摘要：2024年3月，美国卫星行业联合云提供商、卫星网络运营商、调制解调器供应商和最终用户等多家企业和机构，新成立波形架构虚拟化联盟（WAVE），旨在推进卫星网关和终端的波形虚拟化。WAVE的使命是通过使用智能、开放和虚拟化的网络，并提供标准化的架构和规范，将卫星通

2024年3月，美国卫星行业联合云提供商、卫星网络运营商、调制解调器供应商和最终用户等多家企业和机构，新成立波形架构虚拟化联盟（WAVE），旨在推进卫星网关和终端的波形虚拟化。WAVE的使命是通过使用智能、开放和虚拟化的网络，并提供标准化的架构和规范，将卫星通信行业转变为一个完全可互操作的生态系统。

WAVE为卫星通信网络提供了前所未有的灵活性和创新性，通过其虚拟化标准，WAVE允许运营商无缝集成和更新各种波形和应用，将僵化的、依赖于硬件的系统转变为动态的、软件驱动的环境。由于篇幅所限，本文介绍WAVE网关规范的部分重点内容，为我国卫星产业从“规模扩张”向“高质量发展”转型提供技术路线参考。

波形架构虚拟化生态系统（WAVE）旨在通过构建支持异构计算架构虚拟化的生态系统，彻底变革卫星通信波形技术。WAVE 致力于定义和标准化软件、固件和硬件组件，以实现从供应商锁定系统向开放、可互操作环境的平稳过渡。WAVE 的主要目标是支持第三方波形提供商将其产品部署到通用硬件平台上，从而提升卫星通信网络的灵活性、可扩展性和成本效益。

WAVE网关为利用商用现成（COTS）服务器、x86架构以及PCIe接口的FPGA加速器实现波形虚拟化勾勒出了清晰的框架。该网关旨在实现无缝互操作性，并详细说明了FPGA加速器与虚拟元素的集成方式。作为一项更大规模计划的一部分，WAVE网关（WAVE-gateway）与WAVE终端（WAVE-terminal）互为补充，WAVE终端侧重于实现波形可移植性的嵌入式虚拟化；此外还有WAVE格式（WAVE-form），它为第三方供应商提供指导，助其打包解决方案以便轻松集成到WAVE生态系统中。这些标准共同为先进的卫星通信波形虚拟化指明了方向。WAVE系列标准如图所示。

图1 WAVE系列标准为行业提供全面的解决方案

图2 FPGA 加速架构：未来架构必须包含数字中频接口和 FPGA 加速，以满足未来卫星通信波形性能需求

随着云计算行业的普及、商用现货PCIe FPGA 加速器的同质化以及数字中频互操作性（DIFI）标准的推出，如今对定制化产品的依赖已逐步消除。因此，在商用现货服务器中添加 PCIe FPGA 加速器，可构建适用于高性能波形处理的异构计算系统，形成数字中频调制解调器。图 2 展示了采用 FPGA PCIe 加速器进行波形处理的数字中频调制解调器架构框图。传统上，CPU 资源仅用于监控和控制调制解调器功能，例如提供网页或托管简单网络管理协议（SNMP）服务。本规范定义了支持异构计算平台虚拟化的相关组件。

开源组件

利用开源组件支持虚拟化架构，以保障可用性、可持续性，并为社区构建协作环境。

互操作性

优先考虑组件之间的无缝集成和通信，无论其供应商或来源如何，以维持系统的整体性和功能性。

模块化

采用模块化方式设计标准，便于在不彻底改造整个系统的情况下进行更新、添加或修改。

可扩展性

设计标准以支持可超大规模扩展的解决方案。

局部动态重配置（DPR）通过为波形虚拟化设计的灵活 FPGA 框架，促进波形的可移植性。利用 DPR 技术，供应商可将其软件和固件无缝打包为可移植包，确保在共享硬件平台上的轻松部署。这种 DPR 方法提升了 FPGA 设计的适应性和安全性，允许硬件为各种波形应用重新配置用途。

在 DPR 技术中，FPGA 的局部区域可独立重新编程，而不影响其他区域。该设计包含一个指定的布局规划，涵盖可重配置分区（RP）和一个静态区域。可重配置分区（RP）是 FPGA 内部的动态区域，专门用于接收封装为加密二进制文件的特定波形固件设计。通过使用加密二进制文件，这些可重配置分区（RP）确保了各种波形设计在 WAVE 网关中安全且灵活的集成。对于波形虚拟化，其核心策略是通过 WAVE 格式标准中规定的标准化接口，将可移植二进制文件接入这些可重配置分区（RP）。

