新一代衛星通信系統的SDR演進與實現研究

宋騰輝 王利軍 張永飛 劉昊 王峰

【摘要】通信技術已進入5G時代，高通量通信網絡即將普及，伴隨著網絡容量的大規模提升，通信設備的種類將急劇增多，網絡中通信體制、調制方式、調制帶寬等通信技術的組合更加靈活，專一或者專用通信體系即將打破。傳統專用通信設備供應商將面臨巨大的挑戰，逐漸出現設備體制難以兼容、淘汰速度加快、設備硬件架構類型太多、維護成本太高等問題。因此，采用便于維護的通用平臺是一種相當經濟的解決方案，而軟件定義無線電平臺，具有良好的通用性、擴展性和靈活性，能夠兼容衛星廣播、無線通信、電子對抗、微波探測等不同應用類型。本文以衛星通信平臺的為典型應用案例，提出一種可直接部署衛星通信的SDR平臺的實現方法。

【關鍵詞】軟件定義無線電;SDR;架構設計;通用平臺

中圖分類號：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03..001

在多體制通信時代，專用通信設備面臨體制兼容、升級復雜、維護困難等問題，更重要的是成本高、淘汰快。而軟件定義無線電（SDR，Software Defined Radio）提供了一種新的設計思路和設計理念，即采用超前定義的一種通用架構的硬件，以軟件升級實現功能擴展，這是一種有效而且相當經濟的解決方案。SDR技術可以使整個系統（含用戶終端及網絡）采用動態的軟件編程技術對設備特性進行重配置，換句話說，相同的標準硬件可以通過軟件重新定義來支持不同的應用功能。本文引出一部分SDR SCA（Software Communication Architecture）規范的設計分析，以通用SDR硬件平臺為主要討論點，基于多種專用衛星通信平臺開展論證，旨在設計一種支持多模式、多頻段、多功能的通用信息處理平臺。本文提及的通用SDR硬件平臺特別適用于VPX和LRM機箱架構。

1. 架構對比與演進思路

衛星通信中的信道設備，主要實現空間站或者地面站對無線信道中衛星信號的信息處理，涉及天線、功放、信號采集、信號處理、應用處理和應用管理等硬件設備。衛星通信設備與常見的SDR設備架構存在差異性，本文提出一種三層架構的劃分方法，更加簡明的給出不同種類衛星通信設備向通用SDR平臺的演進思路。

SDR的理念是一款通用平臺能夠實現各類通信體制的功能。SDR涉及多方面內容：天線、中頻、基帶的可編程實現;射頻直采、數字濾波、數字信道化等;多MODCOD調制編碼方式等;顆粒度劃分，軟件組件封裝、硬件顆粒封裝;波形管理，波形重構、重構時間等。換一個新視角來看，SDR是在討論一種三層架構的通用系統設計，如圖1-（a）所示，其底層為信道處理單元，負責信號的接入和處理;中間層為控制單元，完成組件的封裝、組件控制等;最上層為應用層，即用戶接入的應用處理單元，完成整個系統管理和應用波形部署。對應于這三層劃分，SDR的異構處理器分為三類：信道層采用專用處理器，例如FPGA、DSP;控制層采用實時處理器，例如PPC（PowerPC）;用戶層采用通用處理器GPP（General Purpose Processer），例如x86 CPU。各自功能如圖1（a）中所示。

衛星通信的硬件平臺架構，如圖1-（b）所示，根據通信功能也可以抽象為三層：應用層使用PPC/ARM處理器來實現，運行Linux系統，實現IP加速，;主控層采用PPC和實時操作系統Vxworks來實現，負責多媒體業務的訪問控制;信道層，與SDR底層基本一致，完成信號接入和信號處理。

通過三層架構劃分，可以看出衛通設備和SDR平臺具有架構的相似性，理論上可以將SDR的軟件設計直接移植到衛通設備上。但是，多類專用的衛星通信設備所涉及的處理器、軟件版本多，直接部署SDR到各類衛星通信設備面臨針對不同類型平臺的重復性軟件架構開發，與SDR的設計理念相去甚遠;而且，各類衛通軟件都是因型而異，自定義軟件架構、接口標準等，將現有的軟件程序融入SDR SCA架構是一個繁瑣的工作過程。值得關注的是，SCA提供了一種通用封裝方法，即使用MHAL（Modem Hardware Abstract Layer）對硬件或總線接口統一封裝，實現標準化處理;此時，上層應用開發人員只關心標準接口的調用和處理，不再關心平臺硬件的差異性，而且硬件設計、SCA架構設計、應用程序設計可同時開展。針對上述衛星通信設備向SDR衛星通信設備演進的各類問題，下文將討論衛星SDR通信設備的約束原則和實現方法。

2. 設計原則與實現方法研究

由于存在攜行、機載、車載設備等站型，衛星通信設備種類較多，每種型號需要不同的專業維護人員;隨著設備種類的增加，出現人員缺、成本高等問題。首先，要解決平臺種類多的問題，提出一種共用的三層硬件平臺，以適應多數應用場景。

