新一代航空数据链端机的SCA架构设计✴

钟瑜，陈颖，卢建川

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

新一代航空数据链端机的SCA架构设计✴

钟瑜，陈颖，卢建川

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

新一代航空数据链端机发展技术需求和SCA自身技术优势具有高度的一致性，研究SCA技术在设备中的设计实现具有重要意义。通过系统抽象模型构建、SCA设备开发流程分析以及流程中相应的系统构件化建模、域描述文件产生、应用安装部署、波形开发等关键设计，提出了数据链端机设备的SCA架构设计实现方法。

航空数据链；联合战术无线通信系统；软件通信体系结构；波形开发规范

1 引言

在现代信息化战争中，数据链作为战场神经系统，通过信息处理、传输和分发将指挥控制、战场态势等信息进行全军共享，实现指挥机构、作战部队、武器平台链接为一体。而航空数据链作为空中信息枢纽，基于全球栅格状信息网（GIG）构建的联合作战体系通过全维、立体、多频段、多节点的栅格化信息交换和智能化信息获取方式，最大限度地将信息转化为战场科学决策能力和作战能力。美军是最早开展数据链系统研制的国家，其数据链系统的装备和发展状况对于面向新一代航电系统的航空数据链平台的建设有很大的借鉴作用。本文将从美军航空数据链主要现状入手，分析其技术背景和发展趋势，提出相应设计思路。

2 航空数据链主要发展方向和技术现状

美军现役主要的战术数据链有：主要用于海军战斗群内舰艇之间战术数据交换的Link-11 A／B；主要用于舰载飞机作战指挥和飞行引导的Link-4 A／C；主要用于战机、海军舰船和载机间的任务管理、武器协调、电子战、情报监视、导航以及话音加密通信

航空数据链平台是数据链信息网的空中枢纽，美军针对第四代战斗机隐身、先进航电、机载武器以及高机动、超音速巡航等新的战技能力要求，开展了新一轮的航空数据链系统改进。最具代表性的是F -22使用的战机与其他空中平台及地面中心之间进行战场态势信息共享和机载武器协同的内部飞行数据链（IFDL），这种采用多波束天线和具备全双工数据通信网络的新型数据链也称为机间数据链。另一方面，美军目前正针对地面指挥系统对F-22的指挥需求，在Link-16数据链的基础上为F-22装备基于“战术目标瞄准网络”TINT波形数据链，实现基于因特网协议的高速动态Ad Hoc网络，并与现有数据链系统兼容。

美军对新一代航空数据链建设体现出如下特点和发展方向：

（1）在开放式体系架构下嵌入新体制波形、消息标准和组网协议等，通过与现有电台等设备拥有相同的波形因数保证与原有系统的兼容性；

（2）提高端机设备的传输带宽、实时处理能力、抗干扰抗截获能力以及安全保密性等战技指标性能；

（3）不断提升数据链系统的数据分发能力，实现从战术数据链终端向联合信息分发系统演变；

（4）通过武器指挥、飞控等作战武器平台的信息铰链，并与航电系统的集成后，协同形成作战部队新的战斗力。

从技术发展趋势看，软件无线电（SDR）技术是设计具有高度灵活性、开放性的新一代无线电系统的必然手段，经过近二十年发展已逐步趋于成熟并在国外民用和军用产品中广泛应用。而软件通信体系结构（SCA）技术正是其发展过程中对SDR技术核心设计思想的集中体现，因此，美军为解决其战术通信长远发展问题而启动的联合战术无线通信系统（JTRS）计划，采用了软件无线电的设计思想，并定义了SCA规范，建立了JTRS系统开发框架。

SCA的基本目标是为管理无线电系统提供一个通用的软件基础结构，从系统层面上提出构造软件无线电台的方法和要素，以及在该框架下软件的通信体制和管理方法。规范描述了一个组件的集合，以及如何将组件配置、安装到一个无线电系统中的功能波形应用中，这些内容组成了一个定义和构建软件无线电系统的基础结构，同时提供了波形或其他应用组件在SCA兼容的无线电系统中运行的接口、规则、约束和规程等构成的运行环境，包括核心框架（CF）、公共目标请求代理（CORBA）以及操作系统（OS）［1］。

CF提供波形和其他应用构件使用的通用服务的集合；波形构件的安装、配置、管理和控制；通用文件系统操作和跨越多种处理平台访问的联合文件系统；通用底层物理硬件抽象的设备接口。

CORBA是与HTTP类似的一种数据传输协议层，处于数据传输机制之上，由于公共目标代理和接口脚本IDL的使用，CORBA支持数据传输协议的定制、优化和软件应用动态插入。

