基于SCA的无线通信计算机系统研究

摘要：无线通信正朝着“网络一体化、通信数字化、信道宽带化、业务综合化、网管智能化”的方向发展。采用软件无线电技术和模块化设计思路，构造新一代的无线通信系统，是无线通信发展的趋势。本文主要探讨基于SCA的无线通信计算机系统的设计与研究。

关键词：SCA；无线通信计算机系统；模块化

随着现代计算机硬件的发展，网络新业务需求的增长，现代通信技术的进步，人们希望通过通信能够实现信息的移动化、宽带化及IP化。传统的固网接入服务和有限的局域网接入服务已经无法满足人们日益增长的使用需求。在经济文化迅速发展，人才辈出的今天，用户已经不满足于通过无线网络得到语音服务、短信服务和低速率的数据传输服务，而是更渴望得到高速宽带化的数据服务。同时，IP通信技术的完善和成熟也带动了用户通信方式的转变，为满足这种发展趋势，必须要进行网络扩展。而此时基于IEEE802.16标准的无线城域网通信技术，即WiMAX技术，则能很好的实现用户的需求，满足其高速率宽带化数据服务的渴求[1]。

1.SCA无线通信系统的需求分析

在SCA中，根据通信功能的划分，所有的资源通过软件平台分别加载到相应的硬件模块中，从而完成用户通信功能。从OSI（开放系统互连）模型来看，这些通信功能包括了物理层的数字信号处理、链路层的协议处理、网络层的协议处理、网络间的路由转发、信息的安全传送、外部输入输出访问等。

2.硬件体系结构分析

无线通信计算机处理系统参考模型主要包括射频模块、黑区/红区处理器（嵌入式计算机模块）、多通道信息安全模块、MODEM模块、黑/红区电源模块、I/O接口模块、北斗定位模块和标准频率源模块。这些模块通过标准CPCI总线进行连接，提供了一个通用的硬件平台。根据网络信息安全防护需要，要求用户信息处理模块和无线通信模块要实现物理连接的完全隔离，两类模块之间的资源访问必须通过信息安全模块的过滤和控制。在无线通信计算机处理系统中，将传输的用户信息都已经过信息安全防护处理的区域定义为黑区；将用户信息没有进行信息安全防护处理的区域定义为红区。黑区和红区使用各自的系统总线连接方式，黑区处理器和红区的信息安全模块之间通过光纤方式实现互联，这样就保证黑、红区之间的通信都要通过信息安全模块[2]。

硬件体系结构的设计采用面向对象技术的设计思想，其可以表示为一种树形结构的硬件类和一组实现要求（属性）。在最顶层，硬件体系结构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、处理器、信息安全、输入输出、电源、北斗定位系统、参考标准、关键系统连接等子类。硬件子类继承了硬件模块类的所有属性。对应于硬件子类的硬件对象就是实际设备中的硬件模块，也就是这些硬件子类的物理实现，具有特定的属性值。硬件模块应根据平台和环境的要求来确定具体的属性值[3]。只要符合某种要求，这些硬件子类就可以被实例化为适用于不同平台和应用领域的硬件模块。

采用面向对象技术设计的硬件体系结构是可以进一步扩展的，可以根据需要补充新的子类。新子类要继承父类的属性，但是同时可以具有自己独特的属性。例如，射频类可以扩展为接收机、激励器、功放等子类；调制解调类可以扩展为调制器和解调器子类；处理器类可以扩展为通用处理器、数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等子类；信息安全类可以扩展为加密解密和访问控制等子类。

3.软件体系结构分析

无线通信计算机系统是一个以软件为核心的无线信号处理平台，在该平台中要求硬件结构必须通用化，即硬件体系结构不能针对某个特定的功能设计，而是设计成可扩展的通用设备，这些设备通过逻辑软件包进行封装和描述，并可以通过加载不同的功能软件实现特定的功能。基于SCA的无线通信计算机系统在ISO/OSI七层参考模型的基础上，参照美军JTRS“软件通信体系结构规范（SCA）”和软件无线电组织的相关规范。

