无线通信装备模块化设计研究

无线通信装备模块化设计研究

一、引言

由于现代通信、数字信号处理、计算机和微电子等各种高新技术的迅猛发展，无线通信装备的技术越来越先进，也越来越复杂。采用通用模块的设计方法，可以最大限度地继承与利用已有的硬件和软件研究成果，从而降低研制风险，避免同一水平上的重复研制，缩短研制周期，节省研制费用，并且，采用开放性的模块结构，便于实现网络互连、信息互通和功能互操作。无线通信装备模块化设计的初衷是为了满足人们追求多品种小批量要求下实现最佳效益和质量的要求,它的第一受益方是研制厂商，第二受益方是军队。无线通信装备模块化设计最终将有利于博采各家所长，推进无线通信装备模块化设计研制，是无线通信发展的催化剂。

二、模块化设计分析

1 工厂级模块化设计

工厂级的无线通信装备模块化设计指的是各无线通信装备厂拥有自己的模块化结构设计、模块划分原则和总线母板等。随着技术进步和为了便于组织生产，国内各无线通信装备厂已逐步将电路板的“大板”结构改成按功能划分的“小板”结构，并设计了本厂专有的“母板”。对于目前已有的通信装备而言，这些措施在一定程度上体现了模块化设计思想，并且是切实可行的。

通信装备模块的划分是工厂级模块化设计的关键。为使划分的模块合理，首先应对该类装备有充分了解，然后采取系统工程和功能分解的方法，对装备组成进行分析和功能分解，最后划分出各级模块。工厂级模块化设计是以现有技术体制和技术形式，在对一定范围内的采用传统方式生产的不同型号装备进行功能分析和分解的基础上,划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块，然后,从这些模块中选取相应的模块，并补充新设计的专用模块或零部件一起进行相应组合，以构成满足各种不同需要的装备。

工厂级模块化设计包括建立模块体系和组合形成新装备这两个基本步骤。 (1)建立模块体系 正确合理地划分特定功能和接口的模块，既是建立通信装备模块体系和组合形成新装备的关键，也是今后拟制模块总体规划进行有效开发和应用的关键。因此，模块的划分、设计、研制、生产以及模块体系的建立，应是建立在对所有同类装备及组成部分充分了解的基础上，并对现役装备的改造和新装备的开发等进行综合分析和组合的基础上，采用系统工程和标准化的原理及方法去处理。根据使用需求，从顶层向下按功能分解的方法，将装备分解成不同等级的单元，同时从底层单元向上进行模块需求分析，按标准化原理对同类和相似装备进行对比、归类、简化、统一，合理划分模块，确定技术指标和质量要求,然后进行设计、研制和生产，从而建立起模块体系。

(2)组合形成新装备

工厂级模块化设计应采用组合化设计方法，充分利用各种通用模块、专用模块和零件进行组合或派生各种不同要求和用途的新装备。组合设计的关键在于总体方案设计，这是一个多因素综合权衡的过程。

2 设备级模块化设计

设备级的无线通信装备模块化设计指的是，为了实现互通，将一些功能模块设计成为各个无线通信装备厂都能接受和采用的通用模块，同时对一些影响互通的部件模块强制实现体制和功能上统一的设计。设备级的无线通信装备模块化设计必须首先抓好顶层设计，在顶层设计的基础上，制定设备级的无线通信装备模块化设计的模块化标准，再以标准为指南，才有可能实现无线通信装备的互连互通和模块化。设备级模块化设计包括硬件模块设计和软件模块设计这两方面基本内容。

(1)硬件模块设计

硬件模块设计有2种可能：一种是属于设备级模块化设计初级阶段的情况，即采用多板分散处理，各种数字处理硬件模块均有自已的数字信号处理器和可编程数字逻辑电路。这种技术设计要求相对较低，能故障检测到板，但接口较多，芯片规模小、品种多；另一种是属于预计将来可实现的情况，即使用高速处理器、超大规模可编程器件，数字处理部分由一块单板完成。这种方式硬件接口简单，一旦发生故障，更换单板即可。它类似于目前的微机，基本功能都在一块主板上。硬件模块实现的关键是规划硬件模块的接口定义、信号流程的功能及技术指标或标准，并公开这些要求，以使不同的开发、生产单位均能提供该硬件模块，且能用不同单位提供的模块组装成整机。对于具体模块的电路实现，可采用信号处理器的类型和电路实现的方式。对于生产和维护方来讲，最好是采用广泛使用的器件，以利于降低开发、生产、维护的成本。