OS主要指通用CPU或DSP类专用处理器采用的Vxworks、Linux以及DSP／BIOS等位于底层硬件之上的软件调度管理平台。

本世纪初SCA技术研究兴起，近两年已逐步从研究转向产品化，国外陆续出现了相应的设备和货架式产品，突出的技术优势也逐渐显现：

（1）开放式的体系架构和通用POSIX操作环境适用于多种嵌入式异构分布应用环境；

（2）构件化的软件设计和标准应用接口结合货架式通用硬件平台，极大地提高了应用的快速集成效率；

（3）规范化的软硬件部署、配置、控制和监测接口，降低了新应用插入和新技术扩展复杂度；

（4）软件通信中间件和硬件抽象层等组成的SCA基础软件平台提供了应用软件的互操作手段，提高了软件的可移植性、可扩展性；

（5）有效降低了设备开发、调试、测试、综合集成以及使用维护全寿命周期成本。

结合下一代航空数据链的主要发展方向和端机设计相应技术需求，SCA技术的应用将从设计上保证端机设备兼容性、扩展性和“三化”要求，同时降低设备开发、测试等研制成本和使用维护或综合集成成本。因此，有必要开展航空数据链端机设备的SCA技术应用研究。

3 主要设计思路

从概念上讲，一个SCA的无线电系统具备3个部分：一是波形开发，二是核心框架，三是域描述。3个部分都可以从物理和逻辑上进行分析［2］。如图1所示。

图1 软件无线电系统的抽象层次Fig.1 The abstraction layer in a radio system

对于波形开发部分，一个电台系统从物理上看到的是硬件设备，而波形则是加载到这些物理设备上的软件。从逻辑上看则有两个层面，一是整套组件形成的波形应用或是其他系统服务，二是提供顶层接口和这一套构件控制的应用。

核心框架（CF）部分则包括管理无线电系统和部署应用所需的所有软件，从物理上看，CF提供无线电系统中物理设备的高级管理，从逻辑上CF同样提供了对波形应用和其他服务的管理。

域描述部分是包含了一系列XML文件，用于描述系统中的硬件资源、波形应用结构和波形组件间的关系连接以及硬件资源间的关系。

因此，SCA电台主要开发过程包括如下几部分工作：

（1）设备体系架构定义，开展CF、CORBA和OS构成的软件运行环境，硬件资源配置等体系架构设计；

（2）资源配置XML文件产生，波形、协议等软件组件配置、控制、连接以及硬件配置等系统资源配置管理域描述文件设计；

（3）波形构件开发、建模设计，针对某一波形应用在运行环境之上进行波形处理软件的开发、波形构件建模和SCA框架代码生成；

（4）应用部署和运行维护，整机维护工程师根据XML域描述文件定义对波形应用进行装配、部署和实时监测、管理，最终实现电台相应功能。

4 设计实现途径

典型SCA电台硬件设备管理器管理对象主要有两种类型，一种是包含软件集中处理单元的如数字信号处理和通用控制处理等ExcutableDevice，另一种是智能天线、射频接收激励、功放等不可编程模块，但其控制接口可扩展为LoadableDevice［3］。因此，SCA电台设备资源建模如图2所示。

（1）射频类扩展类

信号下行传输时，完成射频模拟信号的频率变换到中频、滤波、AD采样等，产生数字中频，信号上行传输时反之。射频类控制接口在可编程嵌入式处理器中实现收发频点、带宽、功率等信息的收发和控制。

（2）数字信号处理类

完成数字中频信号调制／解调、基带数据比特流处理得到用户数据以及信息加解密和人机访问接口控制。设备包括运行设备管理器的通用处理器（GPP），以及完成波形和协议处理的数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）。

此外，设备管理器还对整机总线、机箱的模块插槽数、组成要素、背板类型、平台环境、功率和冷却要求属性进行管理。

图2 SCA电台设备建模Fig.2 The SCA radio component-basedmodeling

SCA电台软件开发的整个应用系统如图3所示，包含了与SCA规范兼容的软件平台、开发平台、运行维护平台三方面。基本的软件平台包含了若干波形、协议等应用构件，CF、CORBA和OS组成的应用运行环境，以及底层硬件抽象和驱动。

开发平台主要实现软件运行环境的构建以及软件构件、硬件配置等模型的XML域描述文件产生以及应用构件的开发，其中还包括应用工程师开发遵循的波形、协议等应用构件开发、测试的相应规范和标准。

运行维护平台主要解决波形、协议和其他应用构件的装配、部署、管理和控制，以及应用线程的实时监测和日志管理，提供电台整机的内场测试和外场安装调试和排故手段。

图3 SCA电台软件应用开发平台Fig.3 The development platform of SCA radio application

在完成应用软件运行环境构建以及软件构件和硬件配置等XML域描述文件产生后，针对某一波形应用构件建模如图4所示。

图4 SCA电台软件构件建模Fig.4 The developmentof SCA radio component-basedmodeling

5 SCA波形开发规范

SCA系统开发过程中一方面重点是构建CF、域描述文件等SCA应用运行系统，另一方面，针对SCA波形、协议等应用设计的标准化开发规范是航空数据链端机SCA技术工程化应用的关键问题。