在软件体系结构中，黑区处理器主要完成对黑区资源、设备、波形组件等管理功能。同时通过与红区处理器相连，接受用户的操作、控制和配置命令，完成对整个无线通信计算机系统的管理。黑区硬件模块可扩充，通过加载不同的软件模块，可实现各种电台的功能以及相应的自组网和路由协议，与各种电台之间、各种无线网与有线网之间实现互联互通。黑区软件操作系统为Vx-Works，通过CORBA与红区进行通信。黑区的设备主要包括射频模块、中频处理模块等硬件模块以及自组网协议、与波形应用相关的软件等软件组件。红区软件是对无线通信计算机系统整个域的管理、配置与维护，以及为应用波形的安装、启动、运行等提供通用的、统一的服务，并针对各种满足SCA规范的不同设备、波形组件等提供一种基于CORBA的系统操作、控制、配置和管理，并提供友好的用户界面。红区软件模块主要包括核心框架、域配置文件解析器、无线通信计算机处理系统引导模块、波形加载与运行支撑组件、可加载设备组件、可运行设备组件、无线通信网络协议组件等。采用此软件体系结构设计的无线通信计算机系统在具体项目中得到了应用，保证了系统硬件设备的通用性和软件的灵活性和可扩展性[4]。

4.安全体系结构的描述

为了保证用户信息在发送、处理、存储过程中的机密性和完整性，能够对不同安全要求等级的信息进行传输和接收，确保不同的无线通信系统能够互连、互通和互操作，这就必须形成安全体系结构。

为了实现安全体系结构的4个要素，基于SCA无线电通信系统的安全体系结构可以由3个不同层次的安全子系统构成：加密子系统、信息安全子系统、设备安全子系统。对于传统系统而言，安全功能具有明确的物理边界，如加密、解密和密钥管理模块等。对于基于SCA的无线通信系统而言，安全功能不存在明确的物理边界，而只能从功能的角度来定义边界。换句话说，整个系统的安全功能不只是由一个边界分明的安全模块来单独完成，而应由加密子系统、黑边处理器和红边处理器共同来完成[5]。

加密子系统将使用一个较为传统的方法来处理，即：使用高度保险的设计和评估方法，使用安全权威部门批准的模块、算法和防护机制。这种信息的防护完全依赖于密码的质量、密码密钥的防护以及密码和旁路功能的控制，以防止恶意的或因疏忽造成的泄密。加密子系统包括一组在启动和运行时都不能分离的软件和硬件。加密功能不能被软件平台加载，而是在系统启动后由子系统内部加载运行。密码配置功能也在加密边界内部。软件平台用于建立通往边界外的通信通路，其接口提供数据、控制和进出边界的状态。加密子系统包含了一组最为重要的安全功能，这些功能为红黑信息提供了安全的隔离，包括加密/解密、旁路控制以及电气隔离等。加密/解密功能包括密钥和算法管理、加密信道加载、密码控制等子功能。加密子系统最主要的功能是密钥流生成和加密旁路，其它机制都为这2种功能提供服务保护。加密和解密是加密子系统的传统角色，用于防止信息在未加防护的传播媒介中进行广播。加密是指对红边信息的加密，解密是指对黑边信息的解密[6]。

结论：

通过定义这样的安全体系结构，可以保证基于SCA无线通信系统实现不同的安全体制，提供不同的安全级别，在统一安全体系结构的前提下保证无线通信系统的互连、互通和互操作。

参考文献：

[1]王勇. 浅析矿用TD-SCDMA无线通信系统及应用[J]. 电子世界，2013，08：72-74.

[2]杨忠玲，刘畅. 浅谈GSM-R系统在城市轨道交通无线通信系统中的应用[J]. 电子制作，2013，10：145.

[3]张晓光1，李军2. WCDMA无线通信系统在煤矿的应用分析[J]. 工矿自动化，2013，06：.

[4]王佳 李卓. 无线通信系统网络规划的实现思考[J]. 电子技术与软件工程，2013，18：39.

[5]罗政. 点对多点无线通信系统设计与实现[J]. 中国新通信，2013，05：7-8.

[6]刘立伟. 浅析轨道交通无线通信系统电波覆盖特性[J]. 科技创新与应用，2013，15：50-51.

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