CN101399556A - 一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法 - Google Patents

Abstract

一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法属于软件无线电的技术领域，其特征在于：把控制器单元、波形组件库、处理单元、扩展接口、人机接口、模式识别和环境感知单元以及射频和天线单元集成于一个物理平台上，外部用户通过人机接口初始化、或中断控制器单元的通信模式，而模式识别和环境感知单元则从天线识别外部信号的通信模式参数和通信环境参数并通知所述控制器单元从波形组件库中提取相应的波形组件及其各功能子组件，同时，当其中一个具体通信环境参数超过设定的阈值时，该控制器单元便修改当前波形组件中对应功能子组件的相应参数，或者调整控制策略，本发明具有能对软件无线电进行动态配置、自适应控制及自我描述的优点。

Description

一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法

技术领域

本发明涉及一种应用于软件无线电的动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法.

背景技术

上世纪九十年代中期兴起的软件无线电技术，可以将多种硬件单元、不同工作模式集成在一个共同的物理平台上，通过软硬件的可重构过程，实现多频段、多模式之间的切换，完成无线通信系统的各种功能。它综合了现代通信理论、数字信号处理和微电子技术，最初用于军事通信领域，后来被引入到个人通信领域，并逐步渗透到其他电子技术领域。软件无线电强调以开放性硬件为通用平台，以一个物理平台实现多个无线通信功能的系统，尽可能地用可升级、可重配置的不同应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。即：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。

采用SDR技术的新一代无线通信系统统一平台，其软件体系结构必须满足系统化、模块化、智能化的要求。SDR目前普遍采用的软件体系结构是软件通信体系结构SCA(Software CommunicationArchitecture)。SCA结构如说明书附图1所示，SCA要达到的目标是：通用的和开放的结构，支持多种环境、多波段、多模式，与现有系统兼容，方便新技术的引入，保密性和安全性好，开发可重用/通用的波形软件。为了实现这一系列目标，我们需要在SCA框架的基础上，设计适用于软件无线电平台的软件管理体系和方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种适合于软件无线电的软件管理方法，实现软件通信体系结构SCA提出的通用的和开放的结构，支持多种环境、多波段、多模式，与现有系统兼容，方便新技术的引入，保密性和安全性好，开发可重用/通用的波形软件的目标。

本发明的特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)初始化：把下述硬件单元集成在一个共同的物理平台上：控制器单元、波形组件库、处理单元、扩展接口、模式识别和环境感知单元以及射频和天线单元，其中：

波形组件库用FLASH存储器实现，与所述控制器单元互连，所述波形组件库内存储有加载到所述处理单元的多组波形组件，每一种通信体制至少对应一组所述波形组件，在所述多个波形组件中还包括供所含有的各种功能子组件通信用的各种预定义接口；

扩展接口与所述波形组件库互连，把新的波形组件加载到所述波形组件库中；

处理单元是一个FPGA，与所述控制器单元互连，实现软件无线电涉及到的信号处理过程；

人机接口与所述控制器单元互连，实现所述控制器单元和外部用户的信息和外部信令交互，所述外部信令包括初始化外部信令以及外部中断信令，若所述控制器单元收到初始化外部信令，首先检查该初始化外部信令中是否带有通信模式参数，如果有，便从所述波形组件库中读入对应所述通信模式的波形组件，再加载到所述处理单元中，然后根据通信模式参数设定所述射频和天线单元的工作参数，转入正常工作状态，如果所述初始化外部信令中没有所述通信模式参数，则设置所述天线的工作状态为全频段轮询；若所述控制器单元收到外部中断信令，则判断该外部中断信令的类型：如果为重设置信令，则按所述初始化外部信令处理；如果为结束信令，则所述控制器单元控制所述各单元停止工作；

模式识别和环境感知单元，与所述控制器单元互连，实时监听所述射频和控制单元的信号，产生内部信令并发送到所述控制器单元，所述内部信令包括通信模式参数和通信环境参数：通信模式参数至少包括通信制式和双工方式，所述控制器单元依据该通信模式参数从所述波形组件库中读取对应的波形组件并加载到所述处理单元，并根据具体的通信模式参数设定所述射频和天线单元的工作参数；所述通信环境参数至少包括信噪比和误码率，所述控制器单元接收到所述通信环境参数后，与设定的阈值相比较：若某一个具体的通信环境参数的变动超出所述阈值，则把新的波形组件和经过重新配置的所述环境参数加载到所述处理单元，使新的波形组件和参数相对应于已经超出所述阈值的通信环境参数；