(2)软件模块设计

软件模块是在硬件模块支持下实现功能模块规定任务中至关重要的部分。它利用总线和操作系统，实施对资源的管理和调用，并使用各种配套的应用软件完成对信息和控制数据的处理、检测和传送。不同的应用软件完成不同的功能，例如数字调制解调的信号处理、密钥管理协议等，具体设计时还要考虑到实时处理和非实时处理的数据之间的关系等。

在设备级模块化设计中，软件模块化设计是较为关键和复杂的问题。对于不同的硬件模块化规程，将会产生不同的软件模块化规程。随着软件无线电技术研究的深入，软件模块化设计必将走向成熟和完善。

3 系统级模块化设计

系统级的无线通信装备模块化设计指的是从系统和顶层的角度来研究无线通信装备模块化设计。系统级的无线通信装备模块化设计具有统一标准的模块化功能体系、结构体系和接口标准，具有统一的硬件平台和软件平台。通过采用系统级的无线通信装备模块化设计理念，来构造模块化通信装备。

模块化通信装备是指从通信装备的顶层设计出发来解决通信装备的模块化问题，强调采用软件通信体系结构的概念来实现通信装备的模块化体系结构，使系统的体系结构具有了开放性、软件可编程性、软、硬件高度模块化等优点。模块的划分和接口设计将在这种体系框架的基础上进行。这里的模块体系除了指各种软件模块和硬件模块外，更重要的是指具有模块化的基本体系结构。随着技术的发展，软件模块将在数量上和地位上超过硬件模块，成为无线通信装备模块的主要组成部分。

三、软件通信体系结构的研究

1 软件无线电的思想

软件无线电思想是20世纪90年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其完整的概念和结构体系是由美国科学家Mitola于1992年5月明确提出的，其核心思想是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。这种全新的设计思想使无线电台可以适应各种不同的应用场合，而通信系统的设计与开发主要成为软件的研究和开发，这将极大缩短通信系统的研发周期和成本。标准的软件无线电应采用基于标准虚拟机环境的硬件结构，将射频（RF）、中频（IF）、基带和比特流部分组装在一个虚拟机系统中，由软件来完成各种通信功能，包括信源编码、信道编码、信道解码和信源解码等。

为了加载实现多种通信模式和功能，软件无线电的天线应跨多个频段，并且形式要统一。射频部分完成输出功率的产生及前置放大，将射频信号转换成标准中频信号，以及将标准中频信号转换成射频信号，该标准中频信号适合A／D和D／A转换。中频部分完成中频信号与已调基带信号之间的变换（包括接收和发射），主要功能是频率变换和滤波。基带信号处理部分是把数据流变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号。比特流部分则主要对多个信

道比特流进行复接和分接。

软件无线电系统的硬件采用模块化结构，建立公共的硬件平台，支持并行、流水线及异构处理环境。软件由采用基于OSI参考模型的分层软件体系，支持开放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本硬软件模块，可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力（包括频率、功率、速率等）、多种抗干扰能力（包括扩频及跳频、自适应天线调零、自适应干扰抵消等）、灵活可变的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA其混合等）、用户需要的多种业务（包括话音、传真、数据及图象等）及多种组网与接口能力等。

由此可见，软件无线电是无线通信系统从模拟到数字再向前发展的新阶段技术。要真正实现模块化以及前面提出的总体设计目标，必须采用软件无线电技术。美军的JTRS（联合战术无线电系统）计划就是采用了软件无线电的设计思想，定义了软件通信体系结构规范。

2 软件通信体系结构的内容

由于军事需求的牵引，近年来美国国防部采取了十分果断和重大的措施，其发展动态很值得我们关注和思考。最重要的动态就是美国军方正在实施的新一代无线通信系统计划（即JTRS），其主要思路是使美军的无线通信装备用模块化体系结构设计的方法进行全面的更新换代，其目标是提供一种适用于所有军兵种要求的电台系列，频段覆盖范围为2 MHz～2 GHz，不但要兼容传统系统，而且将提供多种新的宽带波形，支持话音、数据和多媒体等多种业务的传输，将极大地增强部队之间的互通能力。JTRS将成为数字化战场环境中作战人员通信的主要手段，代表了目前世界范围内最为先进的无线通信发展方向，是未来军事通信的基本组成部分。

