基于软件通信体系结构的OFDM波形实现

作者：陈雪莲 施俊武 魏急波

欢迎访问e展厅 展厅 2 手机/通信/网络设备展厅 手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ... 摘要：探讨了软件定义无线电开放的软件通信体系结构（SCA），实现了其核心框架，在此基础上给出了OFDM波形应用的开发过程，这些都为以后其他波形应用的开发提供了基础。 关键词：软件无线电;正交频分复用；波形；软件通信体系结构；核心框架 OFDM Waveform Implementation Based on Software Communication Architecturet CHEN Xue-lian1，SHI Jun-wu2，WEI Ji-bo2 (1.The 57th Research Institute of the General Staff Headquarters,Chengdu 610041,China; 2.Department of Electronic Science and Engineering,National University of Defence Technology,Changsha 410073, China) Ａｂｓｔｒａｃｔ：This paper discusses the open Software Communication Architecture(SCA) of Software Defined Radio(SDR), implements Core Framework of SCA, and gives the development of OFDM waveform application . All these provide a reference of the new waveform development. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Software radio;OFDM；Waveform；Software communication architecture(SCA);Core framework 一、引言 软件定义无线电（SDR）是指可用软件控制和再定义的电台，在通用的硬件平台上，加载不同的通信软件以实现不同的通信模式和功能。由于功能的定义和实现由软件完成，所以可以通过配置不同的参数来支持不同电台系统互连互通；通过装载不同软件来动态配置系统功能，这使软件定义无线电具有很强的可移植、可重用和互操作性。 软件通信体系结构（SCA）是由美国的联合战术无线电系统（JTRS） 的JPO（Joint Program Office）发布的，它为建立一系列跨越多个领域的无线电台定义了开放的通用体系结构。符合SCA规范的软件无线电台具有很强的灵活性和互操作性，便于提供不同设备间应用软件的移植，可以使用广泛的带宽，很容易实现技术升级。 文章重点探讨了SCA的软件体系结构，并在此基础上给出了目前宽带无线数字通信领域的研究热点之一正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM) 波形应用的设计和实现。 二、SCA的分析 SCA是一种开放的通用体系结构，它定义了一个标准的、开放的、可互操作的软件平台。通过该软件平台，底层硬件与实现波形功能的软件相互隔离。SCA由操作环境（OE）、核心框架（CF）、CORBA中间件和POSIX-based操作系统（OS）组成。SCA中的核心框架（CF）是应用层接口和服务的基本“核心”集，为波形软件设计者提供底层软件和硬件的抽象，为波形应用组件的开发提供基本的接口和服务，并提供对整个波形应用的安装、卸载、操作、配置和管理等。CF主要由基本应用程序接口、框架控制接口和框架服务接口等组成。 基本应用程序接口向应用层提供服务，应用层和框架控制接口通过调用基本应用程序接口来装配应用程序，它包括的接口有Port、LifeCycle、TestObject、PropertySet、PortSupplier、ResourceFactory和Resouce。框架控制接口提供了对系统的装配和控制接口，分为域管理接口和设备管理接口：域管理接口包括Application、ApplicaitonFactory和DomainManager；设备管理接口包括Device、LoadableDevice、ExecutableDevice、AggregateDevice和DeviceManger。框架服务接口提供日志、时间、文件系统等服务，包括Log、File、FileSystem、FileManger和Timer等。CF使用域描述文件来描述系统中的组件，域描述文件采用XML语法，描述硬件设备和软件组件的标示符、属性、相互依赖关系、位置，它包括软件包描述文件（SPD）、软件组件描述文件（SCD）、软件装配描述文件（SAD）、设备包描述文件（DPD）、设备配置描述文件（DCD）等。 三、CF的设计与实现 SCA的核心框架（CF）采用CORBA的IDL语言定义。 系统实现了核心框架的ResourceFactory、ApplicationFactory、DomainManager、DeviceManager、File、FileSystem和FileManager。 Application、ApplicaitonFactory和DomainMaanger接口的实现必须是捆绑在一起的，作为一个完整的域管理应用和服务来发布。