在整合额外的虚拟化组件之前，FPGA 上的静态区域会预先配置完成。这确保了为后续功能集成提供稳定的框架。静态区域支持外部接口，助力与可重配置分区（RP）的数据交换，并提供与监控控制软件和网络的连接。静态区域的主要用途是为软件和网络通信提供接口支持，负责软件和网络的互联，并管理二进制文件向可重配置分区（RP）的部署。此外，静态区域内的功能还促进可重配置分区（RP）中的二进制文件与其对应的虚拟机之间的上下文管理。这种集成对于确保虚拟机与可重配置分区（RP）内的二进制文件之间的无缝交互至关重要。

图3 WAVE网关架构：定义了采用PCIe FPGA加速技术、针对异构计算组件构建虚拟化框架所需的各个组件

WAVE 网关架构（WGA）应支持两种与 FPGA 加速器功能相关的虚拟机类型：静态虚拟机和动态虚拟机。静态虚拟机和动态虚拟机均应依赖来自更高管理层或北向接口的配置信息和编排指令。

静态虚拟机应支持静态 FPGA 功能，其功能包括对静态 FPGA 功能的监控和控制，并通过软件驱动程序配置静态 FPGA 功能。静态 FPGA 功能应包含多个网络接口，以支持与可重配置分区（RP）之间用于波形二进制文件传输的 DIFI 接口。

FPGA 上的 DIFI 和 IP 功能应执行以下操作：

处理 DIFI 流的源 IP 地址和目的 IP 地址

将 DIFI 流路由至可重配置分区（RP）

将用户数据流路由至可重配置分区（RP）

监控流上下文

静态 FPGA 功能中的 DIFI 功能应负责将数字样本打包为 IP 数据包以及从 IP 数据包中解包数字样本，以实现传输目的。

动态虚拟机实例应包含与可重配置分区（RP）兼容的波形二进制文件，并提供用于监控和控制波形二进制文件的驱动程序，以及用于将二进制文件加载到兼容 FPGA 可重配置分区（RP）的 FPGA 设备驱动程序。

虚拟 FPGA 管理器（VFM）应提供可编程接口，使分区连接管理器（PAM）能够与指向虚拟机的快速模拟器（QEMU）虚拟机监控程序协作，监督波形的连接过程。

虚拟 FPGA 管理器（VFM）应作为架构的核心组成部分，通过执行以下功能，确保对多个可重配置分区（RP）的有效管理。

可重配置分区（RP）编程：虚拟 FPGA 管理器（VFM）应通过 Linux 内核中的 FPGA 子系统使用驱动程序，管理分配给可重配置分区（RP）的波形。可重配置分区（RP）功能与虚拟机的连接：虚拟 FPGA 管理器（VFM）应接收来自分区连接管理器（PAM）的指令，通过内存管理接口将虚拟机与可用的加速器分区连接或断开。内存管理接口应明确驱动程序地址与静态和动态 FPGA 功能的寄存器映射之间的对应关系。此外，虚拟 FPGA 管理器（VFM）应在虚拟机连接和断开过程中，保存和恢复波形二进制文件可重配置分区（RP）的配置上下文，以实现 FPGA 加速器在不同虚拟机之间的高效分时共享。

执行分区连接管理器（PAM）功能：虚拟 FPGA 管理器（VFM）应提供可编程接口，使分区连接管理器（PAM）能够与快速模拟器（QEMU）虚拟机监控程序协作，监督指向虚拟机的波形连接过程。

WAVE网关是WAVE标准中不可或缺的组成部分，它规范了FPGA加速器与卫星通信虚拟化环境的集成方式，利用FPGA局部动态重配置技术实现高效、可适应的波形处理。该网关采用模块化、可扩展的框架，以确保在各种硬件和软件之间实现互操作性。这种方法旨在通过促进在通用硬件平台上更便捷地部署第三方波形，显著提高卫星通信网络的灵活性并降低运营成本。

WAVE联盟计划通过WAVE网关（WAVE-gateway）、WAVE终端（WAVE-terminal）、WAVE格式（WAVE-form）三大标准规范共同构建卫星波形虚拟化的完整解决方案，目前相关规范的内容还在不断的推进和完善之中。

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来源：卫星与网络