一种新型SCA电台的分析与设计

张海燕， 丛 键

（西南通信技术研究所，四川 成都 610041）

0 引言

战术电台作为机步师、快反旅等战术通信系统中用于构建无线通信网络的主要通信装备，长期以来都获得高度重视和重点发展。借鉴美军战术电台的装备体系建设规划和技术演进路线，新型战术电台的发展趋向于在通用化的电台硬件平台上集成多种通信模式、覆盖更宽频段、支持多种用途并具备先进的安全保密和抗干扰能力。

在战术无线通信的使用环境中，通常缺乏通信基础设施的支撑，因此具有自组织、自愈合的移动自组网功能，是新型电台需要具备的基本能力，具体包括：支持路由、中继、网关等多种网络服务；提供点对点、点对多点、组播、广播多种网络通信模式、能自动实现入网、退网、重入网；能支持子网内、子网间动态路由；能够动态控制网络拓扑结构、路由机制和带宽分配等。

由于无线电信号的传播特点，无线通信部分是战术通信系统中较容易入侵的环节，传统的基于业务流的加密技术已无法满足新型电台网络应用的安全保密需求。本文重点参照 JTRS系列电台的设计思想，基于SCA的红黑隔离机制，设计一种具有安全保密功能的新型电台以满足战术通信安全保密的组网应用需求。

1 美军JTRS网络结构

从JTRS的设计目标[1]来看，与民用通信网络的发展思路近似，即通过减少网络体系中节点的种类（JTRS是通过让同一种设备能够承担更多的应用功能来达到这一目标），来构造一个扁平化的、全IP的、具有全球无缝覆盖能力的网络架构[2]。

JTRS的应用场景中主要包括以下要素：

1）海上单位通过AMF-M或MIDS-J经卫星连接到空中平台，实现到GIG的接入。

2）陆地单位GMR与HMS通过WNW、SRW构建若干个子网，并经过AMF-SA/空中平台或经过UHF SATCOM实现子网间的互联以及接入到GIG。

3）覆盖范围：WNW/SRW 用于构建小范围的局域网络；WNW 用于为局部地理范围内的网络互连，提供干线传输支撑；JAN-TE、UHF SATCOM、Link16用于实现较大范围内的网络互连；MUOS用于实现GIG的全球覆盖目标。

JTRS部署应用典型场景[3]如图1所示。

JTRS系统由一系列具有覆盖较宽频率范围、具有MANET路由选择能力、基于SCA架构的SDR系列电台构成。JTRS计划是以增量的方式[4]推进，处于每一层网络体系上的电台部署的波形都是具备MANET能力的组网波形，每种组网波形不仅能完成战术环境中某一特定作战需求，而且为基于IP的业务提供通用传输能力。目前，按照 JTRS 演进步骤已基本完成WNW、SRW、MUOS及JAN_TE四种波形在不同的 JTRS的各域上的功能、性能验证工作，已完成验证的 JTRS中的电台及组网波形类型如表1所示。

表1 已完成验证的电台及组网波形

2 两款典型新型电台[4]网络特性分析

（1）AN/PRC-155电台

JTRS HMS项目中的MP背负式电台（AN/PRC-155）是第一种支持双信道的SDR战术电台，具备满足“网络中心”要求的连通性和与现役电台的互操作性能力。AN/PRC-155安装了两种先进波形：SRW、MUOS（移动用户目标系统）。AN/PRC-155电台配置了SRW波形后具备的通信性能如表2所示。

表2 配置SRW波形的AN/PRC-155电台通信性能

（2）JTRS GMR

GMR（AN/VRC-107）是为 JTRS提供区域范围的一种骨干通信手段来设计的，也是JTRS中最重要的项目计划之一，GMR重点强调的是互操作性、组网能力、自适应能力与灵活性。GMR支持的波形包括：WNW、SRW、UHF SATCOM等。JTRS GMR电台配置了WNW波形后具备的通信性能如表3所示。