Application接口提供了对域内实例化应用程序的控制、配置和状态查询，其releaseObject操作实现为释放应用程序实例化过程中所分配的计算资源，并释放与应用程序相关的Device。Application继承自Resource，一个创建了的应用程序实例可以包含Resource组件或是非CORBA组件。ApplicationFactory采用工厂设计模式，实现其创建接口以在域内创建一个指定类型的Application，传入的SAD参数指明了创建的Application的类型和组成。DomainManger用来控制和配置系统域，包括人机界面、注册和CF管理3类接口。人机界面用来配置域，初始化维护函数；注册操作用来在启动时注册、卸载DeviceMangers、Devices、Services和Applications，或在运行时注册、卸载动态device、service和application。ResourceFactory采用工厂设计模式，实现了其创建和销毁Resource的操作。 File、FileSystem和FileManager也是作为一个完成的文件服务来实现的。File接口提供了基于CF的、分布式文件系统中文件的读写功能。系统实现了File接口的文件的读、写、关闭、设置文件指针等操作。FileSystem接口提供了远程物理文件访问的服务，它定义了文件的创建和打开操作，可以方便地完成对远程文件的访问和控制。FileManger继承自FileSystem，多个分布式的FileSystem可以通过FileManager进行访问。虽然实际文件存储可能跨越不同的物理文件系统，但FileManager接口屏蔽了它们的差异性。这是一种联合文件系统，是通过FileSystem的mount和unmount操作来实现的。用户对文件的各种操作，由FileSystem委派给具体的文件系统来完成。 域描述文件解析器自动解析域描述文件，向ApplicationFactory、ResourceFacorty、DomainManger等提供软件组件或硬件设备逻辑组件的属性信息。应用程序工厂和装配器等根据解析出的属性信息建立或断开组件间的连接，装载或卸载组件等等。 对于所有的波形应用程序，核心框架是相同的，它最大限度地保证了软件组件的可重用、可扩展性。所有应用程序都可以使用核心框架提供的文件服务；每个新的波形应用程序，不需要改变核心框架，只要继承其Application接口，实现其特定的操作即可；由于应用程序由Resource和Device组件装配而成，当引入新的算法、新的硬件时，只需要创建新的Resource和Device，用以替代原有的对象，并书写新的域描述文件，不需要对其他组件及应用程序做任何改变。 四、OFDM波形应用的设计 波形是指为了实现信息的无线传输而对信息所采取的一系列变换，一般包括无线通信双方为实现信息传输而采用的所有协议。软件平台通过加载软件模块来完成各种波形功能，这些模块称为组件。一般地，一个波形一般由调制解调、链路、安全、网络等组件来实现器完整的功能，简单的波形也可能没有链路组件和网络组件。正交频分复用是一种在多个相互正交的子载波上并行传输数据的方法，使用快速傅里叶变换（FFT）实现调制与解调，它在移动高速数据传输中具有抗多径干扰等突出的优点，因此被广泛应用于各种无线通信系统，例如无线局域网、数字声广播（DAB）与数字视频广播（DVB）中。 整个OFDM波形系统采用软件无线电的设计思想，完成两台计算机之间的双工数据通信的功能，其架构图如图1所示。 1.波形服务器模块 波形服务器模块上运行了实时操作系统、CORBA、核心框架、波形协议组件和波形相关组件，主要负责管理系统中的硬件设备和软件组件，包括对系统中软硬件资源的配置、控制、管理，通信波形加载，人机界面操作等功能。波形服务器模块通过系统总线与其它模块进行通信，并且接受用户的操作、控制和配置命令，完成对整个系统的管理和控制。 波形服务器模块对系统内软硬件资源的管理主要是通过软件来完成的，所涉及的模块主要包括核心框架、域描述文件解析器、系统引导模块、波形加载与运行支撑组件、可加载设备组件、可运行设备组件、协议处理组件等。控制台对域中的各种设备、组件、波形等的操作控制和配置管理主要是通过域管理器组件来完成的，域管理器组件是系统软件中的核心部件。 波形服务器模块中的接口主要分为2种：一种是给用户操作、控制、配置和管理所提供的接口；另一种是与域管理器进行互操作的接口，它通过调用域管理器中的相关方法，获取域内资源、设备、组件、波形等的操作控制权，完成相应的配置与管理功能。波形服务器模块所要完成的功能主要包括系统的启动与关闭、安装/卸载波形应用、启动/停止波形应用、管理已注册的波形应用、显示系统中组件或设备的属性信息、对域内设备或组件的配置、管理日志信息、操作文件系统等。 2.子设备模块 OFDM波形应用由4个部分组成：接入控制设备（ControlDevice）、基带处理设备(ModemDevice)、模拟前端设备(AD/DADevice)和射频设备(IF/RFDevice),其UML类图如图2所示。 PropertySetOperationImpl实现了PropertySet接口，DeviceOperationsImpl实现了Device接口，ExecutableDeviceOperationsImpl实现了ExecutableDevice接口，子设备ControlDevice、ModemDevice等继承自ExecutableDeviceOperationsImpl，作为硬件设备的逻辑代理，内部保存了使用状态、管理状态和操作状态的信息，设备间通过Port端口建立连接并传输数据。