软件无线电无人机蜂群通信系统

◎陈海赞

一、引言

软件无线电具有开放性以及灵活性特征，不仅在民用无线电通信中发挥着较大优势，同时也逐渐被推广应用于军用领域，比如电子战、雷达等。因此软件无线电在无人机蜂群通信系统中的应用进行深入研究意义重大。

二、无人机蜂群作战概述

当蜜蜂成群飞行时，个体之间可进行信息交流，然后组成不同的队形，提升蜂群整体优势，队形不仅可向蜂群中间靠拢，同时也可朝向某个方向移动，与此同时个体之间可保持一定的间距。通过参考蜂群协作行为，创建出无人机蜂群作战方式，无人机编成群组可将信息网络作为中心，通过沟通平台进行信息交互，进而实施协同作战，充分整合无人机技术优势，提升无人机作战多样性。

三、软件无线电关键技术

1.智能天线技术。

智能天线技术可实现自我调整适应，同时可优化选择频段，并且还具有干扰对消以及移动跟踪功能。智能天线是由数字多波束所形成的天线，通过提高信噪比，有利于保证通信效果，促进系统管理水平的提升。

2.RF 前端技术。

通过应用RF 模块，能够有效覆盖软件无线电系统的所有频段，对于RF 模块，不仅要求支持多个标准，同时还应该对射频模块进行更换。为了促进RF 模块处理速度和能力的提升，应降低RF 模块体积以及损耗，并采用高密度集成形式，保证调制解调功能。

3.A/D-D/A 转换技术。

在软件无线电中，A/D-D/A 为至关重要的接口，通过应用A/D-D/A，可连接RF部分可与通用数字软件软件部分，这就要求A/D-D/A 具有良好的使用性能，提升采样速度分辨度，并增加输入宽带的宽度。

4.数字上/下变频（DUC/DDC）技术。

通过利用数字上/下变频（DUC/DDC）技术，可提取有效的频带信号，通过将其下变频到基带，即可提升基带处理能力。

5.基带技术。

在软件无线电中，基带处理技术为核心技术，数字信号处理器则为硬件平台的核心，其能够与DSP、FPGA、GPP 软件相配合，进而提升软件无线电的灵活性、开放性以及兼容性，同时还能够实现其他各项功能，包括滤波、协议控制、信道编解码以及调制解调，只有充分利用DSP、FPGA、GPP 技术，才能够提升信号处理运算能力。

6.互连技术。

互连技术的主要作用是连接系统中的各个单元，进而创建系统硬件平台，其能够有效保证硬件平台的开放性、可扩展性。在软件无线电中，常见互联结构有总线结构、树型结构以及交换结构三种。

四、软件无线电无人机蜂群通信系统技术方案

1.硬件平台设计。

（1）信道模块。

在软件无线电无人机蜂群通信系统技术方案硬件平台设计中，设计中频滤波器，可根据所选择的波形不同而选择相应的中频带宽。数字信号处理单元控制通道的功能包括射频控制以及数字上下变频等。

（2）信号处理模块。

信号处理模块可作为波形运行的重要载体，主要运行硬件抽象层、中间件、嵌入式操作系统以及波形组件。信号处理模块具有较强的信号运算以及处理能力，并且具有开放性、通用性、加载性等特征，能够有效满足各类波形的实际需要。GPP 运行部分网络协议，要求嵌入式操作系统具有较强的实时功能，DSP 和FPGA 的功能比较多，包括信道编码与译码、MAC 协议、信道估计均衡、数字调制与解调以及同步算法等。此外，FPGA 还具备高速总线接口，其能够与信道模块交换射频控制信息以及IQ 基带数据，另外其还具有可编程I/O 接口实现系统调控功能。

（3）主控与业务模块。

主控与业务模块的功能是对系统进行总体控制、波形互通以及波形管理，同时其还可作为对外各类业务的接口。主控与业务模块是由声码话单元、GPP 以及外部业务接口单元所组成的。

（4）射频控制。

本文中，所有波形的射频控制信息均采用统一的射频控制API 实现，从而使信道模块与波形的耦合程度大大减低，通用性显著提高。在通用硬件平台上，射频控制API 的封装和解析代码分别部署在信号处理模块和信道模块的FPGA 上。

2.通用软件平台设计。

软件平台基于SCA 体系结构构建，主要由波形应用、轻量化核心框架、CORBA中间件、硬件抽象层、硬件驱动程序、嵌入式操作系统、板级支持包/硬件驱动程序构成。其组成如图1 所示。

图1 软件平台系统架构

核心框架的功能模块由基础模块和核心模块组成。基础模块主要包括：描述文件解析器、部署管理器和资源管理器，分别提供波形应用的XML 文件解析、波形应用的动态加卸载管理以及系统资源的配置与管理。

CORBA 中间件用于屏蔽操作系统异构性以及网络协议异构性，为分布式环境中波形组件提供跨平台通信的能力。CORBA 中间件通过透明的远程功能调用、分离的对象定义和实现方法，能够有效规范客户端和服务器端操作，促进波形组件的分布式部署能力、可重用性以及可移植性的提升。

在波形应用运行环境中，实时操作系统至关重要，其能够为上层波形应用提供对底层物理硬件的抽象和封装，以合理、有效的方式组织和管理各种嵌入式计算机软硬件资源，控制程序执行流程，提供系统调用接口和驱动程序。

硬件抽象层针对不同的数据传输方式规定了一系列API，这些API 可屏蔽硬件平台相关的底层通信机制以及封装标准，将波形组件间通信方式与具体硬件平台进行分离，同时还能够保证波形组件底层通信访问接口的统一性，使得波形软件能够在不同硬件平台上进行平滑移植。

3.波形设计方案。

本文实现的宽带网络波形功能框图如图2 所示，按层次可划分为物理层、链路层、安全/密码、I/O 共4个部分。物理层采用正交频分复用（OthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）传输技术，以获得高效的频谱利用率；在接收端采用Turbo 迭代译码结构来进一步提高通信的可靠性。链路层采用支持多跳网络的基于时分复用多址接入（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA） 的 媒 体 接 入 控 制（MediumAccessControl，MAC）协议，以满足应急通信中自组网、多跳和网络节点密度大的应用需求。

五、结语

综上所述，本文主要对软件无线电无人机蜂群通信系统技术方案进行了详细探究，软件无线电为无线通信装备核心技术，基于软件无线电技术的无人机蜂群通信系统具有多通信体制兼容、软件可重构可升级、可扩展的多通道设计、组网机动灵活、军民产品一体化设计等特点，可同时支持宽、窄带信号通信组网，结构小巧、重量轻便、部署灵活，可同时实现无人机蜂群的飞控、测控、图像和机间协同信息的传输功能。

图2 宽带网络波形功能框图