美国国防部组织了2个小组分别由Raytheon和Motorola两个大公司牵头来定义JTRS 的硬件和软件体系结构，最后以Raytheon公司为首提出的“软件通信体系结构规范（SCA）”获得国防部批准通过。SCA规范描述了模块化软件可编程电台的软件体系结构、硬件体系结构和安全体系结构，以及应用程序接口（API）规范，同时引入了嵌入式微处理系统、总线、操作系统、CORBA（公共对象请求代理体系）、面向对象的软件和硬件设计等一系列计算机技术，采用了“波形应用”和“资源”可裁剪、可扩充的设计思想，其目的是实现电台硬件模块化，软件具有可移植性、可重用性和可互操作性。目前发布的SCA最新版本为2.2。

（1）软件体系结构的内容

软件体系结构的核心内容是定义了一个通用软件平台，软件平台由带有硬件驱动软件的POSIX操作系统、CORBA中间件和核心框架3部分组成。软件平台对于波形设计和开发人员来说提出了很多新的要求和限制，其目的是为了实现波形能够从一个无线电系统移植到另一个系统。核心框架包括一组关键的“核心”接口和配置文件，是实现通信系统中软件组件的部署、管理、连接和通信的主要功能部件。核心框架的一部分接口由软件平台开发人员实现，一部分接口由波形应用软件开发人员实现，其余部分由硬件设备开发人员实现。

（2）硬件体系结构的内容

硬件体系结构采用了面向对象的概念来定义系统内部的典型模块划分，要求一旦实现了一个实际的系统，就必须公开完整和详细的接口。通过这些公开的接口，第三方就可以提供系统内部模块，软件开发人员就可以确定硬件的性能和容量以加载特定的波形。随着未来可编程元素的增加，硬件模块的合理划分为新技术的插入提供了方便。

（3）安全体系结构的内容

安全体系结构是军事通信的特殊要求，也是很重要的要求。SCA给出了一个红边黑边相互隔离的安全架构，以满足军事通信不同层次的安全要求。如果安全要求很高，红边和黑边可以采用不同的总线进行物理隔离；如果安全要求相对较低，则可以其行软件隔离。

四、模块化通信装备的研究

1 设计思想

（1）标准先行

标准先行指的是开展模块化通信装备的顶层设计，建立模块化无线通信装备的体系结构，在实际验证的基础上，完成模块化无线通信装备的各种标准规范系列的制订工作。与构造建筑物一样，仅有可供选择的、统一标准的结构框架还不够，还要有可供选择的、统一标准的各种基本模块，才能组合构建出能满足各种需求的建筑物来。对于无线通信装备，基本模块就是可即插即用的硬件模块和可加载卸载的软件模块，称为模块资源库，它们构成了无线通信装备的模块体系。这种可裁剪或扩充的模块资源库与模块化的体系结构框架一起，构成了模块化通信装备的主要特色。

（2）模型验证

由于模块化通信装备的设计思想是集当代计算机、通信、数字信号处理、微电子等各种高新技术于一体的全新设计理念，在国外也只是在起步阶段，因此，论证和制定标准还缺乏实际的、具体的经验，必须在提出初步的方案后，在实际的模型上深入进行模块化新技术的具体验证。

2 技术方案

（1）标准体系的研究

结合无线通信装备的具体情况，可以把模块化通信装备标准体系分为四大类标准，分别为：总则标准、体系结构标准、接口标准和波形组件标准，分类。

1)总则标准的讨论

总则标准是对标准体系所涉及的所有标准进行概述。总则标准的主要作用是确定标准体系中各项标准的制订方法，定义标准体系中的各项标准的名称、目的以及要求，描述各项标准之间的相互关系，明确各项标准应该涉及的内容。总则标准是对模块化通信装备标准体系的描述，具体描述了体系结构标准、接口标准和波形组件标准之间的关系。

