面向服務(wù)的無線電重配置方案設(shè)計(jì)

摘要：分析了基于面向服務(wù)體系架構(gòu)(SOA)的Web服務(wù)架構(gòu)特點(diǎn)，提出了把面向服務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成思想應(yīng)用到認(rèn)知無線電系統(tǒng)(CRS)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建上，將其稱之為面向服務(wù)的無線電(SOR)。SOR的各功能單元以松耦合服務(wù)的方式提供，實(shí)現(xiàn)最大程度的移植和重用。通過重新組合不同的服務(wù)或改變服務(wù)的參數(shù)可以靈活地實(shí)現(xiàn)SOR系統(tǒng)的重配置。根據(jù)這一概念，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于SOR的原型系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：面向服務(wù)；認(rèn)知無線電；系統(tǒng)重配置；原型系統(tǒng)

0 引言
    軟件無線電技術(shù)的成熟為認(rèn)知無線電的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，把面向服務(wù)(Service-Oriented)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成思想應(yīng)用到認(rèn)知無線電系統(tǒng)(Cognitive Radio System，CRS)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建上，稱之為面向服務(wù)的無線電(Service-Oriented Radio，SOR)。SOR的實(shí)現(xiàn)主要是通過對(duì)認(rèn)知無線電可重配置的各種功能模塊，比如編碼／譯碼，調(diào)制／解調(diào)等進(jìn)行封裝，將其封裝為可在局域網(wǎng)或因特網(wǎng)上發(fā)布，調(diào)用的各種服務(wù)。然后用戶可通過對(duì)各種服務(wù)的調(diào)用和編排實(shí)現(xiàn)CRS的各種應(yīng)用。因?yàn)楸环庋b的服務(wù)是可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)整的，所以SOR可以靈活地實(shí)現(xiàn)CRS的重配置。用SOR設(shè)計(jì)CRS將會(huì)帶來很多優(yōu)點(diǎn)：它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的松耦合，使系統(tǒng)開發(fā)不受地域限制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性，并且通過各種服務(wù)的調(diào)整和編排，提高系統(tǒng)的靈活性和可重用性。

1 Web服務(wù)的技術(shù)集合
    基于SOR的認(rèn)知無線電系統(tǒng)采用Web服務(wù)的技術(shù)集合來實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的各功能單元主要通過兩大類服務(wù)，即傳統(tǒng)軟件無線電服務(wù)、認(rèn)知核服務(wù)分布式地部署在局域網(wǎng)或因特網(wǎng)上。傳統(tǒng)軟件無線電服務(wù)包括前端信號(hào)處理服務(wù)、調(diào)制解調(diào)服務(wù)、信道編解碼服務(wù)、頻譜分析服務(wù)等，認(rèn)知核服務(wù)包括各種學(xué)習(xí)服務(wù)、推理服務(wù)、優(yōu)化服務(wù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等。SOR采用一系列的Web服務(wù)協(xié)議，其協(xié)議棧如圖1所示。

    Web服務(wù)協(xié)議棧分為三層：網(wǎng)絡(luò)和傳輸層、服務(wù)描述和發(fā)現(xiàn)層、服務(wù)工作流層。安全性、易管理性、服務(wù)質(zhì)量保證貫穿于整個(gè)三層。Web服務(wù)的最基礎(chǔ)技術(shù)層次是網(wǎng)絡(luò)和傳輸層，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要采用HTTP協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上采用XML描述數(shù)據(jù)，使用簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議(Simple Obj-ect Access Protocol，SOAP)進(jìn)行不同服務(wù)之間消息的傳遞。如圖2所示，服務(wù)描述和發(fā)現(xiàn)層使服務(wù)的提供者和服務(wù)的請(qǐng)求者能夠成功交互，服務(wù)的提供者將認(rèn)知無線電系統(tǒng)的服務(wù)用Web服務(wù)描述語言(Web Services Description Language，WSDL)來描述，并在UDDI(Universal Des-cription Discovery and Integration)服務(wù)注冊(cè)中心進(jìn)行注冊(cè)和發(fā)布，服務(wù)的請(qǐng)求者通過在UDDI服務(wù)注冊(cè)中心可以查看和檢索其需要的服務(wù)。服務(wù)工作流層根據(jù)認(rèn)知無線電的系統(tǒng)功能和參數(shù)要求，使用的是Web服務(wù)的業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言(Web Service Business Process Execut-ion Language，BPEL)將一系列基本服務(wù)進(jìn)行編排和連接形成新的服務(wù)以完成認(rèn)知無線電通信任務(wù)。