表3 配置WNW波形的AN/PRC-155电台通信性能

3 新型电台体系结构

新型电台的体系结构设计参考美军 JTRS系统电台，均采用SCA系列版本(SCA2.2及SCA2.2.2)[5]作为其系统体系结构。SCA强调通过多波形的集成能力，使新型电台具备良好的多用途工作能力，并提升无线通信应用中的互操作能力。同时，由于战术应用的特点，SCA对于通信安全保密性能相对其他方向有更高的要求，SCA规范的电台体系架构如图2所示。

基于SCA规范的电台软件体系架构将传统电台软件设计从应用到驱动一体化设计演变为分层设计，即分解为电台操作环境（OE，Operation Environment）和组网波形。

3.1 电台操作环境（OE）[6]

新型电台与传统电台软件相比增加了 OE用于电台的运行管理及波形的实现。新型电台的 OE由操作系统、消息机制、核心框架构成。

实时操作系统层为上层的应用(包括核心框架和波形应用)提供多线程支持。为了实现上层应用的可移植性，SCA规范都要求有标准的操作系统接口，作为操作系统服务的提供者。另外，操作系统为上层应用程序提供标准的硬件访问接口，屏蔽了底层硬件的异构性。

消息机制为波形应用部署在软件平台的部分提供与硬件平台无关的统一消息机制，在新型电台上主要采用三种消息机制，分别是：

1）GPP类处理器间的轻量级远程过程调用（light weight Remote Procedure Call，lwRPC），通过lwRPC可以充分利用非共享内存的多处理器环境（如通过公共总线或者rapidIO交换），在传输层上实现了一种逻辑的客户／服务器通信方法。

2）用于GPP和CE（处理单元）间通信的MHAL，MHAL是对SCA规范的一个补充，只用于GPP与CE类信号处理芯片的波形组件通信。MHAL能通过复制的实现来重定向数据流，从而在波形启动时动态配置处理器上的资源。重定向数据链和可重新配置的能力对实现容错和QoS功能的系统十分重要。

3）GPP内部通信机制，采用共享内存、消息机制等提供GPP内部组件间的高效信息交互。

3.2 组网波形

新型电台的波形采用IP标准的分组交换设计，采用IPv4配合安全保密模块共同使用的方式确保无线战术网的安全。新型电台采用MANET组网协议及技术，其信息分组的格式、路由与信令协议应当能够适应网络拓扑结构动态变化、无线传输链路带宽受限、电磁环境恶劣、易受到干扰和攻击等特点的要求。

组网波形针对自组织/自愈合的MANET的新型电台应用模式，涵盖了TCP/IP模型的全部内容，含多个功能实体，包括：RF、Modem、数据链路、子网内移动互连、INFOSEC（安全保密）、子网间移动互连等。

新型电台的组网波形设计采用软件无线电（SDR）混合无线协议栈架构的设计思想，波形具有可移植性、可重用性优点。符合SCA规范的标准波形组件，使不同的通信制式、通信协议可以通过使用或继承的方式。基于软件无线电方便的将这些波形组件加载到无线综合传输系统中，既支持现役的各种通信波形技术，同时又可以添加和扩展新的波形技术。

图2 SCA规范定义的电台体系架构

波形软件设计具有如下技术特点：

1）平台与波形相独立，且具有良好的开放性，波形支持动态部署，且只需要少量的移植代价就可以重新部署到新的平台。

2）在 GPP类具有实时操作系统支撑的操作环境中，设计符合SCA规范的标准波形组件，该类波形组件完成波形装配控制及波形应用层及网络层的功能，不同波形的应用层及网络层相似的部分可以通过组件的方式相互继承。

3）在DSP类具有BIOS操作系统的操作环境中，按照 MANET无线协议栈分层思想设计波形数据链路层和物理层部分波形，不同波形的物理层和数据链路层，DSP类软件的加载通过GPP处理器统一部署。