2)体系结构标准的讨论

体系结构是指根据系统的物理特性和逻辑特性，对组成系统的模块集合进行描述，同时对这些模块所完成的功能以及这些模块之间的相互关系进行定义。体系结构是一个基本框架，在这种框架中，指定的一组功能可以按照指定的设计规则，通过指定的几类组件来实现。体系结构应该包括硬件体系结构、软件体系结构和安全体系结构。通过对体系结构的研究，可以形成模块化通信装备的总体框架，这个总体框架即由体系结构标准来描述。根据体系结构的组成，可以相应地形成硬件体系结构规范、软件体系结构规范和安全体系结构规范。

3)接口标准的讨论

体系结构只是完成了对模块化通信装备总体框架的设计，对硬件体系结构规范、软件体系结构规范和安全体系结构规范所涉及到的各种接口还需要进行深入的研究。这些接口包括硬件体系结构规范中的硬件模块接口、软件体系结构规范中的软件平台接口和应用程序接口、安全体系结构规范中的通信保密模块接口等等。接口标准的作用是描述这些接口的协议及规范。根据接口的有关协议及规范，可以相应地形成硬件模块接口规范、软件平台接口规范、应用程序接口规范和通信保密模块接口规范。

4)波形组件标准的讨论

模块化通信装备主要是实现话音和数据的安全通信。系统具体实现的波形类型均按照信号的传输业务、通信方式与安全方式等特性而设计的，因此，信号的传输业务（指话音、数据等）、通信方式（指模拟方式、数字方式等）与安全方式（指未加密、加密、抗干扰技术等）等特性均是属于通信共性基础标准。波形组件标准正是按照这些共性要求对波形组件进行定义及描述。根据信道中具体波形的情况，应该对相应的波形组件进行具体的定义，因此，可

以形成与具体实现的波形类型密切相关的有关的波形组件标准。

(2)验证模型的研制

1)硬件总体设计

硬件总体设计对所有无线通信装备来说都是统一的，它强调了硬件模块的属性及其实现的继承性，而不是功能的配置。这样做的好处是使硬件模块的设计和实现更加具有通用性和开放性，降低了系统成本。

硬件模块分为两大类：一类主要是以软件可编程为主来完成其功能，如调制解调模块和处理器模块；另一类主要以不可编程的方式完成其功能，如RF模块中的部分部件。随着可编程能力和可编程的硬件技术的发展，功能实现从完全依靠硬件逐渐过渡到以软件为主。图2是模块化通信装备硬件总体结构。

对于无线通信装备而言，其功能的实现是由硬件和软件相互配合完成，因此，为满足将来发展的需要，硬件模块应具有可扩展性，这可以在原有硬件模块基础上，通过增加新的硬件模块或在已有的硬件模块中增加新的属性来实现。这样，硬件模块既有统一的结构，又具有内在的灵活性，可以满足软硬件性能发展的需要。

2)软件总体设计

根据软件与硬件的相关程度以及软件所承担的功能，可以把模块化通信装备的软件自底向上分为4层：嵌入式实时操作系统、CORBA中间件、核心框架和应用程序，。在软件总体结构中，嵌入式实时操作系统、CORBA中间件和核心框架共同构成一个通用的软件平台。软件平台接口包括：嵌入式实时操作系统的服务接口；CORBA中间件的规范接口；核心框架提供的各种基本接口、控制接口和服务接口。

3)安全总体设计

为了保证用户信息在发送、处理、存储过程中的机密性和完整性，能够对不同安全要求等级的信息进行传输和接收，确保不同的无线通信装备能够互连、互通和互操作，这就必须形成安全总体结构。模块化通信装备安全总体结构。在安全总体结构中，整个系统的安全功能不只是由一个边界分明的安全模块来单独完成，而应由通信保密模块、黑边处理器和红边处理器共同来完成。无线通信系统模块化设计的红边和黑边必须相互隔离，不能直接进行信息交换，红边和黑边所有的信息交换必须通过通信保密模块进行控制和管理。通信保密模块包括一组在启动和运行时都不能分离的软件和硬件。

五、结束语

本文对无线通信装备工厂级、设备级、系统级模块化设计进行了分析，根据软件通信体系结构，提出了模块化通信装备的设计思想，对其相应的标准体系和验证模型进行了重点研究。本文的研究工作对推动和加快我国无线通信装备模块化进程具有重要的现实意义和指导价值。