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1、SCA在软件无线电中的应用摘要软件通信体系结构(SCA)系统功能的实现不依赖于具体硬件的功能，而主要在于波形应用的开发。为了使应用的开发摆脱底层硬件的制约，使应用能通过一个统一的接口调用硬件设备，在SCA系统里定义了设备接口。设备接口组件对底层硬件的屏蔽能够实现上层应用设计与底层硬件的分离，从而实现软件波形的跨平台性、可移植性和通用性特点。关键字：SCA，设备，软件无线电一 SCA出现的背景与规范软件无线电(Software Radio)或者称为软件可定义的无线电(Soft-Defined Radio)是指用软件定义的、能实现多种功能的无线电通讯系统，是20世纪90年代以后逐渐兴起的一种全新的
2、设计思想，其完整的概念和结构体系是由美国科学家Jeo Mitola于1992年5月明确提出的，其核心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，加载不同的通信软件以实现不同的通信模式和功能。软件无线电还有以下特点。将通讯业务功能从硬件方式解放出来，仅通过装载不同软件来动态配置系统功能，通信系统的设计与开发主要成为软件的研究和开发，极大缩短了通信系统的研发周期和成本。通过升级系统所装载的软件来达到对系统功能的更新和升级。如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可，而软件的加载和更新可以通过空
3、中接口来实现，更加灵活方便。软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，支持不同电台系统互连互通，使原来独立运行的不同电台系统能传递信息，不仅能和新体制电台通信还能和旧体制电台兼容。由于软件无线电的诸多优点，美军的联合战术无线电系统(Joint Tactical Radio System一一JTRS)计划采用了软件无线电的设计思想，定义了软件通信体系结构(Software Communications Architecture一一SCA)规范。SCA按照如下标准来构造：支持应用软件在不同SCA实现间的可移植性;采用商用标准来降低开发成本;通过复用设计模块来减少新的波形的开发周期;基于不断改进的商
4、用框架和结构。SCA规范根据开发JTRS软件可配置无线电台的基本需求建立了应用独立的框架。这些需求由接口规范、应用程序接口(APIs、行为规范和规则组成。规范的目标是确保软件和硬件的可移植性与可配置性，以及按照SCA规范所开发产品间的互操作性。SCA规范将SCA定义为一个分层结构，自下而上分别为设备驱动层、操作系统层、CORBA中间件层、应用环境描述、框架控制服务接口和波形应用组件。如图1.1所示。图1.1 SCA分层结构图SCA功能的实现不依赖于具体的硬件，但是SCA系统总是运行于各种各样的实际硬件平台之上，在系统的实现过程中需要对不同的硬件设备开发相应的驱动程序，以完成分层结构中设备驱动层
5、的实现。但是设备驱动层所提供的功能调用与具体硬件有关，传统的系统开发过程中，应用开发者总是不得不关注底层硬件的实现，当硬件发生改变时，上层应用也不得不做出相应的修改，这带来系统可移植性和通用性的下降，也使应用开发周期变长。为了解决这一问题，实现软件波形的跨平台性、可移植性和通用性，在SCA的系统里使用设备接口组件实现对底层硬件驱动进行屏蔽，达到上层应用设计与底层硬件的分离。因此在SCA的开发过程中，设备驱动开发者必须完成硬件驱动设计和设备组件实现两方而的工作。二SCA在软件无线电中的应用2.1软件通信体系结构SCA是一种开放的通用体系结构，它提供了一个标准的、开放的、可互操作的无线电通信软件平
6、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，从而实现通信软件和硬件的可移植性、可配置性、可扩充性和可重用性。2.1.1硬件体系结构硬件体系结构的定义采用了而向对象的方式，其结构以类和属性继承的方式包括了在所有应用领域中通用的硬件。实际应用中的硬件需求千差万别，一个统一的硬件平台不可实现所有的功能和应用。采用而向对象的硬件体系结构可以使不同的硬件实现纳入一个统一的框架内，框架通过不同的接口、属性和方法来定义不同的硬件。硬件体系结构可以通过树形结构的硬件类来表示，如图2.1所示。图2.1硬件体系结构在最顶层，硬件体系结构类包括机箱类和硬件模块类，而硬件模块类又派生出射频、调制解调、处
7、理器、信息安全、输入输出、电源、定位模块等子类。硬件子类继承了硬件模块类的所有属性。并且在此基础上，根据实际硬件的需要，还可按照类似的方法进行扩展，得到满足不同需求的子类。这种子类的划分方法子类是依据硬件模块的物理属性和接口特性，强调了硬件模块的物理属性及其实现的继承类，而不是功能的配置。这样，硬件模块的设计和实现更具有通用性和开放性，降低了系统成本。2.1.2软件体系结构SCA是根据JTRS开发软件可配置无线电台的基本需求而建立的应用独立的框架，是为保证硬件设备通用性和整个系统的开放型及可扩展性而设计的。SCA系统定义了一个以软件为核心、求硬件结构通用化的无线信号处理平台。SCA软件体系结构
8、如图2.2所示。图2.2 SCA软件体系结构如图SCA的软件体系结构分成6层： 总线驱动和板级硬件驱动层整个软件结构可以运行在一些商业总线之上，其中，操作环境(OE)为应用软件的运行提供了可靠的传输机制，包括在总线支持级的错误检测和纠正。在SCA系统中，可以采用的总线有VME,PCI,CompactPCI,Firewire ,(IEEE-1394)，和Ethernet等。且红方和黑方子系统中可以使用不同的总线结构。 网络和串行接口服务层SCA软件体系结构依赖于商业构件来支持多种独特的串行和网络接口，如RS-232,RS422, RS423, RS485, Ethernet和802. x等。为了