4）对FPGA类对信号处理实时性要求高的处理器，其软件设计采用传统设计方式，实现高速实时信号收发处理，FPGA类软件的加载通过GPP处理器统一部署。

4 新型电台采用的安全策略

新型电台采用三种机制保障新型电台在无线上的安全应用，三种机制分别涉及新型电台硬件设计、软件设计及网络策略三个方面。

4.1 硬件设计

电台硬件设计按照SCA规范红黑隔离的需求设计，红边数字电路和黑边数字电路中间由加密模块完全隔开，加密前数字电路称为红边硬件，加密后数字电路称为黑边硬件。红边硬件部分包括电台应用接口、红边数字硬件；黑边硬件部分包括：黑边数字硬件、黑边AD/DA、射频处理。

采用红黑隔离机制的新型电台硬件设计如图 3所示。

4.2 软件设计

软件平台的软件设计遵照SCA规范红、黑架构，红、黑边软件平台之间的通道通过安全保密模块隔离[7]，红边、黑边软件平台分别外挂文件系统，应用波形部署在DSP及FPGA的软件分别通过红、黑边软件平台加载。红边软件平台完成上电加载后的软件平台系统牵引，红边软件平台的域管理器完成对平台内所有设备及资源的部署及配置管理。红边软件平台及黑边软件平台分别部署独立的设备管理器对其红、黑边内所有硬件设备进行。红黑隔离的软件设计如图4所示。

应用波形的软件设计采用协议栈分层设计的思想，在红/黑边分别不同的处理器上分别部署应用波形的各层实现，波形软件实现内容包括：红边网络层处理（部署在红边GPP）、黑边网络层处理（部署在黑边GPP）、数据链路层处理（部署在黑边GPP）、物理层处理（部署在黑边DSP及黑边GPP）[8]。

4.3 新型电台网络安全策略

基于SCA红黑隔离的体系架构为安全保密的组网波形实现提供了一种途径。组网波形的路由分两部分：①红边路由：无线子网间路由，子网间路由及路由表的维护在红边完成；②黑边路由：子网内路由，子网内路由及子网路由表的维护在黑边完成。

黑边的子网路由主要面向无线信道的子网内通信，当IP数据包只需要在无线子网内的中继节点转发时，可以不经过安全保密模块解密及红边路由直接在黑边从一个无线子网中继转发到组网内另外一个节点。当IP数据包已到达目标电台或者需要在红边做网间中继时才需要将加密数据包通过安全保密模块解密后送入红边完成网间中继功能或者IP数据到达红边配接业务终端功能。

5 结语

基于软件无线电架构、具备宽频段覆盖和多用途特点、支持MANET的组网波形是新一代战术电台主要的技术发展与功能演进方向，因此通过软件通信架构、宽频段射频前端、宽带无线传输、移动栅格化自组网等技术的持续发展和综合集成，实现通信保障能力明显提升的新型战术电台，是构建面向网络中心战的下一代战场通信网络的重要途径。

[1] 阎瑾.美军战术互联网体系架构研究[J].通信技术,2011,44(09):105-107.

[2] NORTH R. Joint Tacitcal Radio System – Connecting the GIG to the Tactical Edge[C].USA:IEEE,2006:1-6.

[3] STEPHENS D R. JTRS Infrastructure Architecture and Standards[C]. USA:IEEE,2006:1-5.

[4] HASAN M S.Designing the Joint Tactical Radio System(JTRS) Handheld, Manpack, and Small Form Fit(HMS)Radios For Interoperable Networking and Waveform Applications[C]. USA:IEEE,2007:1-6.

[5] JTRS JPEO. Software Communication Architecture Specification[EB/OL].(2001-11-17)[2012-05-11].http://www.eng.auburn.edu/users/hamilton/.../SD R/SRD_Release_V2.2.pdf.

[6] 王烁,周家喜,王庆华.SCA架构软件无线电台设计与实现[J].通信技术,2011,44(06):40-42.

[7] CHAMBERLAIN M C. A Software Defined HF Radio[J].Military Communications Conference, 2005(04):2448-2453.

[8] 马子骥,郑善贤,刘宏立.一种基于软件无线电的数字解调方法研究[J].信息安全与通信保密,2008(03):34-35,39.