2 基于SOR體系架構(gòu)的重配置調(diào)整方案
    SOR體系架構(gòu)是一種將面向服務(wù)思想引入無線電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。在SOR中，認(rèn)知無線電可重配置的各種功能模塊，包括軟件處理模塊和硬件處理模塊，以服務(wù)的方式提供并分布式部署在局域網(wǎng)或因特網(wǎng)上，通過對(duì)服務(wù)的編排和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種應(yīng)用?；赟OR的CRS具有如下優(yōu)點(diǎn)：松耦合架構(gòu)能增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性和業(yè)務(wù)敏捷性；可重用的服務(wù)能有效節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施的部署規(guī)模從而節(jié)約運(yùn)營(yíng)商成本。認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過重新組合不同的服務(wù)或改變服務(wù)的參數(shù)可以靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重配置。
2．1 服務(wù)的注冊(cè)發(fā)布與調(diào)用
    如圖3所示，認(rèn)知無線電系統(tǒng)的各功能單元，包括軟件無線電各功能單元(調(diào)制解調(diào)服務(wù)，前端信號(hào)處理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議服務(wù)等)和認(rèn)知引擎的功能單元(感知服務(wù)，判斷服務(wù)，決策服務(wù)，學(xué)習(xí)服務(wù)等)以服務(wù)的方式提供并且在服務(wù)總線上注冊(cè)發(fā)布。例如，根據(jù)環(huán)境和用戶需求，有一些服務(wù)(感知服務(wù)E，判斷服務(wù)B，決策服務(wù)B，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議服務(wù)C，鏈路服務(wù)B，調(diào)制解調(diào)服務(wù)D，前端信號(hào)處理服務(wù)A，學(xué)習(xí)服務(wù)A)被選中并連接，這些服務(wù)的參數(shù)被確定，以完成該認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功能。

2．2 基于SOR的CRS部署示例
    圖4為基于SOR的CRS部署示例。一個(gè)CRS由運(yùn)營(yíng)商A、運(yùn)營(yíng)商B與服務(wù)提供商組成。運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商以服務(wù)方式提供各種功能模塊，例如調(diào)制解調(diào)服務(wù)、語音編譯碼服務(wù)、推理服務(wù)等，并且將這些服務(wù)分布式地部署在網(wǎng)絡(luò)上。

    根據(jù)用戶通信需求和無線環(huán)境的變化，運(yùn)營(yíng)商B組合運(yùn)營(yíng)商A的感知服務(wù)，服務(wù)提供商的頻譜分析服務(wù)和推理服務(wù)，完成頻譜感知與分析，以及通信決策功能。并根據(jù)決策結(jié)果編排調(diào)制／解調(diào)服務(wù)、語音編／解碼服務(wù)、視頻編／解碼服務(wù)，形成滿足用戶需求適應(yīng)無線環(huán)境的通信波形，實(shí)現(xiàn)CRS重配置。
    運(yùn)用這種方法，運(yùn)營(yíng)商不需為每個(gè)基站建設(shè)所有功能，部分功能可通過定制服務(wù)的方式交由第三方處理，從而節(jié)約建設(shè)成本、提高效率，改善可擴(kuò)展性，并使新業(yè)務(wù)的開發(fā)更加便捷。