步骤(2)依次按以下步骤执行所述的反射式软件管理方法：

步骤(2.1)外部用户设定初始化参数，以初始化外部信令的方式发送到所述控制器单元：

若所述初始化外部信令中含有所述通信模式参数，则系统进入正常工作状态；

若所述初始化外部信令中无所述通信模式参数，则所述天线进入全频段轮询式搜索，一旦在某一个频段f搜索到新信号，则把该信号发送给射频部分，经处理后，发送给所述模式识别和感知单元进行识别：当为有用信号时按该信号的通信体制把通信模式参数送给所述控制器单元，控制所述天线工作在所述的f频段，转入正常工作状态；当为噪声信号时，所述天线继续进行全频段轮询，

步骤(2.2)在正常工作时一旦超过了设定重置门阈值时间T还未收到信号，则返回到所述全频段轮询工作状态，

步骤(2.3)在正常工作时当所述通信环境参数中某一具体参数的变动超出设定的阈值时，所述控制器单元便加载相应新的波形组件和重新配置的通信环境参数，使变化返回正常工作状态，

步骤(2.4)在正常工作时，当所述外部用户实时引入外部中断信令时，则或者进入重设置并转到步骤(2.1)，或者进行通信结束状态。

本发明中提出的基于软件无线电的动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，能够很好的实现通用和开放的结构，支持多种环境、多波段、多模式，与现有系统兼容，方便新技术的引入，保密性和人安全性好，开发可重用/通用的波形软件的目标，能够很好的应用于各类软件无线电平台。

附图说明

图1软件通信体系结构SCA

图2动态配置、自适应和策略驱动特点的反射式软件管理方法逻辑框图

图3动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法具体实施方案

图4以CDMA IS-95模式切换到GSM模式为例具体实施方案

具体实施方式

所述软件管理方法是一种应用于软件无线电平台，具有动态配置、自适应和策略驱动特点的反射式软件管理方法。该软件管理方法逻辑框图如说明书附图2所示，其中：

波形组件库模块内部存储有待加载到处理单元中的波形组件，每一种通信体制都至少对应一组波形组件。波形组件中至少会有：数字中频子组件、调制解调子组件、纠错编解码子组件、跳频控制子组件、接入与链路控制子组件、网络路由与传输控制子组件，每个子组件内部还有多个可选的模块实现不同模式的传输功能，各子组件之间通过预先定义的标准组件接口进行通信。波形组件库在软件无线电平台中一般采用FLASH存储单元实现。

扩展接口主要用来实现把新的波形组件加入到FLASH中。

处理单元模块用来实现软件无线电涉及到的信号处理过程。辅助处理单元主要协助处理单元完成信号处理。处理单元和辅助处理单元都是可编程可重构的器件。

控制器单元负责控制和管理整个系统，在设定的策略下，控制器从FLASH中读取波形组件，然后加载到处理单元和辅助处理单元中。在软件无线电平台运行过程中，控制器可以实时的控制和切换各个模块的工作状态和参数。

人机接口主要用来实现外部用户和内部控制单元的信息和信令交互。

模式识别和环境感知单元主要用来识别通信的模式和感知通信环境的变化。模式识别和环境感知单元在系统运行过程中会实时监听RF和天线单元接收到的信号。

本发明提出的软件管理方法，其动态配置特性表现在：

(1)在系统运行初始阶段，外部用户可以通过人机接口向控制器单元发送初始化外部信令，控制器单元依照设定的策略，把对应的波形组件加载到处理单元和辅助处理单元，并设置RF、天线模块的参数，该参数至少包括RF和天线的工作频点和工作带宽

(2)在系统运行过程中，模式识别和环境感知单元识别到新的通信模式，向控制器单元发送通信模式参数，该通信模式参数至少包含通信的制式、双工方式、运行的频点和带宽等。控制器单元依照设定的策略，把对应该通信制式的波形组件加载到处理单元和辅助处理单元，并设置RF、天线模块的参数，该参数至少包括RF和天线的工作频点和工作带宽，完成整个平台通信体制的切换

