Инновационные разработки

Аннотация

То, что началось более 20 лет назад как проект Министерства обороны США по созданию перепрограммируемой «на лету» радиосистемы для работы с множеством радиоприложений, превратилось в широко распространенную гибкую архитектуру, изменившую всю индустрию. В результате был разработан архитектурный фреймворк SCA (англ. Software Communication Architecture), который применяется сегодня более чем в 400 000 радиоустройств по всему миру. В этой статье исследуется развитие SCA от появления в рамках программы SPEAKeasy до релиза SCA 4.1.

Введение

SCA — независимый от конечной реализации архитектурный фреймворк, содержащий спецификации стандартизации инфраструктуры SDR business (англ. Software-Defined Radio). SCA, изначально разработанная Министерством обороны США, поддерживается Объединенным центром тактических сетей (англ. Joint Tactical Networking Center, JTNC) в сотрудничестве с различными компаниями и организациями, такими как Форум беспроводных инноваций (англ. Wireless Innovation Forum, WinnF) [1]. Спецификация SCA оказала значительное влияние на эволюцию программно-определяемых радиосистем (англ. Software-Defined Radio, SDR), а ее принципы использовались при разработке продуктов в различных сферах промышленности по всему миру,

Технологические достижения в сфере цифровых процессоров, увеличение частоты дискретизации аналого-цифровых преобразователей и другие технологические разработки способствовали продолжающемуся переходу методов обработки комплексных сигналов в цифровую область. Этот рост существенно изменил процесс проектирования радиосистем и их архитектуру. Последние поколения SDR превратились в сложные, преимущественно программные системы, способствующие дальнейшему развитию коммуникационных возможностей. SDR позволила реализовать более экономичный и эффективный жизненный цикл радиосистем, предоставив возможность добавления и обновления системных функций без аппаратных изменений. До того, как SCA стала стандартом с открытой архитектурой, для разработки SDR применялись проприетарные архитектуры, что тесно связывало аппаратные платформы и радиоприложения уникальным для каждого производителя SDR образом. SCA была построена на основе предыдущих поколений SDR, ускорив развитие современных радиосистем за счет эффективного привлечения крупных инвестиций в сферу коммерческого программного обеспечения и продвижения открытых стандартов. Спецификация SCA и окружающие ее технологии способствуют повторному использованию программного обеспечения и упрощенной адаптации радиоприложений к новым аппаратным средствам среди платформ SDR и позволяют достичь ключевых общеотраслевых целей:

повышения совместимости между отдельными SDR-устройствами и в целом среди систем радиосвязи;
сокращения сроков и финансовых затрат, необходимых для разработки и внедрения SDR (и сопутствующих систем), включая поэтапное внедрение новых функций в SDR-системы.
SCA предоставляет набор правил и условий взаимодействия между радиоприложениями и аппаратными радиоплатформами, эффективно применяя парадигму объектно-ориентированного программного обеспечения и используя компонентно-ориентированную разработку (англ. Component-Based Development, CBD). Технологию CBD иногда называют «промышленной революцией» программного обеспечения, стимулировавшей появление взаимозаменяемых программных компонентов, созданных согласно спецификациям [3]. При использовании технологий CBD программные компоненты представляются как целостные объекты с набором определенных возможностей и функций ввода/вывода. Компоненты соединяются между собой и создают полноценные приложения, например, радиоприложения SDR. Спецификация SCA также определяет основной набор системных интерфейсов и профилей с открытой архитектурой, который предоставляет возможности конфигурирования, сборки, внедрения и управления компонентами, окончательно формирующими радиоприложения. Компоненты радиоприложений могут располагаться на разных аппаратных элементах SDR таким образом, как это необходимо разработчикам радиосистем. Это расположение должно соответствовать общим требованиям SDR, возможностям и конструктивным особенностям аппаратной части радиоплатформы и совокупности архитектуры и конфигурации программного обеспечения SDR.

Происхождение SCA
Ранние разработки SCA начались в рамках проекта Министерства обороны США – SPEAKeasy. SPEAKeasy был запущен в 1991 году с целью создания SDR-системы, способной к перепрограммированию в процессе работы и поддержке множества стандартов радиоинтерфейсов (названных радиоприложениями) одновременно [4]. Эта возможность была очень привлекательной для военного применения как способ уменьшения долгосрочных затрат на внедрение и обслуживание аппаратных радиосистем. Платформа SPEAKeasy состояла из массива процессоров TMKS320C40 от Texas Instruments и других процессоров специального назначения, размещенных на стандартной печатной плате. Платформа также включала отдельную подсистему трансивера и программируемый модуль информационной безопасности INFOSEC. В целях проверки концепции, помимо SPEAKeasy, финансировались и другие проекты, такие как Объединенный боевой информационный терминал (англ. Joint Combat Information Terminal, JCIT) и Цифровое модульное радио (англ. Digital Modular Radio, DMR). Эти проекты дополнительно подтвердили возможность реализации и внедрения SDR.