3 原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    為了驗(yàn)證SOR應(yīng)用的可行性，設(shè)計(jì)了SOR的原型系統(tǒng)，采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式，如圖5所示，發(fā)送端和接收端各自連接在局域網(wǎng)，它們需要的功能模塊以服務(wù)軟件的形式在局域網(wǎng)上注冊(cè)發(fā)布。

    原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如下：
    (1)完成認(rèn)知無線電各功能模塊的編寫和測(cè)試，認(rèn)知無線電系統(tǒng)的各功能單元，包括軟件無線電各功能單元(調(diào)制解調(diào)服務(wù)，前端信號(hào)處理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議服務(wù)等)和認(rèn)知引擎的功能單元(感知服務(wù)，判斷服務(wù)，決策服務(wù)，學(xué)習(xí)服務(wù)等)以服務(wù)的方式提供，需要的功能模塊以服務(wù)軟件的形式在局域網(wǎng)上注冊(cè)發(fā)布。
    (2)認(rèn)知無線電中的功能模塊封裝為服務(wù)后，用tomcat(服務(wù)器)+eclipse+axis2(發(fā)布Web服務(wù)的插件)搭建服務(wù)發(fā)布平臺(tái)，把封裝好的服務(wù)發(fā)布在局域網(wǎng)上，并自動(dòng)生成該服務(wù)的WSDL服務(wù)描述文檔。供通信終端查找調(diào)用。
    (3)建立自己局域網(wǎng)中的服務(wù)注冊(cè)中心，注冊(cè)、查找需要的服務(wù)。用tomcat(服務(wù)器)+juddi(開源的服務(wù)注冊(cè)軟件)+MySQL(開源數(shù)據(jù)庫(kù))建立局域網(wǎng)中的服務(wù)注冊(cè)中心，服務(wù)可在注冊(cè)中心注冊(cè)和查找，查找到需要的服務(wù)后根據(jù)其wsdl服務(wù)描述文檔編寫調(diào)用程序，調(diào)用該服務(wù)。
    (4)通信終端在通信的過程中，在服務(wù)注冊(cè)中心查找自己需要的服務(wù)完成調(diào)用，需要調(diào)用多個(gè)服務(wù)來完成某個(gè)操作時(shí)，用BPEL(Business Process Exceution Language，業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言)對(duì)查找到的服務(wù)進(jìn)行編排組合，完成所需要的功能，如圖6，圖7所示，根據(jù)環(huán)境和用戶需求，有一些服務(wù)(感知服務(wù)，判斷服務(wù)，決策服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議服務(wù)，鏈路服務(wù)，調(diào)制解調(diào)服務(wù)，前端信號(hào)處理服務(wù)，學(xué)習(xí)服務(wù))被選中并連接，再確定這些服務(wù)的參數(shù)，以完成該認(rèn)知無線電系統(tǒng)所需要的功能。用開源的Activebpel對(duì)流程服務(wù)進(jìn)行管理，配合Active-VOS(圖形可視化的服務(wù)組合工具)來設(shè)計(jì)安排服務(wù)流程，把幾個(gè)服務(wù)組合編排為一個(gè)流程服務(wù)，供通信終端調(diào)用。

    發(fā)送端可配置參數(shù)如下：
    信道編碼：無、1／2CC、2／3CC；
    調(diào)制：GMSK，QPSK，BPSK；
    視頻碼流速率：200 Kb／s～1 Mb／s；
    可調(diào)工作頻率：2 450～2 460 MHz可調(diào)；
    信號(hào)帶寬：200 Kb／s～1 Mb／s；
    可調(diào)發(fā)射功率：0～50 mW可調(diào)。