(3)在系统运行过程中，模式识别和环境感知单元实时向控制器单元报告通信环境参数，该参数包括信道的误码率、信噪比、状态信息、延时等。控制器单元针对该通信环境参数，依照设定的策略来决定是否需要加载新的波形组件和重配置参数，新的波形组件和参数由设定的策略来决定。

本发明提出的软件管理方法，其自适应特性表现在：

(1)通信模式的自适应：在通信的初始阶段，如果用户没用通过人机接口指定通信的体制，系统的天线单元将自动在所有可能的频段上搜索信号；在通信过程中，如果系统无法在原有频点接收信号，天线同样将自动在所有可能的频段上搜索信号。一旦搜索到新信号，RF和天线单元把信号发送给模式识别和环境感知单元，然后模式识别和环境感知单元向控制器单元发送新的通信模式参数，该通信模式参数至少包含通信的制式、双工方式、运行的频点和带宽等，然后通过加载对应该通信模式参数的波形组件和参数重配置实现系统对通信模式的自适应。

本发明提出的软件管理方法，其策略驱动特性表现在：

独立的控制器单元管理和控制整个系统的运行，该控制器单元可以实时控制所有模块的工作状态。策略驱动系统分为内部信令策略和外部信令策略，其中，内部信令由模式识别和环境感知单元产生再发送到控制器单元，包括通信模式参数和通信环境参数；外部信令由外部用户通过人机接口产生再发送到控制器单元，包括初始化外部信令和外部中断信令。具体策略叙述如下：

(1)通信模式参数策略：控制器单元接收到通信模式参数，该通信模式参数至少包含通信制式、双工方式等，控制器根据通信模式参数从波形组件库中读取对应的波形组件，加载到处理单元和辅助处理单元；根据通信模式参数中关于频点、带宽等具体参数设定RF和天线的工作参数，该参数至少包含RF环绕天线的频点、带宽。

(2)通信环境参数策略：控制器单元接收到通信环境参数后，把环境参数和系统预先存储的阈值作比较，如果通信环境参数中某一参数的变动超出设定的阈值，控制器单元将加载新的波形组件和重配置对应模块的参数，新的波形组件和参数和该超出阈值的参数对应。该策略至少包括：第一，如果通信环境参数中的信噪比减小量超过阈值，控制器单元将加载比当前调制解调波形组件更低阶的新的调制解调波形组件，相反如果信环境参数中的信噪比增加量超过阈值，控制器单元将加载比当前调制解调波形组件更高阶的新的调制解调波形组件；第二，如果通信环境参数中的误码率减小量超过阈值，控制器单元将减少天线的发射功率，相反如果信环境参数中的误码率增加量超过阈值，控制器单元将增加天线的发射功率

(3)初始化外部信令策略：控制器单元接收到初始化外部信令，首先检测该初始化外部信令中是否带有通信模式参数，如果有，参照该通信模式参数，从FLASH中读入对应该通信模式的波形组件，然后加载到FPGA中，然后根据通信模式参数中关于频点、带宽等具体参数设定RF和天线的工作参数，该参数至少包含RF环绕天线的频点、带宽；如果初始化外部信令中没有通信模式参数，设置天线为各频段轮询方式工作。

(4)外部中断信令策略：在系统工作的任何阶段，控制器模块接收到用户通过人机接口传递的外部中断信令，通过参数类型判断该外部中断信令类型，如果该外部中断信令为重设置信令，控制器将该信令等同于初始化外部信令，采取初始化外部信令策略处理该信令；如果该外部中断信令为结束信令，控制器控制各个模块停止工作。

本发明提出的软件管理方法，其反射式特性表现在：系统通过人机接口能够提供自身状态和行为的自我描述参数，该自我描述参数至少包含系统的运行状态、当前的通信体制、当前的工作频点和带宽等，而外部用户通过改变系统的描述参数，生成外部中断信令发送到控制器单元，通过控制器单元来改变系统的状态。在这一过程中，系统的实际状态和行为始终保持一致。

本发明提出的一种基于软件无线电的动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，该管理方法具体实施方式如说明书附图3所示，叙述下：

(1)外部用户设定初始化参数，以初始化外部信令方式发送到控制器单元。如果外部用户在初始化外部信令中设定了系统的通信体制参数，该通信模式参数至少包含通信制式、双工方式等，该通信体制参包含在外部信令中被发送通信体制参数到控制器单元，然后转到步骤5；

