面向服务的无线电重配置方案设计

摘要：分析了基于面向服务体系架构(SOA)的Web服务架构特点，提出了把面向服务的系统设计和集成思想应用到认知无线电系统(CRS)的设计和构建上，将其称之为面向服务的无线电(SOR)。SOR的各功能单元以松耦合服务的方式提供，实现最大程度的移植和重用。通过重新组合不同的服务或改变服务的参数可以灵活地实现SOR系统的重配置。根据这一概念，设计实现了基于SOR的原型系统。
关键词：面向服务；认知无线电；系统重配置；原型系统

0 引言
    软件无线电技术的成熟为认知无线电的实现提供了基础，把面向服务(Service-Oriented)的系统设计和集成思想应用到认知无线电系统(Cognitive Radio System，CRS)的设计和构建上，称之为面向服务的无线电(Service-Oriented Radio，SOR)。SOR的实现主要是通过对认知无线电可重配置的各种功能模块，比如编码／译码，调制／解调等进行封装，将其封装为可在局域网或因特网上发布，调用的各种服务。然后用户可通过对各种服务的调用和编排实现CRS的各种应用。因为被封装的服务是可以根据用户需求进行调整的，所以SOR可以灵活地实现CRS的重配置。用SOR设计CRS将会带来很多优点：它可以实现系统的松耦合，使系统开发不受地域限制，增强了系统的开放性，并且通过各种服务的调整和编排，提高系统的灵活性和可重用性。

1 Web服务的技术集合
    基于SOR的认知无线电系统采用Web服务的技术集合来实现。认知无线电系统的各功能单元主要通过两大类服务，即传统软件无线电服务、认知核服务分布式地部署在局域网或因特网上。传统软件无线电服务包括前端信号处理服务、调制解调服务、信道编解码服务、频谱分析服务等，认知核服务包括各种学习服务、推理服务、优化服务以及数据库服务等。SOR采用一系列的Web服务协议，其协议栈如图1所示。

    Web服务协议栈分为三层：网络和传输层、服务描述和发现层、服务工作流层。安全性、易管理性、服务质量保证贯穿于整个三层。Web服务的最基础技术层次是网络和传输层，网络协议主要采用HTTP协议，并在此基础上采用XML描述数据，使用简单对象访问协议(Simple Obj-ect Access Protocol，SOAP)进行不同服务之间消息的传递。如图2所示，服务描述和发现层使服务的提供者和服务的请求者能够成功交互，服务的提供者将认知无线电系统的服务用Web服务描述语言(Web Services Description Language，WSDL)来描述，并在UDDI(Universal Des-cription Discovery and Integration)服务注册中心进行注册和发布，服务的请求者通过在UDDI服务注册中心可以查看和检索其需要的服务。服务工作流层根据认知无线电的系统功能和参数要求，使用的是Web服务的业务流程执行语言(Web Service Business Process Execut-ion Language，BPEL)将一系列基本服务进行编排和连接形成新的服务以完成认知无线电通信任务。

2 基于SOR体系架构的重配置调整方案
    SOR体系架构是一种将面向服务思想引入无线电系统的实现方法。在SOR中，认知无线电可重配置的各种功能模块，包括软件处理模块和硬件处理模块，以服务的方式提供并分布式部署在局域网或因特网上，通过对服务的编排和调用，实现系统各种应用。基于SOR的CRS具有如下优点：松耦合架构能增强系统灵活性和业务敏捷性；可重用的服务能有效节省基础设施的部署规模从而节约运营商成本。认知无线电系统通过重新组合不同的服务或改变服务的参数可以灵活地实现系统的重配置。
2．1 服务的注册发布与调用
    如图3所示，认知无线电系统的各功能单元，包括软件无线电各功能单元(调制解调服务，前端信号处理服务，网络协议服务等)和认知引擎的功能单元(感知服务，判断服务，决策服务，学习服务等)以服务的方式提供并且在服务总线上注册发布。例如，根据环境和用户需求，有一些服务(感知服务E，判断服务B，决策服务B，网络协议服务C，链路服务B，调制解调服务D，前端信号处理服务A，学习服务A)被选中并连接，这些服务的参数被确定，以完成该认知无线电系统的功能。

2．2 基于SOR的CRS部署示例
    图4为基于SOR的CRS部署示例。一个CRS由运营商A、运营商B与服务提供商组成。运营商和服务提供商以服务方式提供各种功能模块，例如调制解调服务、语音编译码服务、推理服务等，并且将这些服务分布式地部署在网络上。

    根据用户通信需求和无线环境的变化，运营商B组合运营商A的感知服务，服务提供商的频谱分析服务和推理服务，完成频谱感知与分析，以及通信决策功能。并根据决策结果编排调制／解调服务、语音编／解码服务、视频编／解码服务，形成满足用户需求适应无线环境的通信波形，实现CRS重配置。
    运用这种方法，运营商不需为每个基站建设所有功能，部分功能可通过定制服务的方式交由第三方处理，从而节约建设成本、提高效率，改善可扩展性，并使新业务的开发更加便捷。