    接收端可配置參數(shù)：
    信道譯碼：無、1／2CC、2／3CC；
    解調(diào)：GMSK，QPSK，BPSK；
    視頻碼流速率：200 Kb／s～1 Mb／s；
    可調(diào)工作頻率：2 450～2 460 MHz可調(diào)；
    信號(hào)帶寬：200 Kb／s～1 Mb／s可調(diào)。
    上述基于SOA的認(rèn)知無線電原型系統(tǒng)是一種松耦合的服務(wù)架構(gòu)，其服務(wù)之間通過簡(jiǎn)單的、精確定義的接口進(jìn)行通信，不涉及到底層的編程接口和通信模型。這種體系結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
    (1)將服務(wù)封裝成可重用的應(yīng)用程序，同時(shí)又由于服務(wù)的API保持不變，所以使得通信終端無需考慮所調(diào)用服務(wù)在具體實(shí)施上的改變。
    (2)服務(wù)的可重用性設(shè)計(jì)可以顯著地降低整體系統(tǒng)的開發(fā)成本。并且將獨(dú)立于底層的實(shí)現(xiàn)和通信終端具體需求的變更。
    (3)在SOA中，服務(wù)之間通過既定的規(guī)則和通信協(xié)議來進(jìn)行彼此之間的互操作，其中同步和異步是兩種主要的通信機(jī)制。SOA提供服務(wù)的互操作特性更利于其在多個(gè)場(chǎng)合被重用。
    (4)服務(wù)消費(fèi)者到服務(wù)提供者的綁定與服務(wù)之間是松耦合的。這就意味著，服務(wù)消費(fèi)者不知道服務(wù)提供者實(shí)現(xiàn)的具體技術(shù)細(xì)節(jié)。這種服務(wù)之間的松耦合性使得會(huì)話一端的軟件可以在不影響另一端的情況下發(fā)生改變，同時(shí)又不對(duì)服務(wù)消費(fèi)者造成任何的影響。
    (5)服務(wù)是針對(duì)業(yè)務(wù)的具體需求而設(shè)計(jì)的濡要反映需求的不斷變化。服務(wù)的設(shè)計(jì)以及部署對(duì)通信終端來說是完全透明的。也就是說，通信終端完全不必知道響應(yīng)自己需求的服務(wù)的具體位置，也不必知道服務(wù)的具體細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了SOA松耦合、開放性的特點(diǎn)。

4 結(jié)語
    隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展，傳統(tǒng)的軟件無線電平臺(tái)已滿足不了認(rèn)知無線電的需求，本文在分析了SOA體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，把面向服務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成思想應(yīng)用到CRS的設(shè)計(jì)和構(gòu)建上，構(gòu)建面向服務(wù)的無線電。SOR的實(shí)現(xiàn)主要是通過對(duì)認(rèn)知無線電可重配置的各種功能模塊，比如編碼／譯碼，調(diào)制／解調(diào)等進(jìn)行封裝，將其封裝為可在局域網(wǎng)或因特網(wǎng)上發(fā)布并調(diào)用的各種服務(wù)。然后用戶可通過對(duì)各種服務(wù)的調(diào)用和編排實(shí)現(xiàn)CRS的各種應(yīng)用。因?yàn)楸环庋b的服務(wù)是可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)整的，所以SOR可以靈活的實(shí)現(xiàn)CRS的重配置?；谶@一概念設(shè)計(jì)了CRS原型系統(tǒng)，在原型系統(tǒng)中，認(rèn)知無線電的各功能模塊作為服務(wù)發(fā)布在局域網(wǎng)上，通信終端在通信的過程中在服務(wù)注冊(cè)中心選擇需要的服務(wù)
進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了通信終端與服務(wù)之間松耦合的綁定，極大地提高了服務(wù)軟件的共享與重用。達(dá)到了認(rèn)知無線電靈活性、開放性的要求。本文的CRS原型系統(tǒng)與實(shí)際的應(yīng)用還有一定的距離，在此基礎(chǔ)上將進(jìn)一步的總結(jié)和完善。