(2)控制器通过信令策略系统设定天线工作状态为在全频段轮询式搜索信号。

(3)天线在全频段轮询式搜索信号，当在某一频段f处搜索到新信号，将该信号发送给RF，经过RF处理后发送给模式识别和环境感知单元

(4)模式识别和环境感知单元识别该信号：如果是有用信号，识别出该信号的通信体制，并发送通信模式参数到控制器单元，此时天线和RF停留在频点f；如果是噪声或干扰信号，继续步骤(3)。

(5)控制器单元按照通信模式参数，从FLASH中读取对应波形组件加载到处理单元，然后根据通信模式参数中关于频点、带宽等具体参数设定RF和天线的工作参数，该参数至少包含RF环绕天线的频点、带宽

(6)系统进入正常工作状态，正常接收信号并处理。系统自身运行状态和行为通过人机接口显示。模式识别和环境感知单元实时检测通信环境参数，并发送给控制器模块。

(7)正常工作状态下，系统超过重置门阈时间T没有收到信号，进入步骤(2)

(8)正常工作状态下，通信环境参数中某一参数的变动超出设定的阈值，控制器单元按设定的策略加载新的波形组件和重配置新的通信环境参数，进入步骤(6)

(9)当前通信结束，进入步骤(2)

(10)外部中断，在步骤(2)-(8)过程中，外部用户可以实时引入外部中断信令，外部中断信令分为重设置和结束，外部中断发生后，系统停止当前工作。如果外部中断信令为重设置，进入步骤(1)，否则进入步骤(11)

(11)系统结束工作

下面以CDMA IS-95模式切换到GSM模式为例，描述该动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法实施流程，这里我们假设外部用户初始设定的通信方式为CDMAIS-95模式，在通信过程中切换到GSM模式。另外，在CDMA IS-95中，由于信道条件的差异，我们分别采用了BPSK和QPSK的调制解调方式。具体实施流程如说明书附图4所示，叙述如下：

(1)外部用户选定通信方式为CDMA IS-95，设定初始化参数，该参数包括编解码方式、数据传输速率以及调制解调，双工方式等，例如调制解调采用QPSK，然后以外部信令方式发送到控制器单元。

(2)控制器单元按照通信体制参数，从FLASH中读取对应CDMA IS-95的波形组件加载到处理单元，并设定系统其他模块工作参数，比如设定天线工作频点为800MHz

(3)系统进入正常工作状态，正常接收来自其他用户的CDMAIS-95信号并处理(这里假设在重置门阈时间T内和其他CDMA IS-95用户建立通信)。系统自身运行状态和行为通过人机接口显示。模式识别和环境感知单元实时检测通信环境参数，并发送给控制器模块。

(4)控制器模块发现通信环境参数中信噪比很低，CDMA IS-95用户的通信质量无法保证，按照预先设计好的信令策略，系统改用BPSK低阶调制。控制器模块从FLASH中读取BPSK调制模块加载到FPGA，替换原有CDMA IS-95中的QPSK模块。

(5)通信过程中，在超过重置门阈时间T内没有收到任何信号，控制器设置天线在全频段轮询式搜索信号，并重设置部分参数。

(6)天线在900MHz频段搜索到信号，该信号经RF电路处理后，发送到模式识别和环境感知单元

(7)模式识别和环境感知单元检测出该信号为GSM正常呼叫信号，生成关于GSM模式配置参数的信令，发送到控制器单元

(8)控制器单元阅读该配置参数信令，按照预设的信令策略，从FLASH中读取GSM相应波形组件，加载到处理单元和辅助处理单元，并设置各模块参数。此时，整个软件无线电系统变为采用GSM体制的通信系统。

(9)基于GSM的通信建立，系统进入正常工作状态

(10)外部中断，外部用户输入结束工作的外部信令

(11)系统结束工作。

Claims (6)

1.一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)初始化：把下述硬件单元集成在一个共同的物理平台上：控制器单元、波形组件库、处理单元、扩展接口、模式识别和环境感知单元以及射频和天线单元，其中：

波形组件库用FLASH存储器实现，与所述控制器单元互连，所述波形组件库内存储有加载到所述处理单元的多组波形组件，每一种通信体制至少对应一组所述波形组件，在所述多个波形组件中还包括供所含有的各种功能子组件通信用的各种预定义接口；

