基于SCA的軟件無(wú)線電在FPGA上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在分析現(xiàn)有基于SCA的軟件無(wú)線電在FPGA上實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于FPGA的CORBA通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，有效克服了原有實(shí)現(xiàn)方案的缺點(diǎn)，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(dòng)態(tài)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(fù)擔(dān)。最后，針對(duì)該設(shè)計(jì)方案搭建了硬件平臺(tái)，并給出了系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明此設(shè)計(jì)方案是行之有效的。
關(guān)鍵詞：軟件通信體系架構(gòu)；軟件無(wú)線電；對(duì)象請(qǐng)求代理；GIOP；FPGA

0 引言
自1992年Jeo Mitola中提出了軟件無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)的概念以來(lái)，有許多公司和團(tuán)體致力于SDR的研究和開(kāi)發(fā)，并取得了一定成果。但由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各研發(fā)單位采用各自不同的解決方案和實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，從而導(dǎo)致了不同制造商的SDR波形組件相互不兼容，難以實(shí)現(xiàn)互連、互通、互操作，不能進(jìn)行有效的協(xié)同工作，而且也不容易實(shí)現(xiàn)重配置。為了解決這些問(wèn)題，美軍JTRS(Joint Tactical Radio System)JPEO(Joint Program Executive Office)制定了軟件通信體系架構(gòu)(Soltware CommLmication Arehitecture，SCA)規(guī)范，用以實(shí)現(xiàn)不同波形組件間的可移植性，以降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。SCA基于POSIX、CORBA(Common Obiect Request Broker Architecture)和面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)，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(shí)現(xiàn)。
隨著對(duì)無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)波形組件的并行處理和高速運(yùn)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(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能夠?yàn)镕PGA上的波形組件提供這種支持。為了實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)，也有部分公司或團(tuán)體提出了直接在FPGA上實(shí)現(xiàn)CORBA的方案。本文將在分析MHAL和現(xiàn)存的CORBA方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種在FPGA上實(shí)現(xiàn)CORBA的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

1 技術(shù)介紹
1．1 CORBA簡(jiǎn)介
CORBA中間件標(biāo)準(zhǔn)是SCA必需的中間件層，它為SDR系統(tǒng)提供所需的通信架構(gòu)。CORBA位于應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間，屏蔽了不同平臺(tái)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等的差別，為開(kāi)發(fā)者提供了一致的調(diào)用模式。通過(guò)CORBA，應(yīng)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(wù)是幫助客戶調(diào)用對(duì)象上的方法，包括：定位對(duì)象、激活對(duì)象、把客戶的請(qǐng)求傳遞給對(duì)象。ORB能夠屏蔽與底層平臺(tái)有關(guān)的細(xì)節(jié)，保證了信息在分布式環(huán)境中不同平臺(tái)上的應(yīng)用組件間透明地傳輸。為了使由不同開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)的實(shí)現(xiàn)之間能相互通信，CORBA規(guī)范定義了GIOP(General Inter-ORB Protocol)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能夠在任何具有連接的傳輸層上實(shí)現(xiàn)。
1．2 SCA簡(jiǎn)介
SCA是美軍在JTRS中制定的軟件通信架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，是JTRS的主干。SCA通過(guò)面向?qū)ο蠓椒▌澐周浖布Y(jié)構(gòu)，建立了開(kāi)放的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提供了與具體實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)的軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)框架，保證了軟、硬件的可移植、可重構(gòu)及設(shè)備的互操作性。SCA規(guī)范包含軟件體系結(jié)構(gòu)定義、硬件體系結(jié)構(gòu)定義、安全體系結(jié)構(gòu)定義和應(yīng)用程序接口(API)四部分。
通過(guò)SCA所定義的分布式構(gòu)件規(guī)范，可將應(yīng)用與操作環(huán)境分離，同時(shí)使應(yīng)用功能模塊化，并為管理和使用軟件構(gòu)件定義了通用接口，通用業(yè)務(wù)和API以支持軟／硬件模塊移植。

2 現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方案分析
GPP處理器受其處理能力的限制，無(wú)法滿足當(dāng)前通信業(yè)務(wù)需求，使通信設(shè)備越來(lái)越多地依靠DSP(Digital Signal Processor)、FPGA等專(zhuān)用處理器來(lái)完成高速的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，這就使SDR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)必須面對(duì)由GPP，DSP和FPGA共同組成的多處理器平臺(tái)。雖然通過(guò)使用COR BA中間件技術(shù)可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式波形應(yīng)用，但由于CORBA標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)GPP的，在DSP，F(xiàn)PGA等處理器上沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可用。這導(dǎo)致SCA ／SDR的研究焦點(diǎn)分別集中在應(yīng)用程序接口(API)和商用中間件上，使SCA／SDR的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)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(shù)(如CORBA)。
2．1 使用MHAL方式實(shí)現(xiàn)的SCA／SDR系統(tǒng)
MHAL是JTRS JPEO提出的一種基于硬件抽象層的解決方案。其實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)在核心框架與FPGA之間加入代理，并明確規(guī)范代理與FPGA之間的數(shù)據(jù)格式來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA在SCA中的應(yīng)用的。圖1是以MHAL方式實(shí)現(xiàn)的分布式SCA／SDR系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)示意圖。這種方式下，GPP需要為FPGA上的每個(gè)波形組件實(shí)現(xiàn)一個(gè)代理，以實(shí)現(xiàn)分布式波形組件間的通信。通過(guò)使用代理，系統(tǒng)可以將FPGA上的波形組件當(dāng)作GPP上的波形組件一樣處理，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA上波形組件的靈活、高效的管理和使用。

在FPGA上實(shí)現(xiàn)的MHAL波形組件并通過(guò)接收帶參數(shù)的操作來(lái)調(diào)用波形組件所實(shí)現(xiàn)的功能，雖然這樣的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于FPGA開(kāi)發(fā)人員而言，可以減小編寫(xiě)波形組代碼的難度，但對(duì)于GPP開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，卻要在GPP上為每個(gè)FPGA上的波形組件實(shí)現(xiàn)一個(gè)組件代理，大大增加了開(kāi)發(fā)的負(fù)擔(dān)。而且這這種實(shí)現(xiàn)方式也必然會(huì)相應(yīng)地增加GPP的運(yùn)行負(fù)擔(dān)以及內(nèi)存資源占用，同時(shí)，在進(jìn)行GPP上的波形組件與FPGA上的波形組件問(wèn)通信時(shí)，必須要經(jīng)過(guò)組件代理的處理，實(shí)現(xiàn)GIOP報(bào)文與MHAL報(bào)文格式的轉(zhuǎn)換，這也就必然會(huì)給整個(gè)通信過(guò)程引入一定的延遲的增加、吞吐量的降低和低層次的重用。