如图5所示的开发流程，SCA波形开发规范应在波形算法信号处理代码设计、框架代码嵌入、应用部署和管理控制接口等方面对波形设计和开发人员提出了相关的设计约束和标准方法，从而实现波形构件与CORBA中间件的规范接口；与核心框架提供的各种控制和服务接口；与嵌入式实时操作系统的基本服务接口，最终实现波形应用的标准化设计［4-5］。因此，SCA波形开发规范将主要涉及开发流程中的以下几方面：

（1）算法组件设计，建立信号处理波形算法仿真和实现代码，该部分主要将形成基础波形输入输出数据接口、控制接口等标准；

（2）组件硬件抽象层连接HAL设计，完成波形组件的封装，该部分主要将形成基础波形代码编译生成、波形代码封装等标准；

（3）XML域描述文件生成，产生软件包描述（SPD）、软件组件描述（SCD）、设备包描述（DPD）等文件，该部分将主要形成SCA波形域描述文件生成等标准；

（4）建立SCA波形应用，配置算法组件实体分布、连接和约束等，形成软件装配描述（SAD）文件，该部分将主要形成SCA应用装配等标准；

（5）应用安装，依据SAD文件将SPD、SCD等若干文件和功能代码拷贝到指定的硬件运行环境，构成设备功能应用条件，该部分将主要形成SCA波形安装等标准；

（6）SCA应用的部署和测试，核心运行环境读取SAD等信息部署应用后，对已部署应用初始化配置和输入输出、连接进行测试并运行应用功能，该部分将主要形成SCA波形部署、SCA波形测试、SCA波形维护等标准。

图5 信号处理算法、协议等波形封装Fig.5 The development of signal processing waveform encapsulation

6 结束语

SCA技术近几年发展迅速，其技术优势符合新一代航空数据链端机的发展方向和技术要求，本文在提出端机设备SCA技术应用的整体设计思路和主要实现技术途径基础上，强调SCA波形设计规范在工程化应用中的关键作用。因此，在航空数据链端机SCA技术应用过程中还需依据设计流程相关要素，开展深入研究并形成适用于端机产品工程化要求的波形开发标准，充分发挥SCA技术对新一代航空数据链端机研制带来的优势。

［1］JTRS-5000 SCA V2.2.2，Software Communications Architecture Specification［S］.

［2］Bard J，Vincent J，Kovarik Jr.Software Defined Radio：The Software Communications Architecture［J］.Hoboken，NJ，USA：Wiley，2007.

［3］JTRS-5000 SPV3.0，Specialized Hardware Supplement to the Software Communication Architecture（SCA）Specification［S］.

［4］Cook P G，Bonser W.Architectural Overview of the SPEAKeasy System［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17（4）：650-661.

［5］Pucker L.Applicability of The JTRSSoftware Communications Architecture In Advanced Milsatcom Terminals［C］／／Proceedings of IEEE Military Communications Conference.［S. l.］：IEEE，2006：1-5.

ZHONG Yu was born in Zizhong，Sichuan Province，in 1979.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns developmentofembedded system and wireless communication algorithm.

Email：Jade.zhong＠hotmail.com

陈颖（1973—），男，江西临川人，博士，研究员，主要研究方向为系统工程、数字信号处理技术等。

CHEN Ying was born in Linchuan，Jiangxi Province，in 1973. He isnow a senior engineer of professorwith the Ph.D.degree.His research interests include system engineering and digital signal processing，etc.

卢建川（1964—），男，重庆人，硕士，研究员，主要研究方向为航空电子系统工程等。

LU Jian-chuan was born in Chongqing，in 1964.He is now a senior engineer of professorwith the M.S.degree.His research interests include aeronautical electronic system engineering，etc.

Structure Design of Software Communications Architecture for New Generation Radio of Aeronautic Data Link System

ZHONG Yu，CHEN Ying，LU Jian-chuan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The development requirements of new-generation aeronautic data link radio and the advances of Software Communications Architecture（SCA）have high coherences，consequently，the research of SCA implementation in radio is important.In this paper，the abstraction layer in a radio system and the programming of SCA system design are introduced，the component-based software development，domain profile，application installation and thewaveform developmentare designed，the overall designs of SCA for the radio of aeronautic data link system are discussed.

aeronautic data link；JTRS；software communication architecture；waveform development specification

TN913

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.005

钟瑜（1979—），男，四川资中人，硕士，工程师，主要从事嵌入式系统和无线通信算法的研发；

1001-893X（2012）04-0447-05

2012-01-05；

2012-03-29的联合战术信息分发系统Link-16；与北约共同开发并兼容Link-16的战术数据通信系统Link-22。