По результатам опыта, полученного при создании SPEAKeasy, стало ясно, что существовала необходимость в общей системе управления радиоустройствами для внедрения, конфигурирования и управления программным обеспечением обработки сигналов, а также других компонентов радиоприложений. Эта система управления создавалась отдельно для каждого из ранних проектов, что ограничивало ее повторное использование на разных платформах. Для поддержки актуальности системы и разработки радиоприложений несколько команд одновременно начали создание общего фреймворка и рабочего окружения на второй фазе программы SPEAKeasy [5], которая началась в 1995 году.

Элементы этой программной архитектуры были представлены на форуме многофункциональных модульных систем передачи информации (англ. Modular Multifunction Information Transfer Systems, MMITS), который был основан по инициативе ВВС США в качестве промышленной ассоциации, специализирующейся на развитии технологий SDR. В 1997 году форум MMITS опубликовал «Технический доклад 1.0», в котором были определены архитектура и элементы программно-определяемых радиосистем [6, 7]. В 1998 году форум MMITS был переименован в Форум SDR и продолжил развитие архитектуры силами своего ответвления Mobile Working Group, что привело к созданию архитектуры программного радио (англ. Software Radio Architecture, SRA), опубликованной в «Техническом отчете 2.1» в качестве промышленного стандарта в 1999 году [8].

SRA была разработана для поддержки функциональных интерфейсов, представленных на рисунке 2. Ключевые требования к архитектуре включали масштабируемость, возможность реализации архитектуры на как можно большем количестве радиоплатформ, возможность обновления для расширения функционала и добавления новых радиоприложений без модификаций аппаратных платформ. Для достижения этих целей SRA использует объектно-ориентированный основной фреймворк, состоящий из менеджера домена, файлового менеджера, менеджера ресурсов и устройств, необходимых для установки, удаления и контроля радиоприложений. Общая архитектура брокера объектных запросов (англ. Common Object Request Broker Architecture, CORBA) была выбрана в качестве слоя связующего программного обеспечения или «программной шины» в этой архитектуре, а общее рабочее окружение базировалось на спецификации POSIX. Приложения, использующие этот фреймворк, созданы на базе модели компонентов Рабочей группы разработки и продвижения объектно-ориентированных технологий и стандартов (англ. Object Oriented Group, OMG) и были инстанцированы при помощи «фабрики приложений».

Вклад Форума SDR

В связи со стремительным развитием программы JTRS MSRC был распущен. Большая часть участников MSRC также были основателями Форума SDR, что стало катализатором активности в сфере SCA и в связанных с SCA сферах. Ранняя активность Форума заключалась в спонсорстве проекта по реализации SCA с открытым исходным кодом. Результатом этого проекта стала эталонная реализация SCA (англ. SCA Reference Implementation, SCARI), проект, разработанный научно-исследовательским центром связи (англ. Communication Research Centre, CRC). SCARI-OPEN – реализация SCA с открытым исходным кодом, написанная на языке Java и доступная для скачивания [10]. Другим проектом была разработка эталонной реализации FM3TR, многорежимного радиоприложения, поддерживающего передачу как голоса, так и данных. Оно было разработано в середине 2000-х и на данный момент доступно для исследований сообщества.

В 2004 году представители Harris Corporation и CRC провели демонстрацию совместимости двух независимо разработанных спецификаций SCA. Эта демонстрация подчеркнула эффективность применения общего набора интерфейсов и определений в различных радиосистемах.

Многочисленные вклады были сделаны Форумом в рамках поддержки мирового развития SCA:

доклад об API (SDRF-03-R-0005-V1.0.0);
заявление JTRS JPO касательно усилий по стандартизации адаптации радиоприложений к новым аппаратным средствам DSP и FPGA (SDRF-04-R-0003-V1.0.0);
предложения по изменениям SDRF и комментарии по поводу приложения о специализированном аппаратном обеспечении JTRS SCA 3.0 (SDRF-05-R-0001-V1.0.0);
комментарии к SCA V.2.2.2 (SDRF-06-R-0012-V1.0.0);
руководство по тестированию и сертификации SDR, основанных на SCA – Часть 1: SCA (SDRF-08-P-0007-V1.0.0).

Comments are closed.

Подписывайтесь на обновления нашего сайта и будьте в курсе всех событий происходящих в нашем мире.