扩展接口与所述波形组件库互连，把新的波形组件加载到所述波形组件库中；

处理单元是一个FPGA，与所述控制器单元互连，实现软件无线电涉及到的信号处理过程；

人机接口与所述控制器单元互连，实现所述控制器单元和外部用户的信息和外部信令交互，所述外部信令包括初始化外部信令以及外部中断信令，若所述控制器单元收到初始化外部信令，首先检查该初始化外部信令中是否带有通信模式参数，如果有，便从所述波形组件库中读入对应所述通信模式的波形组件，再加载到所述处理单元中，然后根据通信模式参数设定所述射频和天线单元的工作参数，转入正常工作状态，如果所述初始化外部信令中没有所述通信模式参数，则设置所述天线的工作状态为全频段轮询；若所述控制器单元收到外部中断信令，则判断该外部中断信令的类型：如果为重设置信令，则按所述初始化外部信令处理；如果为结束信令，则所述控制器单元控制所述各单元停止工作；

模式识别和环境感知单元，与所述控制器单元互连，实时监听所述射频和控制单元的信号，产生内部信令并发送到所述控制器单元，所述内部信令包括通信模式参数和通信环境参数：通信模式参数至少包括通信制式和双工方式，所述控制器单元依据该通信模式参数从所述波形组件库中读取对应的波形组件并加载到所述处理单元，并根据具体的通信模式参数设定所述射频和天线单元的工作参数；所述通信环境参数至少包括信噪比和误码率，所述控制器单元接收到所述通信环境参数后，与设定的阈值相比较：若某一个具体的通信环境参数的变动超出所述阈值，则把新的波形组件和经过重新配置的所述环境参数加载到所述处理单元，使新的波形组件和参数相对应于已经超出所述阈值的通信环境参数；

步骤(2)依次按以下步骤执行所述的反射式软件管理方法：

步骤(2.1)外部用户设定初始化参数，以初始化外部信令的方式发送到所述控制器单元：

若所述初始化外部信令中含有所述通信模式参数，则系统进入正常工作状态；

若所述初始化外部信令中无所述通信模式参数，则所述天线进入全频段轮询式搜索，一旦在某一个频段f搜索到新信号，则把该信号发送给射频部分，经处理后，发送给所述模式识别和感知单元进行识别：当为有用信号时按该信号的通信体制把通信模式参数送给所述控制器单元，控制所述天线工作在所述的f频段，转入正常工作状态；当为噪声信号时，所述天线继续进行全频段轮询，

步骤(2.2)在正常工作时一旦超过了设定重置门阈值时间T还未收到信号，则返回到所述全频段轮询工作状态，

步骤(2.3)在正常工作时当所述通信环境参数中某一具体参数的变动超出设定的阈值时，所述控制器单元便加载相应新的波形组件和重新配置的通信环境参数，使变化返回正常工作状态，

步骤(2.4)在正常工作时，当所述外部用户实时引入外部中断信令时，则或者进入重设置并转到步骤(2.1)，或者进行通信结束状态。

2.根据权利要求1所述的一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，其特征在于，所述波形组件中的功能子组件至少包含数字中频子组件、调制解调子组件、纠错编码子组件、跳频控制子组件、接入与链路控制子组件、以太网络路由与传输控制子组件。3.根据权利要求1所述的一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，其特征在于，还有一个协助所述处理单元进行信号处理的辅助处理单元，该辅助处理单元是既与所述处理单元又与所述控制单元互连的。

4.根据权利要求1和2所述的一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，其特征在于，当所述通信环境参数中的信噪比减小量超过所设定的阈值时，所述控制器单元将加载比当前调制解调波形组件更低阶的新的调制解调波形组件，如果相反，则加载比当前调制解调波形组件更高阶的新的调制解调波形组件。

5.根据权利要求1所述的一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，其特征在于，当所述通信环境参数中的误码率减小量超过阈值时，所述控制器单元便减少所述天线的发射功率，如果相反则增加所述天线的发射功率。

6.根据权利要求1所述的一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，其特征在于，所述系统通过所述人机接口提供自身状态和行为的自我描述参数其中，至少包括系统运行状态、当前通信体制、以及当前工作频率和带宽。

7.根据权利要求1和6所述的一种动态配置、自适应和策略驱动的反射式软件管理方法，其特征在于，当所述外部中断指令为重设置信令时，其中包括所述的自我描述参数。

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