基于SCA的軟件無線電在FPGA上設計與實現

摘要：在分析現有基于SCA的軟件無線電在FPGA上實現方案優缺點的基礎上，提出了一種基于FPGA的CORBA通信系統設計方案，有效克服了原有實現方案的缺點，不但為FPGA上的波形組件提供了良好的可重用性、可移植性和動態部分重配置的支持，而且還有效提高了FPGA硬件資源的使用效率，降低了通用處理器的工作負擔。最后，針對該設計方案搭建了硬件平臺，并給出了系統的性能測試結果，測試結果表明此設計方案是行之有效的。
關鍵詞：軟件通信體系架構；軟件無線電；對象請求代理；GIOP；FPGA

0 引言
自1992年Jeo Mitola中提出了軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)的概念以來，有許多公司和團體致力于SDR的研究和開發，并取得了一定成果。但由于沒有統一的標準，各研發單位采用各自不同的解決方案和實現架構，從而導致了不同制造商的SDR波形組件相互不兼容，難以實現互連、互通、互操作，不能進行有效的協同工作，而且也不容易實現重配置。為了解決這些問題，美軍JTRS(Joint Tactical Radio System)JPEO(Joint Program Executive Office)制定了軟件通信體系架構(Soltware CommLmication Arehitecture，SCA)規范，用以實現不同波形組件間的可移植性，以降低開發費用、縮短開發時間。SCA基于POSIX、CORBA(Common Obiect Request Broker Architecture)和面向對象等技術，提高了SDR的互操作性以及波形組件的可移植性和可重用性，并獲得了GPP(General Purpose Processor)的良好支持，使基于SCA的SDR在GPP上能夠很好地實現。
隨著對無線通信帶寬、速率等提出的更高要求，GPP受工作方式、處理能力的限制，難以滿足這些要求，這就需要FPGA(Field Program-mable Gate Array)的加入來實現波形組件的并行處理和高速運算等功能。雖然SCA為GPP上的波形組件提供了很好的可移植性和可重用性，但目前還沒有一個標準能夠為FPGA上的波形組件提供這種支持。為了實現FPGA上波形組件的可移植性和可重用性，一些方案是在GPP上實現FPGA上波形組件的代理，其中比較典型的是JTRS JPEO提出的MHAL(Modem Hardware Abstraction Layer)，同時，也有部分公司或團體提出了直接在FPGA上實現CORBA的方案。本文將在分析MHAL和現存的CORBA方案優缺點的基礎上，提出一種在FPGA上實現CORBA的改進設計方案，并對該方案進行了測試驗證。

1 技術介紹
1．1 CORBA簡介
CORBA中間件標準是SCA必需的中間件層，它為SDR系統提供所需的通信架構。CORBA位于應用程序和操作系統之間，屏蔽了不同平臺、操作系統、網絡協議等的差別，為開發者提供了一致的調用模式。通過CORBA，應用組件可以獲得良好的可移植性、可重用性和互操作性。
ORB(Object ReqLtest Broker)是CORBA的核心，其任務是幫助客戶調用對象上的方法，包括：定位對象、激活對象、把客戶的請求傳遞給對象。ORB能夠屏蔽與底層平臺有關的細節，保證了信息在分布式環境中不同平臺上的應用組件間透明地傳輸。為了使由不同開發者開發的實現之間能相互通信，CORBA規范定義了GIOP(General Inter-ORB Protocol)協議標準，能夠在任何具有連接的傳輸層上實現。
1．2 SCA簡介
SCA是美軍在JTRS中制定的軟件通信架構標準，是JTRS的主干。SCA通過面向對象方法劃分軟件／硬件結構，建立了開放的系統標準，提供了與具體實現無關的軟件無線電開發框架，保證了軟、硬件的可移植、可重構及設備的互操作性。SCA規范包含軟件體系結構定義、硬件體系結構定義、安全體系結構定義和應用程序接口(API)四部分。
通過SCA所定義的分布式構件規范，可將應用與操作環境分離，同時使應用功能模塊化，并為管理和使用軟件構件定義了通用接口，通用業務和API以支持軟／硬件模塊移植。

2 現有實現方案分析
GPP處理器受其處理能力的限制，無法滿足當前通信業務需求，使通信設備越來越多地依靠DSP(Digital Signal Processor)、FPGA等專用處理器來完成高速的數據處理任務，這就使SDR系統的設計和實現必須面對由GPP，DSP和FPGA共同組成的多處理器平臺。雖然通過使用COR BA中間件技術可以很容易地實現分布式波形應用，但由于CORBA標準是針對GPP的，在DSP，FPGA等處理器上沒有相應的標準可用。這導致SCA ／SDR的研究焦點分別集中在應用程序接口(API)和商用中間件上，使SCA／SDR的設計和實現出現了兩種主要模式：使用使用硬件抽象層(如MHAL)和使用分布式中間件技術(如CORBA)。
2．1 使用MHAL方式實現的SCA／SDR系統
MHAL是JTRS JPEO提出的一種基于硬件抽象層的解決方案。其實現方法是通過在核心框架與FPGA之間加入代理，并明確規范代理與FPGA之間的數據格式來實現FPGA在SCA中的應用的。圖1是以MHAL方式實現的分布式SCA／SDR系統布局結構示意圖。這種方式下，GPP需要為FPGA上的每個波形組件實現一個代理，以實現分布式波形組件間的通信。通過使用代理，系統可以將FPGA上的波形組件當作GPP上的波形組件一樣處理，這樣就可以實現對FPGA上波形組件的靈活、高效的管理和使用。

在FPGA上實現的MHAL波形組件并通過接收帶參數的操作來調用波形組件所實現的功能，雖然這樣的實現方式對于FPGA開發人員而言，可以減小編寫波形組代碼的難度，但對于GPP開發人員來說，卻要在GPP上為每個FPGA上的波形組件實現一個組件代理，大大增加了開發的負擔。而且這這種實現方式也必然會相應地增加GPP的運行負擔以及內存資源占用，同時，在進行GPP上的波形組件與FPGA上的波形組件問通信時，必須要經過組件代理的處理，實現GIOP報文與MHAL報文格式的轉換，這也就必然會給整個通信過程引入一定的延遲的增加、吞吐量的降低和低層次的重用。