9、支持这些接口，各种低级网络协议可以被使用，包括即PPP, SLIP, LAPx等。 POSIX操作系统接口层实时嵌入式操作系统可以为应用程序(包括CF)提供多进程、多线程的支持，它可以屏蔽不同硬件平台间的差异，为上层软件提供标准的硬件访问接口和其它的基本操作系统服务，使得上层应用软件具有设备无关性。实时嵌入式操作系统为应用开发和测试提供了丰富的接口和可靠的保证，所以系统结构需要一个标准的操作系统接口来为操作系统服务，以增加应用的可移植性。 CORBA中间件层CORBA在CF中担当着分布式处理环境中的消息传递功能，它是一个跨平台的技术，在分布式处理环境中，能用于标准化客户端与服务端的操作。由于分
10、布式处理是SCA系统结构的基础，而CORBA又是一个广泛使用的中间件技术，所以在SCA中采用CORBA来提供分布式处理。 核心框架层核心框架CF是应用层接口和服务的基本“核心”集，为波形应用软件设计者提供底层软件和硬件层的抽象，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、配置和管理等。核心框架按功能划分由基本应用接口、框架控制接口、框架服务接口和域描述文件几个部分组成。 应用层应用层负责用户通信功能，包括modem级的数字信号处理，连接级的协议处理，网络级的协议处理，互联网路由，外部I/O访问，安全处理和嵌入式应用等，它需要使用CF中的接口和服务。其中前五层共同
11、构成一个通用的软件平台，为应用层的波形开发提供了统一的、开放的底层支持和服务。使波形应用开发具有最高的效率和最大的可移植性以及可重用性。采用如图2.2所示的软件体系结构可以最大化利用一些现成的商用协议、软件和产品，通过分层的、开放的商用基础软件能将将核心应用和非核心应用与底层硬件分离开，通过CORBA中间件技术提供分布式的处理环境，能提高波形应用软件的可移植性、可重用性和可扩展性。2.2 SCA设备接口核心框架(Core Framework一一CF)是一个结构概念，它定义了应用层接口和服务的基本核心集，在波形应用的开发过程中，为了使所开发的应用组件能纳入到核心框架中进行管理，应用组件必须严格按
12、照核心框架中的接口定义、接口操作行为定义和配置描述文件定义进行开发，否则，所开发的波形应用组件就不符合SCA规范，此组件也不是SCA兼容的。核心框架由核心框架接口部分和域描述文件部分组成，共同建立了一个构建应用的信息基础。其中，核心框架接口是在满足SCA规范的条件下定义的，包括基本应用接口、框架控制接口、框架服务接口三部分。2.2.1核心框架的结构关系核心框架CF包括了核心应用服务所涉及每一个接口的详细定义。图2.3描述了CF中各个接口间的IDL关系。图2.3核心框架中各接口间关系的IDL描述从图中可以看出，在SCA中，Domain Manager是SCA体系结构中进行整个域管理的核心，用来控
13、制和配置系统域，管理着Applications , Application Factories和Device Managers。Application Factory采用工厂设计模式(Factory Design Pattern)，实现其创建接口以在域内创建一个指定类型的Application，软件描述决定由Application Factory创建的Application类型。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，Application由一个或多个软件Resource组成。Resource由LifeCycle, TestableObject, PortS
14、upplier和PropertySet等基本应用接口提供的操作和属性建立了一个用来与SCA环境中的任何资源交互的公共方法。Port可被用于在资源和设备之间推或拉信息，一个资源可以包括0个或多个输入和输出信息端口。设备管理由DeviceManager接口完成，它负责创建逻辑Device和在这些逻辑Device上创建服务应用。Device继承自Resource，是应用中作为实际硬件设备软件代理的资源，LoadableDevice、ExecutableDevice接口通过增加软件的特定行为扩展了Device接口。文件服务接口(File, FileSystem和FileManager)主要用来安装、删
15、除系统内的各种文件，并提供分布式文件系统访问的功能。2.2.2设备接口1. Device接口Device是域内的一种Resource，它满足Resource接口中所描述的标准，是应用中作为实际硬件设备软件代理的资源，此外，它为域内的逻辑Device定义了额外的性能和属性。逻辑Device是一套(零个或多个)硬件设备的功能抽象，提供软件描述功能，状态管理和属性与性能操作的属性。这些capacity是在软件描述中描述的，各设备间不同，一个Device可以有多种可分配的capacity，每个都有其各自唯一的capacity模型。Device接口的UML模型描述如图2.4所示。在Device接口中，只
16、读的UsageState属性包含Device的使用状态(IDLE, ACTIVE或BUSY)。UsageState属性表明在一个特定的时刻Device是否处于活动的使用状态，如果是，还有没有可分配的剩余capacitiy, adminState属性包含了Device的管理状态值，该属性只允许被设为LOCKED和UNLOCKED两种值，当原来为“UNLOCKED”时，则可将之设为“LOCKED;当原来为“LOCKED”或“SHUTTING_ DOWN”时，则可将之设为“UNLOCKED，非法的状态改变命令将被忽略。只读operationalState属性表示Device的操作状态(ENABLED或DISABLE)。操作状态描述了Device是不是起作用。此外，softwareProfile属性是逻辑Device的XML软件描述。只读labe