SDR的設計原則是多層架構涉及的異構處理器（GPP/PPC/ARM/FPGA）款型盡可能保持固定和統一規劃，統一操作系統版本、總線/接口類型，必要情況下統一接插件選型。由于處理器、操作系統和應用程序之間的耦合性較高，操作系統小版本號變更也可能會引入應用移植的兼容性問題，而且實時操作系統版本證書價格昂貴、每個版本需要單獨購買，所以，根據上述設計原則，提出一種通用SDR平臺，以部署衛通波形為案例，進行系統設計分析。圖2給出了衛星通信的通用SDR體系架構實現方案圖。

根據圖2總結的現有衛星通信架構向SDR架構演進所面臨的技術路線，給出了一種衛通SDR平臺的實現方法，如圖3，給出了核心器件種類、OS版本及各類必須的總線接口。

衛通SDR平臺的可編程性、功耗、性價比等優點突出。該平臺的核心處理器選型，以高性能和自主可控為首要依據，支持多波形重構、可編程能力;三層架構每一層都具有CPU，使得該平臺可以靈活支持SCA框架中的組件管理。平臺支持高性能的總線拓撲實現，以太網、高速SRIO可以支持交換架構，可以實現三層架構間的高速數據交換。

衛通SDR平臺內外的互聯總線選型比較考究，應盡量減少總線類型，還要兼顧傳統設備的兼容性。提煉多類型設備的共性接口類型后，通用平臺選擇了RS232、RS485、工業以太網、SRIO總線為主要接口總線。雖然，現階段SRIO鏈路標準協議不足夠完善，不具備以太網自動協商和熱插拔技術，但其通過合理的應用層設計后可以完善自動互聯功能，是繼以太網之后最具競爭力的高速總線接口;通過選擇SRIO接口作為高速互聯接口，使得SDR通用平臺支持高速交換架構和具備下一代產品的接入能力，拓展了其通用性。

根據傳輸總線類型，本文研究了SDR平臺的功能布局和顆粒度劃分的實現方法——三層分割。衛通平臺總體趨勢向小型化和通用化演進（LRM/VPX 3U標準、6U標準板卡等）;硬件顆粒度劃分，直接決定平臺模塊的繼承性和互聯性;通用總線的引入，可以使得各層模塊的升級具備獨立的更換性。如圖3，新型設備的內部模塊設計應盡可能按照本文提出的三層架構進行軟件-硬件功能顆粒度設計，以具備通用性、擴展性。

SCA軟件架構設計和處理能力優化。SCA2.2.2規范架構自提出以來，并未提供公開的性能指標，很顯然其實時性較差;本文從三層架構的顆粒度劃分上規避了高速采樣數據（舉例，48MSPS采樣信號的IQ數據吞吐量高達4.608Gbps）直接進入處理器或者中間層數據交換的情況，采樣數據被約束在信道層，采用FPGA將實時信號處理能力提升到極致。以高速時分多址衛通應用為例，其對實時性能和吞吐帶寬要求較高;而SCA MHAL交換速率很難超過3Gbps的業務能力，不支持高達48MSPS/4.608Gbps數據流交換，且不適合實時時分數據處理。為解決該問題，采用信道層設計解決了48MSPS采樣數據到基帶數據轉換處理，使用信道層完成基帶幀到實時時分包收/發處理方法，將對實時性要求不高的低速率基帶幀設計為MHAL層傳輸的數據內容，規避了MHAL無法實時處理高速數據的問題;三層架構中的主控層和應用層僅處理應用接口、基帶業務，規避了采樣處理和參數計算等高處理器資源占用處理情況;綜上，該衛通SDR平臺的業務處理能力可以高達150Mbps。另外，SCA4.4版本的帶寬和實時性得到了較大提高，在正式版應用后，以期進一步優化三層處理架構，向更高速采樣處理和更強的基帶處理能力進行擴展設計。

綜上所述，這種三層SDR平臺演進過程較為平滑、技術可實現性高，而且這種三層架構的平臺具備較高性能和通用性，可以直接部署現有的衛星通信軟件或者其他應用波形，能夠作為一款通用的SDR平臺來長期使用。

3. 結束語

經過上述專用設備現狀分析、架構對比、演進思路分析和實現方法討論可以發現，衛星通信SDR平臺的演進技術研究是必要的且必須進行的。本人從多類專用的衛星通信設備設計和使用中遇到的問題出發，研究了各類平臺的硬件架構，提出一種便于維護的通用SDR平臺，已經在SDR 4U、8U VPX/LRM終端設計和新型板卡設計中進行實現和推廣，以期形成貨架產品、迭代出高可靠性產品并降低生產成本。高通量時代來臨，小型化的各型設備復雜度成指數上升，衷心希望本文能為相關工程人員的SDR系統設計提供指導并解決實際應用中所遇到的部分困惑。

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