DeviceManager根据设备配置描述文件注册、卸载、连接和部署设备，每个设备的功能都是双向的，即可以用于发送，也可以用于接收。波形服务器模块对分布在系统总线中的这些设备进行统一的管理，并通过处理器运行的核心框架接口与用户控制配置终端进行通信。 整个OFDM波形系统结构如图3所示。 各个设备的功能如下： (1)接入控制设备 接入控制子系统加载在SCA系统的ControlDevice上，它实现了有线接入与无线传输的网桥功能，完成以太网（IEEE802.3）数据与无线局域网（IEEE802.11）数据的桥接与转换。 (2)基带处理设备 基带处理子系统加载在SCA系统的ModemDevice上，它与接入控制模块进行数据交换，完成OFDM调制解调与编译码，将调制后的基带信号送到模拟前端模块，或将解调后的数据比特送到接入控制设备。 (3)模拟前端设备 模拟前端子系统加载在SCA系统的AD/DADevice上，一方面它接收来自基带处理模块调制后的数据，进行数模转换并上变频，输出的模拟信号再经声表滤波器后放大进入下一级射频模块。另一方面它也接收来自射频模块的信号，完成中频信号的采样和数字下变频，在FPGA中完成载波和符号同步算法，将采样数据送到下一级的基带处理设备。 (4)射频设备 射频子系统加载在SCA系统的IF/RFDevice上，它完成的功能就是将完成调制的中频信号搬移到射频波段上，或者将空中的接收信号下变频到模拟前端所需的中频波段上。 OFDM波形应用继承自Application接口，由ApplicationFactory创建。ApplicaitonFactory根据软件装配描述文件查找并验证各个Device组件，分配资源，设置状态，建立Device间的连接，最终完成应用程序的装配。 五、SCA的优点 (1) 代码重用性 核心框架的实现能够被任何一个符合SCA的无线电系统使用。我们把整个实现设计为两层。里层包括由CF.idl产生的代码，这是在SCA定义的接口的实现代码。里层代码组成了项目代码行的80％。外层是由OFDM.idl产生的特定应用的代码。由SCA组件使用的一般函数是在里层所实现。用来实现一个特定波形应用的类大多继承于里层类，那么它有权使用里层定义的操作并且重新定义或者加上了它自己的操作。这种继承关系提供了可重用性，并且，派生自CF的组件能够被不同的波形所重用。这都大大地增加了代码的可重用性。 (2) 互操作性 在我们的无线电台系统里的互操作性大部分是由CORBA中间件来提供的。在已经很好地定义了接口的前提下，那些组成一个系统的组件能够被其它的一些开发者编写的组件而替代，运行在不同的平台上的组件能够无缝地互操作。此外，一个应用是由相互连接的可动态插拔的部分组成，这些部分是被定义为Resource，并且相互之间通过Port来连接。一个Resource能够被看成一个黑盒子，另外一个有着完全不同功能行为的Resource只要有着相同的Port行为，就能够被用来置换。在实际工作中，可以通过使用另一个Device来置换一个ModemDevice来产生不同的波形，并且也能够通过重定义执行在一个Device上的二进制代码来改变一个Resource的功能。这使得SCA兼容的无线电台进一步地提高了互操作性并且便于技术升级。 六、结束语 软件定义无线电使我们能够建立一系列可重用、可互操作的无线电台，可以迅速地进行技术升级。SCA正是为软件定义无线电定义了开放的体系结构，并且在这个结构下实现兼容的无线电台进一步地提高了可重用性、互操作性以及便于利用软件的更新来实现技术升级。我们详细分析了SCA2.2版本的体系结构和OFDM波形工作流程，在此基础上实现了其核心框架，并完成了OFDM波形的具体实现。 SCA作为一种实现软件无线电的开放的通用体系结构将会不断发展，文章给出的其核心框架的实现及OFDM波形为例的应用开发过程，对规划和设计新一代无线电台有一定的参考价值。 参考文献 ［1］Modular Software-programmable Radio Consortium. Software Communication Architecture Specification(Ver sion 2.2)［R］.Washington: JTRS Joint Program Office，2001. ［2］Modular Software-Programmable Radio Consortium.Support and Rationale Document for the Software Communications Architecture Specification (v2.2) ［R］.Washington: JTRS Joint Program Office，2001. ［3］Raytheon.Joint Tactical Radio System (JTRS) SCA Developer's Guide［Ｒ］ . Washington: JTRS Joint Program Office，2002. ［4］Michi Henning Steve Vinoski.Advanced CORBA Programming with C++［M］.Addison Wesley Longman Inc.,1999. ［5］G Booch, JRumbaugh, I Jacobson,et al.The Unified Modeling Language User Guide［M］.Addison Wesley Inc.,1999.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/22/2005)