空间软件无线电标准和体系架构研究
+ 周力1,2，魏急波1,2，唐麒1,2，熊俊1,2，赵海涛1,2，习勇2
【摘 要】[摘 要] 随着软件无线电（Software Defined Radio，SDR）在地面通信系统的广泛应用，空间系统对SDR的需求也越来越迫切。目前，在世界范围内，经过实践检验的SDR标准化体系架构主要有软件通信体系架构（Software Communications Architecture，SCA）和空间通信无线电系统（Space Telecommunications Radio System，STRS）两个系列，其中STRS已在国际太空站的SDR载荷上完成了部署。为了探索将SCA应用于空间无线电的可行性，本文首先对比了SCA和STRS的最新标准体系架构特点和接口实现差异。从功能上看，SCA具有更丰富的功能特性，可支持更复杂的应用形态。其次，考虑空间系统存储和计算资源的限制，本文从存储资源占用、组件通信时延、应用加载时延和应用切换时延上对两种架构的性能进行了比较。实验结果表明，尽管SCA在静态存储资源占用、应用加载时延和应用切换时延指标上与STRS有较大差距，但是在组件通信时延上，可获得与STRS相近的性能。本文的相关结论可为我国空间SDR体系架构的设计和标准化工作提供一定参考依据。
【期刊名称】卫星与网络 【年(卷),期】2018(000)005 【总页数】6
【关键词】[关键词] SDR；SCA ；STRS；标准；体系架构 【
文
献
来
源
】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_satellite-
network_thesis/0201237489948.html
近年来，软件无线电（Software Defined Radio，SDR）技术发展迅速，将SDR应用于卫星通信、测控和导航等应用开发能显著缩短整个系统的研制和迭代周期，有效降低成本。通过构造开放的标准化硬件平台和软件平台，将各种空间应用（如通信波形、组网协议、遥感遥测等）用符合标准接口规范的软件来实现，可构建具有高度灵活性和开放性的空间SDR体系架构，进一步支撑软件定义卫星的实现。目前，在世界范围内，经过实践检验的SDR标准化体系架构主要有软件通信体系架构（Software Communications Architecture，SCA ）[1]和空间通信无线电系统（Space Telecommunications Radio System，STRS）[2]两个系列。
如表1所示，SCA标准起步于2000年，经过早期几个版本的验证，于2006年发布了用于正式部署的版本SCA 2.2.2[3]，这也是迄今为止使用最为广泛的标准版本。据统计，截止到2017年底，全球范围内采用SCA 2.2.2标准的军用和安全电台数量已经超过了50万部[4]，参与的国家、研究中心和项目的数量不断增加，配套标准仍在不断完善和发展之中。目前，SCA已成为国际标准，主要由美国国防部联合战术网络中心（Joint Tactical Networking Center，JTNC）和无线创新论坛（Wireless Innovation Forum，WInnForum）主导，并在北约国家广泛应用。2015年8月，JTNC发布了跨时代的SCA 4.1[5]，针对新技术背景下的应用需求，对SCA 2.2.2进行了大量优化（取消了对CORBA的依赖，支持功能裁剪等），并引入了诸多新特性（组件自启动、嵌套应用、应用互连等）。2018年2月28日，美国国防部正式宣布在美军陆海空战术装备中全面强制部署SCA 4.1标准，取代之前部署的SCA 2.2.2规范[1]，这标志着SCA 4.1即将在全球范围内进入全面部署阶段。
早在2002年，美国航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）就启动了空间SDR计划，并于2006年前后尝试将SCA 2.2.2应用于空间无线电载荷。但是受限于当时空间载荷存储和处理资源的限制，该计划初期进展并不顺利。考虑到空间载荷大小、重量、功耗和计算能力的限制， NASA决定定义一套适用于空间应用需求的SDR体系架构，通过采用轻量化的软件架构设计，减少载荷资源的开销，以适应在资源受限场景下应用SDR技术的要求。2010年，NASA将3个符合STRS标准架构的SDR载荷送入空间站，开放给学术界和工业界进行科学实验和创新[6]。2012年，Harris公司将STRS架构应用于AppStar卫星载荷体系架构，用于通信、地理观测、飞机和舰船跟踪等领域[7]。2018年3月14日，NASA将标准升级到NASA-STD-4009A[8]，进一步支撑空间SDR的发展。当前，无线创新论坛已将STRS标准收录为其系列标准之一。
从基本功能上来看，SCA和STRS这两套标准体系架构都支持应用与平台的解耦，支持应用组件的连接和通信。那么，当SCA发展到4.1版本的阶段，其优化后的性能能否支持其在空间SDR中的应用？本文对两种体系架构软件平台的功能特性和性能指标进行了研究，以探索将SCA 4.1体系架构应用于空间SDR的可能性。
1 标准体系架构介绍
1.1 SCA 4.1体系架构
SCA 4.1体系架构如图1所示，一般将底层驱动之上、波形应用之下的软件统称为运行环境（Operating Environment，OE）[4]。OE提供了管理和执行框架组件的功能，主要由操作系统、传输机制、核心框架控制组件、平台设备组
空间软件无线电标准和体系架构研究