3 原型系统的实现
    为了验证SOR应用的可行性，设计了SOR的原型系统，采用点到点的通信模式，如图5所示，发送端和接收端各自连接在局域网，它们需要的功能模块以服务软件的形式在局域网上注册发布。

    原型系统的实现方案如下：
    (1)完成认知无线电各功能模块的编写和测试，认知无线电系统的各功能单元，包括软件无线电各功能单元(调制解调服务，前端信号处理服务，网络协议服务等)和认知引擎的功能单元(感知服务，判断服务，决策服务，学习服务等)以服务的方式提供，需要的功能模块以服务软件的形式在局域网上注册发布。
    (2)认知无线电中的功能模块封装为服务后，用tomcat(服务器)+eclipse+axis2(发布Web服务的插件)搭建服务发布平台，把封装好的服务发布在局域网上，并自动生成该服务的WSDL服务描述文档。供通信终端查找调用。
    (3)建立自己局域网中的服务注册中心，注册、查找需要的服务。用tomcat(服务器)+juddi(开源的服务注册软件)+MySQL(开源数据库)建立局域网中的服务注册中心，服务可在注册中心注册和查找，查找到需要的服务后根据其wsdl服务描述文档编写调用程序，调用该服务。
    (4)通信终端在通信的过程中，在服务注册中心查找自己需要的服务完成调用，需要调用多个服务来完成某个操作时，用BPEL(Business Process Exceution Language，业务流程执行语言)对查找到的服务进行编排组合，完成所需要的功能，如图6，图7所示，根据环境和用户需求，有一些服务(感知服务，判断服务，决策服务，网络协议服务，链路服务，调制解调服务，前端信号处理服务，学习服务)被选中并连接，再确定这些服务的参数，以完成该认知无线电系统所需要的功能。用开源的Activebpel对流程服务进行管理，配合Active-VOS(图形可视化的服务组合工具)来设计安排服务流程，把几个服务组合编排为一个流程服务，供通信终端调用。

    发送端可配置参数如下：
    信道编码：无、1／2CC、2／3CC；
    调制：GMSK，QPSK，BPSK；
    视频码流速率：200 Kb／s～1 Mb／s；
    可调工作频率：2 450～2 460 MHz可调；
    信号带宽：200 Kb／s～1 Mb／s；
    可调发射功率：0～50 mW可调。

    接收端可配置参数：
    信道译码：无、1／2CC、2／3CC；
    解调：GMSK，QPSK，BPSK；
    视频码流速率：200 Kb／s～1 Mb／s；
    可调工作频率：2 450～2 460 MHz可调；
    信号带宽：200 Kb／s～1 Mb／s可调。
    上述基于SOA的认知无线电原型系统是一种松耦合的服务架构，其服务之间通过简单的、精确定义的接口进行通信，不涉及到底层的编程接口和通信模型。这种体系结构模型的优点主要体现在以下几点：
    (1)将服务封装成可重用的应用程序，同时又由于服务的API保持不变，所以使得通信终端无需考虑所调用服务在具体实施上的改变。
    (2)服务的可重用性设计可以显著地降低整体系统的开发成本。并且将独立于底层的实现和通信终端具体需求的变更。
    (3)在SOA中，服务之间通过既定的规则和通信协议来进行彼此之间的互操作，其中同步和异步是两种主要的通信机制。SOA提供服务的互操作特性更利于其在多个场合被重用。
    (4)服务消费者到服务提供者的绑定与服务之间是松耦合的。这就意味着，服务消费者不知道服务提供者实现的具体技术细节。这种服务之间的松耦合性使得会话一端的软件可以在不影响另一端的情况下发生改变，同时又不对服务消费者造成任何的影响。
    (5)服务是针对业务的具体需求而设计的濡要反映需求的不断变化。服务的设计以及部署对通信终端来说是完全透明的。也就是说，通信终端完全不必知道响应自己需求的服务的具体位置，也不必知道服务的具体细节，实现了SOA松耦合、开放性的特点。

4 结语
    随着认知无线电的发展，传统的软件无线电平台已满足不了认知无线电的需求，本文在分析了SOA体系结构特点的基础上，把面向服务的系统设计和集成思想应用到CRS的设计和构建上，构建面向服务的无线电。SOR的实现主要是通过对认知无线电可重配置的各种功能模块，比如编码／译码，调制／解调等进行封装，将其封装为可在局域网或因特网上发布并调用的各种服务。然后用户可通过对各种服务的调用和编排实现CRS的各种应用。因为被封装的服务是可以根据用户需求进行调整的，所以SOR可以灵活的实现CRS的重配置。基于这一概念设计了CRS原型系统，在原型系统中，认知无线电的各功能模块作为服务发布在局域网上，通信终端在通信的过程中在服务注册中心选择需要的服务
进行调用，实现了通信终端与服务之间松耦合的绑定，极大地提高了服务软件的共享与重用。达到了认知无线电灵活性、开放性的要求。本文的CRS原型系统与实际的应用还有一定的距离，在此基础上将进一步的总结和完善。