通信系統的軟 件體系結構 如圖2 4 所示 基于s c a 的無線通信技術研究 旨在擺脫傳統的面向用途的設計思想 通 過一種高度模塊化的通用信號處理平臺把各種通信裝備提供的業務從基于硬件特 性 頻段 信道帶寬 信道編碼等 的方式中解放出來 通過裝載不同的軟件來 動態配置系統的功能 實現系統硬件平臺的通用化 模塊化和軟件的可移植性 從而適應新一代無線通信系統的需要 推動軟件無線通信技術的發展 軟件體系結構定義了一個操作環境 0 e 該操作環境包括了集成在一個s c a 實現中的一組核心框架服務和基礎軟件 包含板級支持包 操作系統和服務 c o r b a 中間件服務等 總線層 板級支持包b s p 軟件結構要求能在商業總線上操作 同時o e 需要可靠的傳輸機制支持 這 重慶大學碩士學位論文2 軟件通信體系結構 就意味著需要在總線層次上支持錯誤的檢測和糾正 目前 可能的總線包括v m e p c i c o m p a c t p c i f i r e wi r e i e e e 2 1 3 9 4 和e t h e m e t 另外 o e 不排除在紅 黑子系統中使用不同的總線體系 這就使諸如紅區采用v m e 總線而黑區采用 c p c i 總線的情況成為可能 增強了系統的通用性 j e c o r b a 一m o d e m 組件 j l 礪薊f r f a p q e c o r b a 安全組件 霉磐盧 一些竺絲堡p 讎l 徽 鏈 羔 安全組件0 篡組件i l 適配器 層組件 u 適配器i l1 8 1 適配器 c o 貼a o r b lc f 服務 e 塑鹽 l 應用程序 i 中聞件 l 二 4 操作系統 孵漿羧翔褳臻接口疆努 褫綴受