如何使用模型设计实现软件无线电的IIM和ISM

　　尽管软件无线电（SDR）的指导原则是“开发一次，随处运行”，但是每当硬件发生变化时，所有开发经常要重新开始。业界已经认识到，基于文本规范的传统开发模式已无法满足SDR硬件和软件的可移植性要求。这种认识促使下一代通信无线电的一个新设计方法的产生。该方法基于更高层次抽象描述，采用“基于模型的设计”思想，其核心为基于“与实现无关的模型（IIM）”和“特定实现的模型（ISM）”的可操作性规范。联合战术无线电系统（JTRS）的联合项目办公室（JPO）已经提出这些可操作规范的使用指导方针，以便能充分发挥SDR的潜能。 SDR所提供的无线电可被动态地编程，以支持不同的波形标准、提供新特性、改善系统性能，以及支持新的业务。目前SDR 发展的推动者主要是美国军方，他们希望在SDR上实现基础的JTRS（下一代通信系统）。SDR将让士兵能在各种通信系统上进行通讯，并仅需通过增加软件就可模仿任何无线电的功能。与此同时，一个开放和可互操作的框架，特别是由软件通信架构 （SCA）定义的框架，可显著减少设计、部署和维护将来无线电的费用。从目前来看，由于SDR的低成本优势，许多商用无线设备厂商也逐步开始采纳SDR架构。作为JTRS项目的一个重要分支，SCA提供了一个定义在各种软、硬件之间如何实现互操作性的开放架构框架。SCA还提出一个被设计用来提供不同波形（与GSM和 802.11等标准类似）之间互操作性的核心框架（CF），这些波形作为软件应用用在商业用途中，可被下载到任何支持SCA规范的无线电设备上。开发复杂度增加几乎每次通信技术的重大进步都会给软件和硬件设计工程师带来巨大挑战，SDR也不例外。领先的武器承包商、电子元件供应商以及系统集成商目前都在开发下一代SDR，并承诺新的SDR将使无线通信改头换面，各种无线设备将可以相互操作，新功能的添加也将可通过软件下载来实现。通过运行在更灵活的硬件上的软件程序来实现无线系统与任何波形之间的通信，将是一个很大的设计挑战。在当今的军用或商用无线平台中，硬件都是针对波形进行优化，特别是射频部分更是针对无线电所工作的狭窄频段进行优化。从专用设计转向通用设计必然会对系统的实时性能、电源消耗和尺寸大小等方面带来不利影响。传统设计方法的缺点到目前为止，大多数SDR设计工程师一直使用传统的设计方法：将系统架构师定义的规范细化为文档，用这些文档指导专注于信号处理或射频工程领域的项目团队，然后由这些团队定义硬件、设计电路、编写软件、运行仿真、测试并生成大量数据，这些数据被用来验证最终实现结果是否满足规范要求。这种方法的一个重要问题是，许多错误常常要在原型阶段上所有模块可以一起测试的时候才能被检测出来。如果产品原型不满足规范，设计工程师必须确定问题是出自于系统需求、仿真模型、接口，还是目标处理器。因为解决问题的成本随着设计规模的增大而不断增加，所以目标处理器出现问题将快速增加开发成本。

　　波形可移植性的关键挑战虽然这些挑战不易解决，但与多目标开发的要求相比，其难度则逊色多了。每一个主要的开发项目都必须考虑各种硬件选项，包括通用处理器（GPP）、DSP、FPGA，而且硬件的选择常常要到开发过程进入到一定阶段时才能确定下来。即使硬件已经选定，设计工程师也必须对硬件升级和外形因子改变有所准备，以便能完全改变开发方向，比如从DSP转换到FPGA。传统的开发方法与特定硬件架构相关联，因此为了实现一种新的硬件平台，必须从技术规范重新开始。意识到传统设计方法的局限性，JTRS联合项目办公室提出了一种新的设计方法。在该方法中，波形规范在一个可执行的 IIM（与硬件规范无关）以及一个或多个可执行的ISM（与硬件规范有关）中定义。这种方法有三个优点：首先，IIM和ISM是单个、明确、可执行的波形规范，可以在团队、部门和承包商之间共享；其次，它们提供了一个高层次的设计视角，以进行系统级的分析和折衷，并发现潜在的设计和实现错误；最后，它们可降低将波形从一个无线电装置移植到另一个无线电装置的成本，而同时还支持性能分析、需求分析跟踪以及高性能波形设计。 IIM包含可用来定义、表征和验证波形行为的信息，波形行为可以被验证和跟踪是否满足波形需求文档中的要求。波形的信号流、控制流和联网方式可以利用波形子系统边界、子系统抖动、延时和定时要求、子系统处理要求以及信号端口采样次数等信息来定义。可执行的IIM提供一个测试台来验证波形功能模块或者系统是否满足系统要求，并验证它们的性能。另一方面，ISM反映了预期实现被移植到特定无线电装置架构时的详情。该模型包含更多将处理元件分配到各种处理器资源的信息，这可让设计工程师详细了解此实现。它还包括目标处理器的执行时间、延迟时间、存储器和队列大小的模型，这允许波形设计工程师以及后续移植工作能在系统级层次上理解资源变化带来的影响，例如：吞吐量、抖动、延时、存储器消耗、DC 功率和实时性能。